【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報(bào)警信號。 應(yīng)用機(jī)械手的意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。 在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： 一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)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。 二、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(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)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(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機(jī)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(jī)床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工 作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。 2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案和氣動回路設(shè)計(jì) 對氣動機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾 放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計(jì)氣動機(jī)械手的原則是 :充分分析作業(yè)對象 (工件 )的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件 。明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控 制的要求 。盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制 . 機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)劃 工作空間的定義：機(jī)器人的工作空間是其正常運(yùn)行時，手腕參考點(diǎn)能在空間活動的最大范圍。工作空間是機(jī)器人的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是機(jī)器人研究的一項(xiàng)基本內(nèi)容之一。當(dāng)給定機(jī)器手結(jié)構(gòu) 尺寸時，要確定如何確定其工作空間，而當(dāng)給定工作空間時，則要研究機(jī)械手具有什么樣的結(jié)構(gòu)。工作空間的確定一般來說有兩種方法，幾何法和包容正方形法。由于本次設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)比較簡單，所以沒有必要計(jì)算出精確的工作空間。現(xiàn)在給出機(jī)械手的運(yùn)動圖。 圖 21 機(jī)械手的運(yùn)動圖 總體設(shè)計(jì)要求機(jī)械手的尺度規(guī)劃的優(yōu)化設(shè)計(jì)和關(guān)鍵尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)要求當(dāng)給定一組工作點(diǎn)時，需要使工作空間能夠包絡(luò)所有工作點(diǎn)，且尺寸最小；或者給定一組工作點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)使工作空間能包含所有的工作點(diǎn)，且體積最大。 總體設(shè)計(jì)還需要注意一些原則：（ 1）最小運(yùn) 動慣量原則。由于機(jī)械手運(yùn)動部件的多，運(yùn)動狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和震動，所以需要采用最小慣量原則來設(shè)計(jì)機(jī)械手，盡量減少這些對機(jī)械手不利的因素。（ 2）尺度優(yōu)化原則。在機(jī)械手滿足一定工作空間的前提下，通過尺度優(yōu)化，設(shè)計(jì)出最小的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械手的剛度，進(jìn)一步減小運(yùn)動慣量。（ 3）剛度設(shè)計(jì)原則。機(jī)械的設(shè)計(jì)中要合理的選擇桿件剖面形狀和尺寸，合理安排作用在機(jī)械手臂上的力矩，盡量減小機(jī)械手的變形。 機(jī)械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動作形態(tài) ,按坐標(biāo)形式大致可以分為以下 4 種 : (1)直角坐標(biāo)型 機(jī)械手 。(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手 。 ( 3)球坐標(biāo) (極坐標(biāo) )型機(jī)械手 。 (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型。下圖是機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖。圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶 A上的物品搬運(yùn)到傳送帶 B。 圖 22 機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動 在圓柱坐在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)關(guān)于機(jī)械手具有 5 個自由度既：手抓張合；手部回轉(zhuǎn)；手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降 5 個主要運(yùn)動。 本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由 4 個大部件和 5 個液壓缸組成：（ 1）手部，采用一個直線缸，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手抓的張合。（ 2）腕部，采用一個回轉(zhuǎn)缸實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)180176。 。（ 3）臂部，采用直線缸來實(shí)現(xiàn)手臂平動 。（ 4）機(jī)身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實(shí)現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 機(jī)械手有四種驅(qū)動方式，而當(dāng)中的液壓與氣壓跟機(jī)械和電力相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1. 空間布局安裝不受嚴(yán)格的空間限制，能構(gòu)成其它方法難以組成的復(fù)雜驅(qū)動系統(tǒng)。 2．液壓與氣壓驅(qū)動傳遞的運(yùn)動均勻平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向。 3. 操作控制方便，省力，易于實(shí)現(xiàn)自動控制、中遠(yuǎn)距離控制、過載保護(hù)。與電氣控制、電子控制結(jié)合，易于實(shí)現(xiàn)自動工作循環(huán)和自動過載保護(hù)。 4. 液壓與氣壓元件屬機(jī)械工業(yè)基礎(chǔ)件，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化程度較高，有利于縮短設(shè)計(jì)、制造和降低制造成本。 基于以上幾點(diǎn)，液壓與氣壓驅(qū)動在生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。液壓與氣壓作為機(jī)械手的兩種常見驅(qū)動方式，其發(fā)展也對機(jī)械手的應(yīng)用具有一定的促進(jìn)作用。液壓與氣壓都是以流體（液壓油液或壓縮空氣）為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和控制的。液壓的優(yōu)點(diǎn)是單位質(zhì)量輸出功率大，因?yàn)橐簤簜鲃拥膭恿υ梢圆捎煤芨叩膲毫Γㄒ话憧蛇_(dá) 32MPa,個別場合更高），因此，在同等輸出功率下具有體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)動慣性小、動態(tài)性能好的特點(diǎn)。而氣壓傳動的突出優(yōu)點(diǎn)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，而且起源壓力較低，因此，氣壓機(jī)械手抓重一般在 30 公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以一般適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。相比之下，液壓一般用于低速，重載和低污染的環(huán)境下。故此機(jī)械手用氣壓驅(qū)動。 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時，只需改變 PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 1 機(jī)械手的最大抓重 是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為 5公斤。 2 基本參數(shù)運(yùn)動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計(jì)為 。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 s/90? 。平均移動速度為 。平均回轉(zhuǎn)速度為 s/60? 。 其詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如下： 抓重 :5千克 自由度數(shù) :4個自由度 坐標(biāo)型式 :圓柱坐標(biāo)