【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 有無(wú)關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到 8 所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確地定位。 總括機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，離不開(kāi)直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線油缸、擺動(dòng)油缸、電 液脈沖馬達(dá)、伺服油馬達(dá)、交流伺服馬達(dá)、直流伺服馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)等。 軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種 :液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以液壓、氣動(dòng)用的最多，占 90％ 以上；電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。 液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，利用擺動(dòng)油缸、油馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小，出力大，動(dòng)作平緩，可無(wú)級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置 停止。缺點(diǎn)是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。 氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。一般采用 4~6 個(gè)大氣壓，個(gè)別的達(dá)到 8~10 個(gè)大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。 為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖減震機(jī)構(gòu)。 電氣驅(qū)動(dòng)采用的不多。現(xiàn)在都用三相感應(yīng)電機(jī)作為動(dòng)力，用大減速比減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直線運(yùn)動(dòng)則用電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu) 。有的采用直線電動(dòng)機(jī)。通 用機(jī)械手則考慮采用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。 電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單；維護(hù)、使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一型式的動(dòng)力，出力比較大，缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢。 機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于動(dòng)作固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，工作速度高。成本低，缺點(diǎn)是不易于調(diào)整。 控制系統(tǒng) 機(jī)械手控制的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度等。 機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占 90%以上。 控制系統(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì) 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(jī)械手進(jìn)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(xiāo) .飯、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi)，位置信息存貯于時(shí)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(shí)間、速度等必須同時(shí)控制的場(chǎng)合，即連續(xù)控制的情況下使用。 對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手 (機(jī)器人 )，采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機(jī)械手則采用數(shù) 字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)以插銷(xiāo)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(gè)運(yùn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)一周便完成一個(gè)工作循環(huán)。 插銷(xiāo)板適用于需要迅速改變程序的場(chǎng)合。換一種程序只需抽換一種插銷(xiāo)板就可，而同 9 一插件又可以反復(fù)使用。 穿孔帶容納的程序長(zhǎng)度可不受限制，但如果發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)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(fù)使用。 磁芯和磁鼓僅適用子存貯容量較大的場(chǎng)合。范于選擇那一種控制元件，則根據(jù)動(dòng)作的復(fù)雜程度和精確程度來(lái)確定。 分類(lèi) 按用途分類(lèi) （ 1）專(zhuān)用機(jī)械手 專(zhuān)用機(jī)械手是專(zhuān)為一定設(shè)備服務(wù)的，簡(jiǎn)單、實(shí)用，目前在生產(chǎn)中運(yùn)用比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)，如用來(lái)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(yīng)多種作業(yè)的需要。 （ 2）通用機(jī)械手 通用機(jī)械手是在專(zhuān)用機(jī)械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它能對(duì)不同物件完成多種動(dòng)作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨(dú)立工作的自動(dòng)化裝置。它的動(dòng)作程序可以按照工作需要來(lái)改變，大都是采用順序控制系統(tǒng)，如插銷(xiāo)板、插件板、穿孔帶、穿孔卡、凸輪轉(zhuǎn)鼓、磁芯和磁鼓等。 通用機(jī)械手又分 簡(jiǎn)易型、示教再現(xiàn)型和智能機(jī)械手、操縱式機(jī)械手等幾種。 1 簡(jiǎn)易型通用機(jī)械手是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)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(xiāo)板或插件板進(jìn)行控制。 2 示教再現(xiàn)型通用機(jī)械手，先由人操縱機(jī)械手完成必要的動(dòng)作，由磁帶或磁鼓加以記錄存貯，然后根據(jù)存貯的信息進(jìn)行動(dòng)作。故又稱(chēng)之為重復(fù)型機(jī)械手。 3 智能機(jī)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(yīng)變儀模擬人的“皮膚”的冷熱感覺(jué)和觸覺(jué)，以電子計(jì)算機(jī)模擬人的“大腦”。具有以上“視覺(jué)”、“聽(tīng)覺(jué)”、“觸覺(jué)”以及能 思考的智能機(jī)械手 (機(jī)械人 )，目前正處在研究試制階段，個(gè)別已達(dá)到實(shí)用的階段。 4 操縱式機(jī)械手在人的操縱之下完成多種復(fù)雜動(dòng)作，其內(nèi)容可根據(jù)需要隨時(shí)改變。