【文章內容簡介】 手均屬于此類。 連續(xù)軌跡控制機械手的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線。其特點是設定點為無限，整個移動過程均處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 （三） 工業(yè)機械手的 發(fā)展 1． 工業(yè) 機械手的發(fā)展 歷史 機械手是在早期就有的古機關 人基礎上發(fā)展起來的，我國古代的機關人制造者是最早研究有關機械手、關節(jié)活動等問題的 。 現(xiàn)代機械手的研究始于 20 世紀中期。隨著計算機 技術的發(fā)展，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術的進展， 也為機械手 的開發(fā)奠定了基礎。另一方面 ，核能技術的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這樣的 背景下， 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出 了 第一臺機械手，它的結構是 在 機體上安裝一個回轉長臂， 并在長臂頂部裝配了 工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962 年，美國 聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手， 商名為 Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔， 手 臂可以回轉、俯仰、伸縮、 使用液壓驅動， 控制系統(tǒng)用 磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年，美國機械制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 的機械手，該機械手的中央立柱可以回轉、升降 ， 采用液壓驅動 ， 控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機械手，是后來國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。 1978年美國 Unima公司與斯坦福大學、 麻省理工學院聯(lián)合研制一種 UnimateVicarm型工業(yè)機械手， 通過 小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于177。 1mm。聯(lián)邦德國 KnKa 公司 也研制出 一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制 。 近 六十 年發(fā)展起來的 機械手 ，大致經(jīng)歷了三個時代。第一代為簡單個體 機械手 ，屬于示教再現(xiàn)型 , 第二代為群體勞動 機械手 ， 其 具備了感覺能力 ,第三代為類似人類的智能 機械手 ， 它不僅具有感覺能力 ， 而且還具有獨立判斷 和行動的能力。 2． 工業(yè) 機械手 的發(fā)展 方向 目前，國內的機械手發(fā)展迅速，歸結起來，大都朝著高精度、模塊化、節(jié)能化和機電一體化這四個方向發(fā)展。 (1)高精度 多工位沖床專用機械手及送料機構設計 6 精度是指機械手達到指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復次數(shù)多，機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要，如果一個機械手定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復運行機械手來測定。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技 術的發(fā)展，機械手的重復精度將越來越高，它的應用領域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 (2)模塊化 有的公司把帶有系列導向驅動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的機械手 與 組合導向驅動裝置 相比，擁有更靈活的安裝體系， 使機械手動作自如。模塊化機械手使同一機械手可能應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用范圍，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。 (3)節(jié)能化 為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求 ， 不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問 世。隨著材料技術的進步，新型材料的出現(xiàn)， 用構造特殊、 自潤滑材料制造的無潤滑元件 組成的機械手 ，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 (4)機電一體化 由“可編程控制器 — 傳 感器 — 液壓元件”組成的典型控制系統(tǒng)仍然是自動化技術發(fā)展的重要方向， 發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制液壓元件，使液壓技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制” 。 節(jié)省配線的復合集成系統(tǒng)， 不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，如今 電磁閥的線圈功率越來越小，而 PLC 的輸出功率在 不斷 增大 ，由 PLC 直接控制線圈 也 變得越來越可能。 在國外，一些國家正在研究具有某種智能的機械手，它 具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作 出 相應 的變更， 如位置發(fā) 生稍許偏差時，即能更正并自行檢測。此種機械手的研究重點是視覺功能和觸覺功能， 目前已經(jīng)取得一定成績。 視覺功能 是在機械手上安裝 電視照相機和光學測距儀以及微型計算機。工作 時電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳輸 給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。 觸覺功能 是在 機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手 指尋找工件 ，通過 安裝在手指內的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件， 手的抓力大小通過裝在手指內的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小 的目的 。 總之，隨著傳感技術的發(fā)展 ，機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高，更重要的是多工位沖床專用機械手及送料機構設計 7 將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從 根本 上 改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 多工位沖床專用機械手及送料機構設計 8 二、機械手 總體設計方案 （一）機械手的坐標形 式與自由度 工業(yè)機械手的結構形式 如圖 所示，主要有直角坐標結構、圓柱坐標結構、球坐標結構和 關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下 ： 圖 機械手的四種坐標形式 1． 直角坐標機械手結構 直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖 。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機械手有可能達到很高的位置精度（ um級）。但是，這種直角坐標機械手的運動空間相對機械手的結構尺寸來講，是比較小的，因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機械手的結構尺寸要比其他類型的機械手的結構尺寸大得多。 直角坐標機械手的工作空間為一空間長方體。主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機械手有懸臂式，龍門式，天車式 三種結構。 2． 圓柱坐標機械手結構 圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖。這種機械手構造比較簡單，精度尚可 ，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 3． 球坐標機械手結構 多工位沖床專用機械手及送料機構設計 9 球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 。