【文章內(nèi)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(yīng)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(shè)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(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)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(yīng)用簡況 就國內(nèi)機械工業(yè)，鐵路 部門應(yīng)用機械手的簡況，介紹如下： 熱加工方面的應(yīng)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(shù)字控制等機床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部分。更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機床、設(shè)備上下工序聯(lián)結(jié)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(nèi)鐵路工廠、機務(wù)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(nèi)外機械人發(fā)展趨勢 在普及第一代工業(yè)機器人的基礎(chǔ)上，第二代工業(yè)機器人已經(jīng)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(shù)的 10%，銷售額的 36% )。 機械結(jié)構(gòu) 以關(guān)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(guān)節(jié)型機器人約占總量的 1/3。應(yīng) 3K和汽車、建筑、橋梁等 行業(yè)的需求，超大型機器人應(yīng)運而生。 CAD , CAM等技術(shù)己普遍用于設(shè)計、仿真和制造中。 控制技術(shù) 大多采用 32 位 CPU，控制軸數(shù)多達 27 軸， NC 技術(shù)、離線編程技術(shù)大量采用。協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實現(xiàn)了多手與變位機、多機器人的協(xié)調(diào)控制。采用基于 PC的開放結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)已成為一股潮流。 驅(qū)動技術(shù) 80 年代發(fā)展起來的 AC 伺服驅(qū)動已成為主流驅(qū)動技術(shù)應(yīng)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(jié)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(qū)動新技術(shù)。 應(yīng)用 智能化的傳感器 裝有視覺傳感器的機器人數(shù)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(chǎn)品中，采用了通用模塊化語言RAPID。最近美國機器人空間技術(shù)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(xué)易用，可用于各種開發(fā)環(huán)境，與大多數(shù) WINDOWS 軟件產(chǎn)品兼容。 網(wǎng)絡(luò)通訊方式 大部分機器人采用了 Ether 網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)的 NC機器人，其位置重復(fù)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(shù)的另一特點是機器人的應(yīng)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(shè)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(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)接在一起 ，實現(xiàn)了標準化、開放化、網(wǎng)絡(luò)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(shù)的不斷向智能化方向發(fā)展，機器人應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用，工業(yè)機器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應(yīng) “ 敏捷制造 ”(Agile Manufacturing) ，滿足多樣化、個性化的需求，并適應(yīng)多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)，向非制造領(lǐng)域進軍。 我國的工業(yè)機器人從 80 年代 “ 七五 ” 科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“ 七五 ” 、 “ 八五 ” 科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù) 、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)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(yīng)用，弧焊機器人己應(yīng)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(shù)及其工程應(yīng)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(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距 :在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200 臺，約占全球己安裝臺數(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(yīng)用戶的要求， “ 一位客戶，一次重新設(shè)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(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(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設(shè)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 “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(shù)居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)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(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、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(yīng)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(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在 “ 十五 ” 后期立于世界先進行列之中。 國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)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(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)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(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、俯仰等機構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，以便根據(jù)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(shè)計制造，又便于改換工作，擴大了應(yīng)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(jié)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(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。 一、 執(zhí) 行 機 構(gòu) （ 1）手部 手部安裝在手臂的前端，手臂的內(nèi)孔裝有傳動軸，可把動作傳給手腕， 以轉(zhuǎn)動、伸屈手腕、開閉手指。 機械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)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(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。目前采用的手臂幾乎都是無關(guān)節(jié)臂。 手臂的作用是引導(dǎo)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(gòu)的支 架。 二、驅(qū) 動 系 統(tǒng) 驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣體驅(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(fù)雜，成本較高。 11 氣動驅(qū)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(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)的裝有速度控制機構(gòu)或緩沖減震機構(gòu)。 電器驅(qū)動都采用三相感應(yīng)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。電氣驅(qū)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(gòu)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(diào)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(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。 程序的存儲方式分為分離存儲和集中存儲兩種。對于動作復(fù)雜的機械手（機械人），采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機械手（機械人）則采用數(shù)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(shè)備服務(wù)的，簡單、使用，目前在生產(chǎn)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(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(jié)構(gòu)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(fù)雜 12 的動作。工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜。 控制方式分為開關(guān)式和伺服式兩種。 本課題研究的主要內(nèi)容及意義 課題 七桿二自由度機械手設(shè)計內(nèi)容及基本要求 設(shè)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(zhuǎn) 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(shè)備。 工作量要求：〈 1〉整套機械手圖紙（含外構(gòu)件、標準件匯總）（含電器圖、 PLC圖） 〈 2〉使用說明書 〈 3〉設(shè)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(gòu)、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(shè)計的意義 本次設(shè)計的對象是湖南省湘潭江麓機械有限公司所設(shè)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(shè)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(shè)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(gòu)實用且經(jīng)濟。 13 第 二 章 平衡臂機械手機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算 機械手機構(gòu)的分析與設(shè)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(guān)節(jié)所組成，并具有 27 個自由度，而生產(chǎn)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(shù)，其他運動都算