【文章內容簡介】 算機進行控制，用于裝配作業(yè)。 到目前為止，日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快，應用最多的國家。 但是，目前的機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是減低成本和提高精度。 第二代機械手設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺，觸覺能力，甚至聽、想的 8 能力。研 究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。 第三代機械手（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS（ Flexible Manufacturing System）和柔性制造單元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一環(huán)。 應用簡況 就國內機械工業(yè)，鐵路 部門應用機械手的簡況，介紹如下： 熱加工方面的應用 熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了實現(xiàn)高效率和工作 安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更加需要采用機械手操作 冷加工方面 冷加工方面機械手主要采用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數字控制等機床上應用，成為設備的一個組成部分。更在加工生產線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯(lián)結和重要手段。 拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除 石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。 采用機械手進行裝配更是目前研制的重點，國外已研究采用攝象機和里的傳感裝置和微型計算機聯(lián)系在一起，能確定零件的方位，達到鑲裝的目的。 國內外機械人發(fā)展趨勢 在普及第一代工業(yè)機器人的基礎上，第二代工業(yè)機器人已經推廣，成為 主流安裝機型，第三代智能機器人也占有一定比重 (占日本 1998 年安裝臺數的 10%，銷售額的 36% )。 機械結構 以關節(jié)型為主流， 80 年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關節(jié)型機器人約占總量的 1/3。應 3K和汽車、建筑、橋梁等 行業(yè)的需求，超大型機器人應運而生。 CAD , CAM等技術己普遍用于設計、仿真和制造中。 控制技術 大多采用 32 位 CPU，控制軸數多達 27 軸， NC 技術、離線編程技術大量采用。協(xié)調控制技術日趨成熟，實現(xiàn)了多手與變位機、多機器人的協(xié)調控制。采用基于 PC的開放結構的控制系統(tǒng)已成為一股潮流。 驅動技術 80 年代發(fā)展起來的 AC 伺服驅動已成為主流驅動技術應用于工業(yè)機器人中。新一代的伺服電機與基于微處理器的智能伺服控制器相結合已由 FANUC等公司開發(fā)并用于工業(yè)機器人中 。在遠程控制中已采用了分布式智能驅動新技術。 應用 智能化的傳感器 裝有視覺傳感器的機器人數量呈上升趨勢，不少機器人裝有兩 9 種以上傳感器，有些機器人留了多種機器人接口。 通用機器人編程語言 在 ABB 公司的 20 多個型號產品中，采用了通用模塊化語言RAPID。最近美國機器人空間技術公司開發(fā)了 Robot Script 通用語言，運行于該公司的通用機器人控制器 URC 的 Win NT/95 環(huán)境下。該語言易學易用，可用于各種開發(fā)環(huán)境，與大多數 WINDOWS 軟件產品兼容。 網絡通訊方式 大部分機器人采用了 Ether 網絡通訊方式，占總量的 %，其他采用RS232, RA422, RS485 等通訊接口。 高速、高精度、多功能化 目前，最快的裝配機器人最大合成速度為 16. 5m/s，有一種大直角坐標搬運機器人，其最大合成速度竟達 80m/ s。而另一種并聯(lián)結構的 NC機器人，其位置重復精度達 limo 90 年代末的機器人一般都具有兩、三種功能，向多功能化方向發(fā)展。 集成化與系統(tǒng)化 當今機器人技術的另一特點是機器人的應用從單機、單元向系統(tǒng)發(fā)展。百臺以上的機器人群與微機及周邊設備和操作人員形成一個大群體。跨國大集團的壟斷和全球化的生產將世界眾多廠家的產品聯(lián)接在一起 ，實現(xiàn)了標準化、開放化、網絡化的 “ 虛擬制造 ” ，為工業(yè)機器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。 隨著計算機技術的不斷向智能化方向發(fā)展，機器人應用領域的不斷擴展和深化以及機器人在 FMS, CIMS 系統(tǒng)中的群體應用，工業(yè)機器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應 “ 敏捷制造 ”(Agile Manufacturing) ，滿足多樣化、個性化的需求，并適應多變的非結構環(huán)境作業(yè)，向非制造領域進軍。 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 性低于國外產品 :機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距 :在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器人約 200 臺，約占全球己安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是 沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求， “ 一位客戶，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，而目 ‘ 質量、可 靠 性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產業(yè)化進程。 我國的智能機器人和特種機器人在 “86 “ 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技術居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控 10 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，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在 “ 十五 ” 后期立于世界先進行列之中。 