【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計算機(jī)進(jìn)行控制。 （三） 工業(yè)機(jī)械手的 發(fā)展 1． 工業(yè) 機(jī)械手的發(fā)展 歷 史 機(jī)械手是在早期就有的古機(jī)關(guān) 人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，我國古代的機(jī)關(guān)人制造者是最多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 –5– 早研究有關(guān)機(jī)械手、關(guān)節(jié)活動等問題的 。 現(xiàn)代機(jī) 械手的研究始于 20 世紀(jì)中期，隨著計算機(jī) 技術(shù)的發(fā)展，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進(jìn)展， 也 為機(jī)械手 的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面 ，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這樣的 背景下， 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出 了 第一臺機(jī)械手，它的結(jié)構(gòu)是 在 機(jī)體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂， 并在長臂頂部裝配了 工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962 年，美國 聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手， 商名為 Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔， 手 臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、 使用液壓驅(qū) 動， 控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年，美國機(jī)械制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 的 機(jī)械手，該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降 ， 采用液壓驅(qū)動 ， 控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機(jī)械手，是后來國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國 Unima公司與斯坦福大學(xué)、 麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種 UnimateVicarm型工業(yè)機(jī)械手， 通過 小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于177。 1mm。聯(lián)邦德國 KnKa 公司 也研制出 一種點焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式 結(jié)構(gòu)和程序控制。 近 六十 年 發(fā)展起來的 機(jī)械手 ，大致經(jīng)歷了三個時代。第一代為簡單個體 機(jī)械手 ， 屬于示教再現(xiàn)型 , 第二代為群體勞動 機(jī)械手 ， 其 具備了感覺能力 ,第三代為類似人類的智能 機(jī)械手 ， 它不僅具有感覺能力 ， 而且 還具有獨立判斷和行動的能力。 2． 工業(yè) 機(jī)械手 的發(fā)展 方向 目前，國內(nèi)的機(jī)械手發(fā)展迅速，歸結(jié)起來，大都朝著高精度、模塊化、節(jié)能化和機(jī)電一體化這四個方向發(fā)展。 (1)高精度 精度是指機(jī)械手達(dá)到指定點的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)次數(shù)多，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機(jī)械手定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機(jī)誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機(jī)械手來測定。隨著微電子技 術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 (2)模塊化 有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手 與 組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置 相比，擁有更靈活的安裝體系， 使機(jī)械手動作自如。模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是機(jī)械手的一個重要的發(fā)展方向。 (3)節(jié)能化 多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 –6– 為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求 ， 不加潤滑脂的不供油 潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)， 用構(gòu)造特殊、 自潤滑材料制造的無潤滑元件 組成的機(jī)械手 ，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 (4)機(jī)電一體化 由“可編程控制器 — 傳 感器 — 液壓元件”組成的典型控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù) 發(fā)展的重要方向 ， 發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制” 。 節(jié)省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)， 不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，如今 電磁閥的線圈功率越來越小，而 PLC 的輸出 功率在 不斷 增大，由 PLC 直接控制線圈 也 變得越來越可能。 在國外，一些國家正在研究 具有某種智能的機(jī)械手， 它 具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作 出 相應(yīng) 的變更， 如位置發(fā) 生稍許偏差時，即能更正并自行檢測。此種機(jī)械 手的 研究重點是 視覺功能和觸覺功能， 目前已經(jīng)取得一定成績。 視覺功能 是 在機(jī)械手上安裝 電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀以及微型計算機(jī)。工作 時 電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號，然后傳輸 給計算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 觸覺功能 是在 機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機(jī) 械手首先伸出手指尋找工件 ，通過 安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件， 手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達(dá)到自動調(diào)整握力的大小 的目的 。 總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展 ，機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高，更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從 根本 上 改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 –7– 二、機(jī)械手 總體設(shè)計方案 （一）機(jī)械手的坐標(biāo)形 式與自由度 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式 如圖 所示， 主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和 關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點 ，分別介紹如下 ： 圖 機(jī)械手的四種坐標(biāo)形式 1． 直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖 。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)械手有可能達(dá)到很高的位置精度（ um 級）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)械手的運動空間相對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的，因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長方體。主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式， 龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 2． 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度尚可 ，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 3． 球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單， 成本較低，但精度不 是很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)， 其工作空間是一個類球形的空間。 多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 –8– 4． 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖 。關(guān)節(jié)型機(jī)械手動作靈活，結(jié) 構(gòu)緊湊，占地面積小， 相對機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)械手。關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 由于本機(jī)械手在工作時手臂具有伸縮、橫移和升降運動，符合直角坐標(biāo)形式，因此，采用直角座標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)。