這種機械手結構簡單， 成本較低，但精度不 是很高。主要應用于搬運作業(yè)， 其工作空間是一個類球形的空間。 4． 關節(jié)型機械手結構 關節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的，如圖 。關節(jié)型機械手動作靈活，結構緊湊，占地面 積小， 相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大。此種機械手在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機械手。關節(jié)型機械手結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 由于本機械手在工作時手臂具有伸縮、橫移和升降運動，符合直角坐標形式，因此，采用直角座標型機械手結構。機械手的自由度以及運動示意圖如圖 。 圖 機械手的運動示意圖 （二）機械手手部結構 總體 方案設計 1． 機械手 的 手爪結構方案設計 目前，國內外機械手的手部結構通常有 5種，分別為 楔塊杠桿式手爪 、 滑槽式手爪 、連 桿杠桿式手爪 、 齒輪齒條式手爪 和 平行杠桿式手爪 。 多工位沖床專用機械手及送料機構設計 10 (1)楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。 (2)滑槽式手爪 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作 和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適合 抓取大小不同的物體。 (3)連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放 松）運動，由于杠桿的力放大作用，手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力， 通常與彈簧聯(lián)合使用。 (4)齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產(chǎn)生手爪 的夾緊與松開動作。 (5)平行杠桿式手爪 這種手爪 采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。 本機械手采用的是連桿杠桿式手爪 。 2． 機械手的手腕結構方案設計 機械手的手腕結構在設計時應遵循以下原則： (1)機械手手腕的自由度 ，應根據(jù)作業(yè)需要來設計。 機械手手腕自由度數(shù)目越多，各關節(jié)的運動角度越大，則機械手腕部的靈活性越高，機械手 對作業(yè)的適應能力也 越強。但是，自由度的增加，也必然會導致其 腕部結構更 加復雜， 使 機械手的控制 變得更困難，成本也會增 加， 因此，手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)實際 作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應使自由度數(shù)盡可能的少，一般 機械手手腕的自由度數(shù)為 2至 3個，有的需要更多的自由度，而有的機械手手腕不需要自由度，僅憑手 臂和腰部的運動就能 完成 作業(yè) 任務，所以要具體問題具體分析，考慮機械手的多種布局和 運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。 (2)機械手腕部安裝在機械手手臂的末端，在設計機械手手腕時，應 盡量 減少其重量和體積，結構力求緊湊。 為了減輕機械手腕部的重量，腕部機構的驅動器采用分離傳動。腕部驅動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅動 ，并選用高強度的鋁合金制造。 (3)機械手手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標準的聯(lián)接法蘭，結構上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 (4)機械手的手腕機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。 多工位沖床專用機械手及送料機構設計 11 (5)要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。 (6)手腕各關節(jié)軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。 機械手的手臂運動 ，給出了機械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機械手手臂末端的手腕，則給出了機械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機械手手腕是機械手操作機的最末端 ，它與機械手手臂配合運動，實現(xiàn) 安裝在手腕上 末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 考慮到機械手的優(yōu)化，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕 不設 回轉運動 仍可滿足 工作的要求。 3． 機械手的手臂結構方案設計 機械手手臂的作用是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機械手所要求 工作空間內的運動。在進行機械手手臂設計時，要遵循下述原則； (1)應盡可能使機械手手臂各關節(jié)軸相互平行， 相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學正逆運算簡化，有利于機械手的控制。 (2)機械手手臂的結構尺寸應滿 足機械手工作空間的要求。 工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系。但機械手手臂末端工作 空間并沒有考慮機械手手腕的空間姿態(tài)要求， 如果對機械手手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 (3)為了提高機械手的運動速度與控制精度，應在保 證機械手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構和材料上 減輕手臂的重量。 機械手在高強度 輕質材料 的選擇上，通常選用高強度鋁合金制造機械手手臂。目前在國外，也在研究用碳纖維復合材料制造機械手手臂。碳纖維復 合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈斢阡摰?1/4，相當于鋁合金的 2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應用。目前比較有效的辦法 仍然是進行機械手手臂結構的優(yōu)化設計， 在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機械手手臂的重量。 (4)機械手各關節(jié)的軸承間隙要盡可能 小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關節(jié)都應有可靠的 便于調整的軸承間隙調整機構。 (5)機械手的手臂相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負載和提高機械手手臂運動的 響應速度是非常有利的。 多工位沖床專用機械手及送料機構設計 12 在設計機械手的手臂時，應盡可能利用在機械手上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機械手手臂 上 的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。 (6)機械手手臂在結構上要考慮各關節(jié)的限位開關 ， 具有一定緩沖能力的機械限位塊，驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。 本設計按照工件的直徑為 50mm 來設計 ，結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。 通過驅動活塞往復移動，活塞桿端部齒條，中間齒條 及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調節(jié) 。 手爪的結構 如圖 所示： 圖 機械手手爪結構圖 4． 機械手驅動方案的 選擇 工業(yè)機械手的驅動系統(tǒng)，按動力源 可分為液壓、電動和氣動三大類， 根據(jù)需要也可將 這三種基 本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下： (1)液壓驅動系統(tǒng) 多工位沖床專用機械手及送料機構設計 13 由于液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力 大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等特點， 適合于在承載能力大，慣量大 的環(huán)境下工作 的機械手。