【文章內(nèi)容簡介】 工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。 設計目的 以提高生產(chǎn)過程中 的自動化程度 應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 可以減 輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。 機械手的組成與分類 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖 21 所示。 第一章 緒論 3 圖 21 (一 )執(zhí)行機構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走 機構(gòu)。 手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指 (或手爪 )和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內(nèi)孔 )和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、 V形面 的和曲面的 :手指有外夾式和內(nèi)撐式 。指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。 手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位 (即姿勢 ) 手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置 .工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件 (如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等 )與驅(qū)動源 (如液壓、氣壓或電機等 )相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 立柱 立柱是支承手臂的部件， 立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降 (或俯仰 )運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立 I 因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 行走機構(gòu) 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。 機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故華南 理工大學廣州學院本科畢業(yè)設計（論文）說明書 4 起支撐和連接的作用。 (二 )驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手 執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位 (或機械擋塊定位 )系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動， 并記憶人們給予機械手的指令信息 (如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間 )，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (二 )控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配 著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位 (或機械擋塊定位 )系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息 (如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間 )，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四 )位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整， 從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設定位置。 機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (一 )按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種 : 專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手。 通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、 程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用第一章 緒論 5 機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種 :簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制 :可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。 (二 )按驅(qū)動方式分 液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要 特點是 :抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是 :介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在 30 公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 機械傳動機械手 即由機械傳動機構(gòu) (如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等 )驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。 電力傳動機械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運 動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三 )按控制方式分 點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 連續(xù)軌跡控制 它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的，整個移動過程處于控制之下，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。 華南 理工大學廣州學院本科畢業(yè)設計（論文）說明書 6 工業(yè)機器人 驅(qū)動系統(tǒng)特性比較 表 123 驅(qū)動系統(tǒng)特性 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 的 特 性 驅(qū) 動 類 型 功率 快 速 響 應 結(jié) 構(gòu) 性 能 安 全 效 率 控制能力 安 裝 要 求 維 護 要 求 液壓驅(qū)動系統(tǒng) 不太受限制 很 高 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可做成獨立結(jié)構(gòu)，易于標準化，容易實現(xiàn)直接驅(qū)動。液壓密封問題顯得重要。 防爆性能較好，用液壓油作為傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災危險。 節(jié)流調(diào)速為 ，容易調(diào)速為 。 速度調(diào)節(jié)裝置、配流元件、制動裝置的結(jié)構(gòu)簡單，能將速度位置控制到精確值。 安裝要求高，特別注意液壓液 泄露。因有液壓源設備，占地面積較大。 要求水平較高的維護人員進行定期的維護。 氣動驅(qū)動系統(tǒng) 有限制 較高 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可做成獨立結(jié)構(gòu)易于標準化，容易實現(xiàn)直接驅(qū)動，密封問題不象液壓系統(tǒng)顯得突出 防爆性能好，高于一個大氣壓，應注意設備有爆炸的危險 ~ 調(diào)度調(diào)節(jié)機構(gòu)、配流元件結(jié)構(gòu)簡單，一般要求有專門的制動裝置；速度、位置控制到精確值困難。 安裝要求不太高 要求中等水平的維護人員定期維護 電動驅(qū)動系統(tǒng) 有限制 高 電機易于標準化，結(jié)構(gòu)性能好，但電機后面一般需配精密減速器，除特殊電機外 ，難于進行直接驅(qū)動。 設備自身無爆炸和火災危險。直流有刷電機對環(huán)境的防爆性能差。 左右 結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活性強，速度、位置可控制到精確值。 安裝要求隨傳動方式不同而異。 要求水平較高的人員定期的檢查維護。 國內(nèi)外發(fā)展情況 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢 : (1)工業(yè)機器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 )，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91 年的 萬美元降至 97 年的 65 萬美元。 (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、 檢測系第一章 緒論 7 統(tǒng)三位一體化 :由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機 。國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化 。器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制 。多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品 化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一， 紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人 。其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線 (站 )上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如 :可靠性低于 國外產(chǎn)品 :機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距 。在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程 .我國的智能機器人和特種機器人在“ 863”計劃的支持下，也取 得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人， 6000m 水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種 :在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的