操縱式機(jī)械手可以近距離直接操縱，也可以遠(yuǎn)距離操縱。其特點(diǎn)是適合于人不宜進(jìn)入的環(huán)境中工作，如海底資源開(kāi)發(fā)，宇宙空間探索，以及危險(xiǎn)的工作地區(qū)。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。 按控制型式分類(lèi) （ 1）點(diǎn)位控制型機(jī)械手 點(diǎn)位控制型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡是空間二個(gè)點(diǎn)之間的聯(lián)接?？刂泣c(diǎn)數(shù)愈多，性能愈好。它基本能滿(mǎn)足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。絕大部分機(jī)械手是點(diǎn)位控制型。 （ 2）連續(xù)軌跡控 制型機(jī)械手 這種機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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(fù)雜的動(dòng)作。工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜。 10 基本型式 機(jī)械手型式較多，按手臂的坐標(biāo)型式而言，主要有四種基本型式 — 直兔坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式，球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式?，F(xiàn)簡(jiǎn)述如下 : 直角坐標(biāo)式機(jī)械手 直角坐標(biāo)式機(jī)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(jī)械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動(dòng)，按直角坐標(biāo)形式 X， Y， Z 只個(gè)方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其工作范圍可以是一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。 如在 X、 Y、 Z 三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向上各具有 A、 B、 C 三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。 : (1)產(chǎn)量大，節(jié)拍短，能滿(mǎn)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(jī)械相配合， (3)適于裝箱類(lèi)、多工序復(fù)雜的工作，定位容易變更 , (4)定位精度高，可達(dá)到士 毫米以下，載重發(fā)生變化時(shí)不會(huì)影響精度， (5)易于實(shí)行數(shù)控，可與開(kāi)環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機(jī)械配合使用。 缺點(diǎn)是這種機(jī)械手作業(yè)范圍較小。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是應(yīng)用最多的一種型式，它適用于搬運(yùn)和測(cè)量工件。具有直觀性好，結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，本體占用的空間較小，而動(dòng)作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由 X、 Z、 Ф 三個(gè)運(yùn)動(dòng)組成。它的工作范圍可分為 :一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個(gè)基本動(dòng)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(dòng)作 。 (5)手爪夾緊動(dòng)作 。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒，手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂可做上下直線運(yùn)動(dòng)（ Z）和在水平面內(nèi) 做圓弧狀的左右擺動(dòng) (Ф )。 關(guān)節(jié)式機(jī)械手 關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作的傳動(dòng)型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動(dòng)作比較靈活，適于在狹窄空間工作。關(guān)節(jié)式機(jī)械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開(kāi)發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的發(fā)展前途。 11 關(guān)節(jié)式機(jī)械手有大臂和小臂的擺動(dòng)，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。 關(guān)節(jié)式機(jī)械手具有上肢結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)近似于人手操作的機(jī)能。為具有近似人手操作的機(jī)能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。 表 1— 2 為關(guān)節(jié)式機(jī)械手與人體上肢動(dòng)作角度比較： 表 1— 2 關(guān)節(jié)式機(jī) 械手與人體上肢動(dòng)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(jī)械手 0180? 080? 090? 0180? 090? — 0180? 關(guān)節(jié)式機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪、齒條式和擺動(dòng)式。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用哪一種型式，主要根據(jù)工件的輕重來(lái)決定。若按擺動(dòng) 式扭矩來(lái)設(shè)計(jì)，則油缸將加大，而裝載油缸的機(jī)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(duì)肩部影響很大。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在承受負(fù)荷的同時(shí)必須承受自重。因此，傳動(dòng)效率很低。如需要大的轉(zhuǎn)動(dòng)角，則宜采用擺動(dòng)油缸。 以上三種基本型式的機(jī)械手各有特點(diǎn)，但在基本尺寸相同的情況下，如當(dāng)手臂長(zhǎng)度和機(jī)體高度相等時(shí)，應(yīng)比較哪一種機(jī)械手能達(dá)到的動(dòng)作范圍為最大，以便于在工作中加以有效的利用。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和 CATIA 軟件的發(fā)展 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展 近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形處理能力日益增強(qiáng)，以計(jì)算機(jī)為主要工具的 仿真技術(shù)也迅速發(fā)展起來(lái)，并很快應(yīng)用于工程領(lǐng)域。在計(jì)算機(jī)輔助下進(jìn)行機(jī)械零件的設(shè)計(jì)、校核，并進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真己經(jīng)逐漸成為機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。 在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，首先是方案設(shè)計(jì)及論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證設(shè)