國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄鍛，熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教型機械手、計算機控制機械手和組合 式機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、俯仰等機構，以及適于不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機械手的作用。更為主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 機械手的組成和分類 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。 一、 執(zhí) 行 機 構 （ 1）手部 手部安裝在手臂的前端，手臂的內孔裝有傳動軸，可把動作傳給手腕， 以轉動、伸屈手腕、開閉手指。 機械手手部的構造系模仿人的手指，分為無關節(jié)、固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指的數量又分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。 （ 2）手臂 手臂有無關節(jié)臂和有關節(jié)臂之分。目前采用的手臂幾乎都是無關節(jié)臂。 手臂的作用是引導手指準確得抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的三個自由讀都需要精確的定位。 （ 3）軀干 軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構的支 架。 二、驅 動 系 統(tǒng) 驅動機構主要有四種：液壓驅動、氣體驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以液壓、氣動用的最多，占 90%以上；電動、機械驅動用的較少。 液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱實現(xiàn)傳動。它的優(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。 11 氣動驅動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。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。尤其空氣的可壓縮性大，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。為了減少停機時產生的沖擊，氣壓系統(tǒng)的裝有速度控制機構或緩沖減震機構。 電器驅動都采用三相感應電機作為動力，用大減速比減速器來驅動執(zhí)行機構；直線運動則用電機帶動絲杠螺母機構；有的采用直線電動機。電氣驅動的優(yōu)點是動力源簡單；維護、使用方便。一般只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可開，工作速度高，成本低；缺點是不易于調整。 三、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)詭計控制兩種。控制系統(tǒng)可根據動作的要求，設計采用數字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。 程序的存儲方式分為分離存儲和集中存儲兩種。對于動作復雜的機械手（機械人），采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復雜的機械手（機械人）則采用數字控制系統(tǒng)、小型計算器或微處理機控制的系統(tǒng)。 機械手的分類 一、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、使用，目前在生產中運用的比較廣泛。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上發(fā)展起來的。它能對不同物件完成多種動作，具有相當的通用性。它是一種能獨立工作的自動話裝置。它的動作程序可以按照工作需要來改變，大概是采用順序控制系統(tǒng)。 通用機械手又分簡易型、示教再現(xiàn)型和只能機械手、草中式機械手等幾種。 二、按控制型式分類 點位控制型機械手的運動詭計是空間二個點之間的連接?？刂泣c書越多，性能越好。它基本能滿 足于各種要求，結構簡單。絕大部分機械手是點位控制型。 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 12 的動作。工作性能完善，但控制部分比較復雜。 控制方式分為開關式和伺服式兩種。 本課題研究的主要內容及意義 課題 七桿二自由度機械手設計內容及基本要求 設計一個機械手，用于工廠機床邊抓取圓棒料和餅類零件，實現(xiàn)從地面到機床卡盤和從機床卡盤到地面的運動。 最大活動半徑 2m 最大活動高度 2m 回轉 活動范圍 0176。～ 360176。 最大抓取重量 40kg 抓取規(guī)格 棒料φ 120mm，盤類φ 300mm 動力：盡可能采用機械傳動、電磁力或氣動。必要時可以采用液壓，但不宜使用高壓液壓設備。 工作量要求：〈 1〉整套機械手圖紙（含外構件、標準件匯總）（含電器圖、 PLC圖） 〈 2〉使用說明書 〈 3〉設計說明書 〈 4〉英文翻譯成漢文（ 5000 字） 重點研究的問題 ： 機械、機構、機電一體化功能零部件；機械手、機械夾持、運動傳遞和動力傳送。強電電控、弱電電控、弱電反饋、 PLC 控制。 本次設計的意義 本次設計的對象是湖南省湘潭江麓機械有限公司所設計制造的七桿機械手，主要是對此機械手進行實體改造。 我們這次設計主要是針對此機械手，而且還要對機械手的整體布局及工作原理和過程做一些介紹。在外型上，我們要解決的問題主要是我們設計出來的實體要和實物相同或相近。在大的方面，一個機械手可以分為大臂、小臂和手爪手腕等部分。而手腕部分是我們所重點 要求的，對其中的每一個零件、部件及組合體的尺寸和形體都有嚴格的要求，因為江麓的機械手是有人力動作部分的，而且沒有手腕，取而代之的是一個吊鉤，為了將其改造成為可自動抓取的機械手，每個零件的配合都要很考究。而油路的布置也要合理。整體要整齊美觀。機構實用且經濟。 13 第 二 章 平衡臂機械手機械結構的設計計算 機械手機構的分析與設計 機械手的自由度 機械手要像人的手一樣完成各種動作是比較困難的。因為人的手指、手長、手腕、手臂由十九個關節(jié)所組成，并具有 27 個自由度，而生產實踐中機械手不需要這么多自由度。下面按機械手所具有的主運動和輔助運動來分析其自由度。手臂和立柱的運動成為主運動，因為它們能改變抓取工件在空間的位置。手腕和手指的運動成為輔助運動，因為手腕的運動只能改變被抓取工件的方位，而手指的夾放運動不能改變工件的位置和方位，故它不計為自由度數，其他運動都算