【文章內(nèi)容簡介】 連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等 )驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特 點是運動準(zhǔn)確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。 電力傳動機械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三 )按控制方式分 點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械 手均屬于此類。 連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 機械手的簡史 機械手首先是從美國開始研制的。 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(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)型機械手。商名為 Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、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)通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司 ,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。 1962 年美國機械制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 機械手。該機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。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種UnimateVicarm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于 177。1 毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從 1970 年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國 KnKa 公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。 前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機械手，至 1977 年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。 目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要第一章 緒論 4 是降低成 本和提高精度。 第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。 第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務(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和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)。 機械手的應(yīng)用簡況 現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械 化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。 有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機械加工。隨著機械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還會有所改變。 機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。 國內(nèi)機械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。 國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。 采用機械手進行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝象機和力傳感裝置和微型計算機連在一 起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。 機械手的發(fā)展趨勢 目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。 在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、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)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類 型的基加緊機構(gòu)，即可組成不同用途的機械手。既便于設(shè)計制造，有便于更換工件，擴大應(yīng)用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。 此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。 此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。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，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。 視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。 觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，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，達到自動調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。 更重要的是將機械手、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 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。 執(zhí)行機構(gòu) （ 1）手部 手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉(zhuǎn)動軸，可把動作傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸屈手腕，開閉手指。 本課所指的機械手僅需開閉手指。 機械手手部的機構(gòu)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)量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕?jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作需要。 本課所做的機械手采用二指形狀。 （ 2）手臂 手臂有無關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分 本課所做的機械手的手臂采用無關(guān)節(jié)臂 手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的三個自由度都需要精確的定位。 第一章 緒論 6 本課題所做的機械手在手臂的升降、伸縮、回轉(zhuǎn)三個方向的定位均采用行程開關(guān)控制，以保證定位的精度。 總括機械手的運動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此 ，它采用的執(zhí)行機構(gòu)主要是直線油缸、擺動油缸、電液脈沖馬達、伺服油馬達、直流伺服馬達和步進馬達等。 驅(qū)動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(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、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配 備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用 46個大氣壓，個別的達到 810 個大氣壓。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。由于空氣的可壓縮性大，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)裝有速度控制機構(gòu)或緩沖機構(gòu)。 電氣驅(qū)動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用 步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。 電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。 機械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。 控制系統(tǒng) 機械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等。 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。 應(yīng)用機械手的 意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。 在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下： 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 ，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他 毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 ，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的 進行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 第二章 機械手總體方案設(shè)計 8 第二章 機械手總體方案設(shè)計 機械手的設(shè)計參數(shù) 抓重： 60kg； 自由度數(shù)： 4個； 坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)； 最大工作半徑： 1700 毫米； 手臂最大中心高： 2300 毫米； 手臂運動參數(shù)； 手臂伸縮范圍： 0~500 毫米 手臂伸縮速度：伸出 176 毫米每秒； 縮回 233毫米每秒； 手臂升降范圍： 0~600 毫米； 手臂升降速度：上升 102 毫米每秒； 下降 152毫米每秒； 手臂回轉(zhuǎn)范圍： 00 ~2021 (實 際使用為 950)； 手臂回轉(zhuǎn)速度： 630 每秒； 手腕運動參數(shù)： 手腕回轉(zhuǎn)范圍 :00~1800； 手腕回轉(zhuǎn)速度： 2021每秒； 手指夾持范圍： Φ30 Φ120 毫米； 緩沖方式及定位方式： 手臂伸縮：伸出時由行程開關(guān)適時切斷油路，手臂緩沖，縮回時由行程開關(guān)控制返回終了位置。 手臂升降：上升時是靠可調(diào)碰鐵觸動行程開關(guān)而發(fā)信，使電液換向閥變?yōu)椤?o”型滑閥機能，切斷油路而實現(xiàn)緩沖定位，下降時靠油缸端部節(jié)流緩沖，由行程開關(guān)控制終了位置。 手臂回轉(zhuǎn)：采用行程節(jié)流閥（雙向使用）減速緩沖，用定位油缸驅(qū)動定位銷而定位。 手腕 回轉(zhuǎn)：采用行程開關(guān)發(fā)信，切斷油路滑行緩沖，死擋塊定位。 驅(qū)動方式：液壓 控制方式：點位程序控制 機械手的座標(biāo)型式與自由度選擇 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、伸縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機械手具有三個自由度，為了滿足送料需要，增加手腕回轉(zhuǎn)運動。所以本機械手有手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)四個自由度。 機械手的總體結(jié)構(gòu) 本機械手系統(tǒng)由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng) 包括手部、手臂、手腕。驅(qū)動系統(tǒng)包括動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。控制系統(tǒng)由程序控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。機械手的結(jié)構(gòu)見圖如圖 21： 圖 21 機械手結(jié)構(gòu)見圖 機座 手臂升降機構(gòu) 手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu) 手臂伸縮機構(gòu) 手腕回轉(zhuǎn)機構(gòu) 手部 運動簡圖如圖 22所示： 圖 22 機械手運動簡圖 第二章 機械手總體方案設(shè)計 10 該結(jié)構(gòu)采用圓柱式坐標(biāo)，其運動系包含了兩個直線運動和兩個回轉(zhuǎn)運動，這種坐標(biāo)形式的機械手占地面積小而且活動范圍大，結(jié)構(gòu)比較簡單，并且能夠 達到較高的定位精度。 機械手的動作順序 待料（即起始位置。手指閉合，待夾料立放）→插定位銷→手臂前伸→