【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 工業(yè)發(fā)展的需要。 在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各 運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，有便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。 此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊 、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。 此外，國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 第 2 章 確定總體方案 機(jī)械手的概念 機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為 “工業(yè)機(jī)械手 ”。圖 21。 圖 21 工 業(yè)機(jī)械手 機(jī)械手的組成及其分類 機(jī)械手的組成 機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如圖22 所示。 圖 22 機(jī)械手各系統(tǒng)之間的關(guān)系 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械手完成握持工件實(shí)現(xiàn)所需的各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，包括如下幾個(gè)部分： （ 1）手部：即與物件接觸的部件。根據(jù)與物件接觸的不同形式，可分為夾持式和吸附式。 執(zhí)行系統(tǒng)（包括、機(jī)身、臂部、腕部、手部） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 被抓去對(duì)象 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 （ 2）手腕：是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方位。一些簡(jiǎn)易的機(jī)械手， 也有不設(shè)手腕部件，將手部直接裝在手臂部件的端部。 （ 3）手臂：是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。 （ 4）機(jī)身：是機(jī)械手中用來(lái)支撐手臂的部件，安裝驅(qū)動(dòng)裝置和其他裝置的部件。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四種形式。 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作 ，并檢測(cè)其正確與否的一些裝置。一般包括程序控制部分和行程檢測(cè)反饋部分。 機(jī)械手的分類 按用途分 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種： （ 1）專用機(jī)械手：它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)。 （ 2）通用機(jī)械手：它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活的機(jī)械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用 ,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用 機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。 按驅(qū)動(dòng)方式分 （ 1）液壓傳動(dòng)機(jī)械手：是以液體的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求 嚴(yán)格，否則油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。 （ 2）氣壓傳動(dòng)機(jī)械手：是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手 ,其主要特點(diǎn)是：介質(zhì)來(lái)源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的 特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30 公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 （ 3）機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手：由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等）驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)龐大，動(dòng)作程序不可變。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 （ 4）電力傳動(dòng)機(jī)械手：有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng) 的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有一定發(fā)展前途。 按機(jī)械手的臂力大小分 按臂力（即被傳送物件的重量）的大小，可將機(jī)械手分為如下四類： （ 1）微型機(jī)械手：臂力小于 1 公斤。 （ 2）小型機(jī)械手：臂力為 110 公斤。 （ 3）中型機(jī)械手：臂力為 1030 公斤。 （ 4）大型機(jī)械手：臂力大于 30 公斤。 機(jī)械手的設(shè)計(jì)原則 設(shè)計(jì)機(jī)械手的原則是：充分考慮作業(yè)對(duì)象的作業(yè)技術(shù)要求，擬定較為合理的作業(yè)工序和工藝，并 滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件；明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求；盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專用性。 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是搬運(yùn)機(jī)械手，是一種適用于成批或中、小批量生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)和操作設(shè)備，它可用于勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。 機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度的選用 考慮機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及組合情況，本機(jī)械手在上下料時(shí)具有手臂的升降動(dòng)作及手指在夾持物件時(shí)的開(kāi)閉運(yùn) 動(dòng)。在設(shè)計(jì)中機(jī)械手的坐標(biāo)型式采用直角坐標(biāo)型式，相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 手臂的升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)氣缸或液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)均由相應(yīng)的氣缸或液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成 V 型槽式可更換結(jié)構(gòu)，使用的是夾持式手部。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 方案一 圖 23 結(jié)構(gòu)方案一 該機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手的初始位在上料架的正上方。在上料過(guò)程中，首 先小臂的升降油缸 2 驅(qū)動(dòng)小臂下降，手 4 抓取工件，小臂上升復(fù)位。然后，大臂的伸縮油缸 1 驅(qū)動(dòng)手臂橫向移動(dòng)，把工件送到托盤(pán)的正上方后，小臂的升降油缸 2 下降，把工件送至托盤(pán)位上，手 4 放開(kāi)工件，小臂 2 上升，大臂的伸縮油缸 1 驅(qū)動(dòng)手臂橫向移動(dòng)，將工件送到料架的正上方，機(jī)械手完成一個(gè)工作周期。 該結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，從而機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，降低了機(jī)械手的工作效率。橫向的導(dǎo)軌采用滾輪，定位不準(zhǔn)確，精度差。 