【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。機(jī)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(tái)機(jī)械手。第一章 機(jī)械手概況在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法，程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75％是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5％。從這里可看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。國內(nèi)外機(jī)械工業(yè)、鐵路部門中機(jī)搬運(yùn)械手主要應(yīng)用于以下幾方面： 熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對(duì)于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。 冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動(dòng)較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對(duì)、清除石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手，可用以對(duì)客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆，以改善勞動(dòng)條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來越多的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要因素。在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下： 應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。在一些動(dòng)作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。，便于有節(jié)奏地生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)械手是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機(jī)械手。50～60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱第二代機(jī)械手。如尤尼曼特(Unimate)機(jī)械手即屬于這種類型。60～70年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動(dòng)線上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。8090年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期，尤其是日本。90年代機(jī)械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。總之，目前機(jī)械手的主要經(jīng)歷分為三代：第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)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，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。目前國內(nèi)工業(yè)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此，國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、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)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(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)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高精度，減少?zèng)_擊，定位精確，以更好地發(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、視覺等性能地機(jī)械手，并考慮于計(jì)算機(jī)聯(lián)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、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。為此，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機(jī)械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時(shí)，即能更正，并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計(jì)算機(jī)。工作時(shí)，電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后傳送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機(jī)械手裝配?，F(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 PLC概況及在機(jī)械手中的應(yīng)用 可編程序控制器（programmable controller），現(xiàn)在一般簡稱為PLC（programmable logic controller），它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通 信網(wǎng)絡(luò)技發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。以其顯著的優(yōu)點(diǎn)在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)的繼電器控制具有結(jié)構(gòu)簡單、易于掌握、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用甚廣。但是控制裝置體積大、動(dòng)作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構(gòu)成系統(tǒng)，接線繁雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或控制對(duì)象改變時(shí)，原有的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，并在迅速擴(kuò)大，對(duì)于而今的PLC幾乎可以說凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要PLC，尤其近幾年來PLC的性價(jià)比不斷提高已被廣泛應(yīng)用在冶金、機(jī)械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。按PLC的控制類型，其應(yīng)用大致可分為以下幾個(gè)方面。1）.用于邏輯控制這是PLC最基本，也是最廣泛的應(yīng)用方面。用PLC取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機(jī)床的電氣控制、包裝機(jī)械的控制、自動(dòng)電梯控制等。2）.用于模擬量控制PLC通過模擬量I/O模塊，可實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬量控制。3）.用于機(jī)械加工中的數(shù)字控制現(xiàn)代PLC具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機(jī)械加工中的數(shù)字控制（NC）及計(jì)算機(jī)控制（CNC）緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。4）.用于工業(yè)機(jī)器人控制 5）.用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的PLC具有較強(qiáng)的通信聯(lián)通能力，可實(shí)現(xiàn)PLC與PLC之間、PLC與遠(yuǎn)程I/O之間、PLC與上位機(jī)之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。1）.可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)PLC能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、溫度變化等中可靠地工作，PLC的平均無故障間隔時(shí)間高，日本三菱公司的F1系列PLC平均無故障時(shí)間間隔長達(dá)30萬h，這是一般微機(jī)所不能比擬的。2）.控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強(qiáng) 由于PLC是采用軟件編程來實(shí)現(xiàn)控制功能，對(duì)同一控制對(duì)象，當(dāng)控制要求改變需改變控制系統(tǒng)的功能時(shí)，不必改變PLC的硬件設(shè)備，只需相應(yīng)改變軟件程序。3自上世紀(jì)六十年代，機(jī)械手被實(shí)現(xiàn)為一種產(chǎn)品后，對(duì)它的開發(fā)應(yīng)用也在不斷發(fā)展，利用機(jī)械手搬運(yùn)物體、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛?，F(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用在了機(jī)械制造、冶金、化工、電力、采礦、建材、輕工、食品、環(huán)保等各行各業(yè)之中。比如：最典型的發(fā)展是生產(chǎn)者將此產(chǎn)品大量應(yīng)用于衛(wèi)生行業(yè)（全自動(dòng)生化分析儀），從而實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)生檢驗(yàn)中急需短時(shí)間、大量樣品數(shù)據(jù)的要求，但在衛(wèi)生領(lǐng)域的機(jī)械手因采用樣品加單一酶試劑顯色法，且采用濾光片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，造成試劑價(jià)格昂貴，限制了產(chǎn)品市場的發(fā)展。隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械手的設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)破了單一試劑、加熱及濾光片的束縛。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場機(jī)械手的要求將越來越高，其技術(shù)也越來越成熟。機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。應(yīng)用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的工序動(dòng)作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。圖1 是機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖。圖1 機(jī)械手搬物示意圖圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運(yùn)到傳送帶B。為使機(jī)械手動(dòng)作準(zhǔn)確，在機(jī)械手的極限位置安裝了限位開關(guān)SQSQSQSQSQ5，對(duì)機(jī)械手分別進(jìn)行抓緊、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上升、下降動(dòng)作的限位，并發(fā)出動(dòng)作到位的輸入信號(hào)。傳送帶A上裝有光電開關(guān)SP，用于檢測傳送帶A上物品是否到位。機(jī)械手的起、停由圖中的起動(dòng)按鈕SB停止按鈕SB2控制。傳送帶A、B由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。機(jī)械手的上、下、左、右、抓緊、放松等動(dòng)作由液壓驅(qū)動(dòng)，并分別由六個(gè)電磁閥來控制。2 機(jī)械手的動(dòng)作流程傳送帶B處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，故不需要用PLC控制。機(jī)械手及傳送帶C 順序動(dòng)作的要求是：1)按下起動(dòng)按鈕SB1時(shí)，機(jī)械手系統(tǒng)工作。首先上升電磁閥通電，手臂上升，至上升限位開關(guān)動(dòng)作；2)左轉(zhuǎn)電磁閥通電，手臂左轉(zhuǎn)，至左轉(zhuǎn)限位開關(guān)動(dòng)作； 3)下降電磁閥通電，手臂下降，至下降限位開關(guān)動(dòng)作；4)啟動(dòng)傳送帶A運(yùn)行，由光電開關(guān)SP檢測傳送帶A上有無物品送來，若檢測到物品，則抓緊電磁閥通電，機(jī)械手抓緊，至抓緊限位開關(guān)動(dòng)作； 5)手臂再次上升，至上升限位開關(guān)再次動(dòng)作；6)右轉(zhuǎn)電磁閥通電，手臂右轉(zhuǎn)，至右轉(zhuǎn)限位開關(guān)動(dòng)作； 7)手臂再次下降，至下降限位開關(guān)再次動(dòng)作；8)放松電磁閥通電，機(jī)械手松開手爪，經(jīng)延時(shí)2秒后，完成一次搬運(yùn)任務(wù)，然后重復(fù)循環(huán)以上過程。9)按下停止按鈕SB2或斷電時(shí)，機(jī)械手停止在現(xiàn)行工步上，重新起動(dòng)時(shí)，機(jī)械手按停止前的動(dòng)作繼續(xù)工作。根據(jù)對(duì)機(jī)械手的順序動(dòng)作要求，可以畫出時(shí)序圖如圖2