機(jī)械手的自由度以及運動示意圖如圖 。 圖 機(jī)械手的運動示意圖 （二）機(jī)械手手部結(jié)構(gòu) 總體 方案設(shè)計 1． 機(jī)械手 的 手爪結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 目前，國內(nèi)外機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)通常有 5種，分別為 楔塊杠桿式手爪 、 滑槽式手爪 、連桿杠桿式手爪 、 齒輪齒條式手爪 和 平行杠桿式手爪 。 (1)楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。 (2)滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作 和夾緊力，當(dāng)活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適合 抓取大小不同的物體。 多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 –9– (3)連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放 松）運動，由于杠桿的力放大作用 ， 手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力， 通常與彈簧聯(lián)合使用。 (4)齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪 旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。 (5)平行杠桿式手爪 這種手爪 采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。 本機(jī)械手采用的是連桿杠桿式手爪 。 2． 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則： (1)機(jī)械手手腕的自由度 ，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。 機(jī)械手手腕自由度數(shù)目越多，各關(guān)節(jié)的運動角度越大，則機(jī)械手腕部的靈活性越高，機(jī)械手 對作業(yè)的適應(yīng)能力也 越強(qiáng)。但是，自由度的增加，也必然會導(dǎo)致其 腕部結(jié)構(gòu)更 加復(fù)雜， 使 機(jī)械手的控制 變得更困 難，成本也會增加， 因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際 作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少，一般 機(jī)械手手腕的自由度數(shù)為 2 至 3個，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)械手手腕不需要自由度，僅憑手 臂和腰部的運動就能 完成 作業(yè) 任務(wù)，所以要具體問題具體分析，考慮機(jī)械手的多種布局和 運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。 (2)機(jī)械手腕部安裝在機(jī)械手手臂的末端，在設(shè)計機(jī)械手手腕時，應(yīng) 盡量 減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。 為了減輕機(jī)械手腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而 不采用直接驅(qū)動，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。 (3)機(jī)械手手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 (4)機(jī)械手的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運動的傳遞。 (5)要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。 (6)手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。 機(jī)械手的手臂運動 ，給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機(jī)械手手臂末端的手腕，則給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機(jī)械手手腕是機(jī)械手 操作機(jī)的最末端，它與機(jī)械手手臂配合運動，實現(xiàn) 安裝在手腕上 末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 考慮到機(jī)械手的優(yōu)化，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足 工作的要求，因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。 多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 –10– 3． 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 機(jī)械手手臂的作用是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機(jī)械手所要求 工作空間內(nèi)的運動。在進(jìn)行機(jī)械手手臂設(shè)計時，要遵循下述原則； (1)應(yīng)盡可能使機(jī)械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行， 相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機(jī)械手運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機(jī) 械手的控制。 (2)機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)械手工作空間的要求。 工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)械手手臂末端工作 空間并沒有考慮機(jī)械手手腕的空間姿態(tài)要求， 如果對機(jī)械手手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 (3)為了提高機(jī)械手的運動速度與控制精度，應(yīng)在保 證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)和材料上 減輕手臂的重量。 機(jī)械手在高強(qiáng)度 輕質(zhì)材料 的選擇上，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)械手手臂。目前在國外，也在 研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)械手手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的 1/4，相當(dāng)于鋁合金的 2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法 仍然是進(jìn)行機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計， 在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)械手手臂的重量。 (4)機(jī)械手各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能 小，以減小機(jī)械間隙所造成的運動誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有可靠的 便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。 (5)機(jī)械手的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上 平衡，這對減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)械手手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。 在設(shè)計機(jī)械手的手臂時，應(yīng)盡可能利用在機(jī)械手上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)械手手臂 上 的不平衡重量，必要時還要設(shè)計平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。 (6)機(jī)械手手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān) ， 具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，驅(qū)動裝置，傳動機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。 本設(shè)計按照工件的直徑為 50mm 來設(shè)計 ，結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用連桿杠桿式的手爪。 通過驅(qū)動活塞往復(fù)移動，活塞桿端部齒條，中間齒條 及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開 度由加工工件的直徑來調(diào)節(jié) 。 手爪的結(jié)構(gòu) 如圖 ： 多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 –11– 圖 機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)圖 4． 機(jī)械手驅(qū)動方案的 選擇 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源 可分為液壓、電動和氣動三大類， 根據(jù)需要也可將 這三種基 本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下： (1)液壓驅(qū)動系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力 大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點， 適合于在承載能力大，慣量大 的環(huán)境下工作 的機(jī)械手。 相比于液壓驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點，其缺點同樣很多： 液壓傳動在工作過程中常 有較多的能量損失 (摩擦損失、泄露損失等 )， 液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可