【文章內(nèi)容簡介】 有無關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。手臂的作用是引導手指準確地抓住工件，并運送到 8 所需要的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都需要精確地定位。 總括機械手的運動，離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此它采用的執(zhí)行機構(gòu)主要是直線油缸、擺動油缸、電 液脈沖馬達、伺服油馬達、交流伺服馬達、直流伺服馬達和步進馬達等。 軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構(gòu)的支架。 驅(qū)動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)主要有四種 :液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以液壓、氣動用的最多，占 90％ 以上；電動、機械驅(qū)動用的較少。 液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、油馬達加齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動，利用擺動油缸、油馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小，出力大，動作平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置 停止。缺點是需配備壓力源，系統(tǒng)復雜，成本較高。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。一般采用 4~6 個大氣壓，個別的達到 8~10 個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。 為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構(gòu)或緩沖減震機構(gòu)。 電氣驅(qū)動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應電機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，直線運動則用電機帶動絲杠螺母機構(gòu) 。有的采用直線電動機。通 用機械手則考慮采用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。 電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單；維護、使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一型式的動力，出力比較大，缺點是控制響應速度比較慢。 機械驅(qū)動只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，工作速度高。成本低，缺點是不易于調(diào)整。 控制系統(tǒng) 機械手控制的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度和加減速度等。 機械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點位控制為主，占 90%以上。 控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設計 采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存貯，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。 程序的存貯方式分為分離存貯和集中存貯兩種。分離存貯是將各種控制因素的信息分別存貯于兩種以上的存貯裝置中，如順序信息存貯于插銷 .飯、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi)，位置信息存貯于時間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等。 集中存貯是將各種控制因素的信息全部存貯于一種存貯裝置內(nèi)，如磁帶、磁鼓等。這種方式適用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，即連續(xù)控制的情況下使用。 對動作復雜的機械手 (機器人 )，采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復雜的機械手則采用數(shù) 字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)以插銷板用得最多，其次是凸輪轉(zhuǎn)鼓。它裝有許多凸輪，每一凸輪分配給一個運動軸，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動一周便完成一個工作循環(huán)。 插銷板適用于需要迅速改變程序的場合。換一種程序只需抽換一種插銷板就可，而同 9 一插件又可以反復使用。 穿孔帶容納的程序長度可不受限制，但如果發(fā)生錯誤時就要全部更換。穿孔卡的信息容量有限，但便于更換、保存、可重復使用。 磁芯和磁鼓僅適用子存貯容量較大的場合。范于選擇那一種控制元件，則根據(jù)動作的復雜程度和精確程度來確定。 分類 按用途分類 （ 1）專用機械手 專用機械手是專為一定設備服務的，簡單、實用，目前在生產(chǎn)中運用比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)，如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制，以獲得多種工作程序，適應多種作業(yè)的需要。 （ 2）通用機械手 通用機械手是在專用機械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它能對不同物件完成多種動作，具有相當?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨立工作的自動化裝置。它的動作程序可以按照工作需要來改變，大都是采用順序控制系統(tǒng)，如插銷板、插件板、穿孔帶、穿孔卡、凸輪轉(zhuǎn)鼓、磁芯和磁鼓等。 