方案二 圖 24 結(jié)構(gòu)方案二 該機(jī)械手工作原理與方案一相同，但整體尺寸縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，且橫向使用導(dǎo)桿定位，哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 定位精度準(zhǔn)確，因此，該方案為可執(zhí)行方案。 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 氣動(dòng)技術(shù) —這個(gè)被譽(yù)為工業(yè)自動(dòng)化之 “肌肉 ”的傳動(dòng)與控制技術(shù)，在加工制造業(yè)領(lǐng)域越來(lái)越受到人們的重視，并獲得了廣泛應(yīng)用。目前，伴隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，氣動(dòng)技術(shù)也不斷創(chuàng)新，以工程實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，得到了前所未有的發(fā)展。 另一方面，氣動(dòng)技術(shù)作為 “廉價(jià)的自動(dòng)化技術(shù) ”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應(yīng) 用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的成套設(shè)備與自動(dòng)化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動(dòng)系統(tǒng)。 工業(yè)機(jī)器人使用最多的一種驅(qū)動(dòng)方式是電機(jī)驅(qū)動(dòng)。但是由于這類機(jī)器人價(jià)格昂貴，限制了在一些場(chǎng)合的廣泛應(yīng)用。因此，人們開(kāi)始尋求其它一些經(jīng)濟(jì)適用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式。直角坐標(biāo)的氣動(dòng)機(jī)械手的三種形式，如圖 25。 1 立柱型氣動(dòng)機(jī)械手 2 門(mén)架型氣動(dòng)機(jī)械手 3 滑塊型氣動(dòng)機(jī) 械手 圖 25 直角坐標(biāo)的氣動(dòng)機(jī)械手的三種形式 隨著氣動(dòng)技術(shù)獲得了快速發(fā)展，其中利用成本性能比低廉及同時(shí)具有許多優(yōu)點(diǎn)的氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)備來(lái)滿足社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐需要也越來(lái)越多的受到重視，氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要實(shí)用技術(shù)。氣動(dòng)機(jī)械手與其它控制方式的機(jī)械手相比，具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率體積比高、無(wú)污染及抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，表 25 給出了各種控制方式的比較 。 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉，加之減振器蓋抓取載荷較輕，因此，本機(jī)械手采用氣壓 傳動(dòng)方式。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們 PLC 對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變 PLC 程序即可實(shí)現(xiàn)，非常便捷。 機(jī)械手的主要參數(shù) 主要參數(shù)如下： （ 1）主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，為 60 克。 （ 2）基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂 表 21 各種驅(qū)動(dòng)方式比較 項(xiàng)目 氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng) 電氣傳動(dòng) 機(jī)械傳動(dòng) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn) 單 復(fù)雜 復(fù)雜 較復(fù)雜 安裝自由度 大 大 中 小 輸出力 稍大 大 中 不太大 定位精度 一般 一般 很高 高 動(dòng)作速度 大 很大 大 小 響應(yīng)速度 慢 快 快 中 清潔度 清潔 可能有污染 清潔 較清潔 維護(hù) 簡(jiǎn)單 比氣動(dòng)復(fù)雜 需專門(mén)技術(shù) 簡(jiǎn)單 價(jià)格 一般 稍高 高 一般 技術(shù)要求 較低 較高 最高 較低 控制自由度 大 大 中 小 危險(xiǎn)性 幾乎無(wú)問(wèn)題 注意著火 一般無(wú)問(wèn)題 無(wú)特殊問(wèn)題 伸縮及升降的速度。 （ 3）該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為 m/s，最小為平均移動(dòng)速度為 。 （ 4）除了運(yùn)動(dòng)速度以外，機(jī)械手的基本參數(shù)還有工作空間。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過(guò)大的工作空間，必然引起偏重力矩增大而使剛性降低。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，橫向伸縮行程約 800，手臂升降行程約為 500mm。 (5)定位精度也是基本參數(shù)之一，該機(jī)械手的精度為 177。 本章小結(jié) 本章主要介紹了機(jī)械手的概念，機(jī)械手的分類、組成，確定了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案，初步介紹了機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案、控制方案的設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的主要參數(shù)。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 第 3 章 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī) 械手的手部設(shè)計(jì) 機(jī)械手的手部是用來(lái)直接抓取物件的機(jī)構(gòu)，是機(jī)械手的重要組成部件之一。由手指、傳力（或增力）機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置組成。根據(jù)被抓取物件的材質(zhì)、形狀、尺寸、重量以及其它一些特性（如易碎性、導(dǎo)磁性、表面光潔度等）的不同，手部的種類也不一樣。 手部的種類及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 手部的種類 （ 1）根據(jù)手指的種類不同分類 夾持式手部 吸附式手部 （ 2）根據(jù)手指的多少分類 單指手部是由各種單個(gè)吸盤(pán)所組成的手部。 多指手部是由多個(gè)機(jī)械式手指或多個(gè)吸盤(pán)所組成的手部，其中由兩個(gè)機(jī)械式手指所組成的手 部用的較多。 圖 31 手部的種類 夾持式是較常見(jiàn)的一種手部形式，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式：按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式和外夾式兩種；按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指；同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型。回轉(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛因此，本系統(tǒng) 采用回轉(zhuǎn)型兩指式外夾持手部。 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) （ 1）手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角 兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角應(yīng)能保證被抓物件順利進(jìn)入或脫開(kāi)，其大小直接與工件和手指的形狀、尺寸及手部接近被抓物件的路線等因素有關(guān)，同時(shí)還要注意路線周圍的環(huán)境。 手部 夾持器 吸附式 外夾式 內(nèi)撐式 氣吸式 磁吸式 平移型 回轉(zhuǎn)型 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 若夾持不同直徑的物件，采用較大的開(kāi)閉范圍會(huì)增大驅(qū)動(dòng)