通用機械手又分 簡易型、示教再現(xiàn)型和智能機械手、操縱式機械手等幾種。 1 簡易型通用機械手是目前國內(nèi)外應用最多的一種，固定程序采用凸輪轉(zhuǎn)鼓可變程序則采用插銷板或插件板進行控制。 2 示教再現(xiàn)型通用機械手，先由人操縱機械手完成必要的動作，由磁帶或磁鼓加以記錄存貯，然后根據(jù)存貯的信息進行動作。故又稱之為重復型機械手。 3 智能機械手具有較高的判斷能力，它以光敏元件模擬人的“眼睛”，以聲敏元件模擬人的“耳朵”，以熱電偶和電阻應變儀模擬人的“皮膚”的冷熱感覺和觸覺，以電子計算機模擬人的“大腦”。具有以上“視覺”、“聽覺”、“觸覺”以及能 思考的智能機械手 (機械人 )，目前正處在研究試制階段，個別已達到實用的階段。 4 操縱式機械手在人的操縱之下完成多種復雜動作，其內(nèi)容可根據(jù)需要隨時改變。操縱式機械手可以近距離直接操縱，也可以遠距離操縱。其特點是適合于人不宜進入的環(huán)境中工作，如海底資源開發(fā)，宇宙空間探索，以及危險的工作地區(qū)。其缺點是結(jié)構(gòu)復雜，成本高。 按控制型式分類 （ 1）點位控制型機械手 點位控制型機械手的運動軌跡是空間二個點之間的聯(lián)接?？刂泣c數(shù)愈多，性能愈好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡單。絕大部分機械手是點位控制型。 （ 2）連續(xù)軌跡控 制型機械手 這種機械手的運動軌跡是空間的任意連續(xù)曲線。它能在三維空間中作極其復雜的動作。工作性能完善，但控制部分比較復雜。 10 基本型式 機械手型式較多，按手臂的坐標型式而言，主要有四種基本型式 — 直兔坐標式、圓柱坐標式，球坐標式和關(guān)節(jié)式?，F(xiàn)簡述如下 : 直角坐標式機械手 直角坐標式機械手是適合于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標形式 X， Y， Z 只個方向的直線進行運動，其工作范圍可以是一個直線運動，二個直線運動或三個直線運動。 如在 X、 Y、 Z 三個直線運動方向上各具有 A、 B、 C 三個回轉(zhuǎn)運動，即構(gòu)成六個自由度。 : (1)產(chǎn)量大，節(jié)拍短，能滿足高速的要求， (2)容易與生產(chǎn)線上的傳送帶和加工裝配機械相配合， (3)適于裝箱類、多工序復雜的工作，定位容易變更 , (4)定位精度高，可達到士 毫米以下，載重發(fā)生變化時不會影響精度， (5)易于實行數(shù)控，可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機械配合使用。 缺點是這種機械手作業(yè)范圍較小。 圓柱坐標式機械手 圓柱坐標式機械手是應用最多的一種型式，它適用于搬運和測量工件。具有直觀性好，結(jié) 構(gòu)簡單，本體占用的空間較小，而動作范圍較大等優(yōu)點。 圓柱坐標式機械手由 X、 Z、 Ф 三個運動組成。它的工作范圍可分為 :一個旋轉(zhuǎn)運動，一個直線運動，加一個不在直線運動所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動，二個直線運動加一個旋轉(zhuǎn)運動。 圓柱坐標式機械手有五個基本動作 : (1)手臂水平回轉(zhuǎn) 。 (2)手臂伸縮 。 (3)少手臂上下 。 (4)手臂回轉(zhuǎn)動作 。 (5)手爪夾緊動作 。 圓柱坐標式機械手的特征是在垂直導柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套筒上，手臂可做上下直線運動（ Z）和在水平面內(nèi) 做圓弧狀的左右擺動 (Ф )。 關(guān)節(jié)式機械手 關(guān)節(jié)式機械手是一種適用于靠近機體操作的傳動型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄空間工作。關(guān)節(jié)式機械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應用，隨后在開發(fā)海洋中應用，有一定的發(fā)展前途。 11 關(guān)節(jié)式機械手有大臂和小臂的擺動，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運動。 關(guān)節(jié)式機械手具有上肢結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)近似于人手操作的機能。為具有近似人手操作的機能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。 表 1— 2 為關(guān)節(jié)式機械手與人體上肢動作角度比較： 表 1— 2 關(guān)節(jié)式機 械手與人體上肢動作角度比較 肩旋轉(zhuǎn) 上臂曲擺 下臂曲擺 下臂旋轉(zhuǎn) 手腕曲擺 手腕搖擺 手旋轉(zhuǎn) 人體上肢 080? 090? 0 ～0130 – 045 ～+ 065 – 060 ～+ 090 – 060 ～+ 090 — 關(guān)節(jié)式機械手 0180? 080? 090? 0180? 090? — 0180? 關(guān)節(jié)式機械手的傳動機構(gòu)采用齒輪、齒條式和擺動式。傳動機構(gòu)采用哪一種型式，主要根據(jù)工件的輕重來決定。若按擺動 式扭矩來設計，則油缸將加大，而裝載油缸的機架也將隨之加大。特別是靠近關(guān)節(jié)式前端關(guān)節(jié)部分的重量對肩部影響很大。傳動機構(gòu)在承受負荷的同時必須承受自重。因此，傳動效率很低。如需要大的轉(zhuǎn)動角，則宜采用擺動油缸。 以上三種基本型式的機械手各有特點，但在基本尺寸相同的情況下，如當手臂長度和機體高度相等時，應比較哪一種機械手能達到的動作范圍為最大，以便于在工作中加以有效的利用。 計算機輔助設計和 CATIA 軟件的發(fā)展 計算機輔助設計的發(fā)展 近些年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機圖形處理能力日益增強，以計算機為主要工具的 仿真技術(shù)也迅速發(fā)展起來，并很快應用于工程領(lǐng)域。在計算機輔助下進行機械零件的設計、校核，并進行系統(tǒng)運動仿真己經(jīng)逐漸成為機械設計的發(fā)展方向。 在傳統(tǒng)的設計與制造過程中，首先是方案設計及論證，然后進行產(chǎn)品設計。在設計完成后，為了驗證設