【正文】 本章小結(jié) 本章針對(duì)現(xiàn)階段機(jī)械手 現(xiàn)階段 發(fā)展情況，從組成 、 分類 及設(shè)計(jì)與選材原則三 個(gè)方面對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了全面的介紹 ， 確定 機(jī)械手 由 執(zhí)行 部分 、驅(qū)動(dòng) 部分 、控制 部分 、檢測(cè) 部分 四部分組成；按照用途、驅(qū)動(dòng)方式、控制方式的不同進(jìn)行了分類 ；對(duì)機(jī)械手 機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) 原則、機(jī)械手部件的 選材原則進(jìn)行了分析， 為機(jī)械手整體結(jié)構(gòu) 的確定 提供了參考依據(jù) 。零件壽命、重量、 研究費(fèi)、 加工費(fèi)、維修費(fèi)都會(huì)涉及總體成本 ， 材料價(jià)格 的高低 是選材 重要 的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 。這項(xiàng)指標(biāo)也會(huì) 對(duì)經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)生影響。 （ 2） 工藝性 通過(guò) 工藝性能 分析，對(duì)加工形式進(jìn)行分析設(shè)定 。 部件 選材原則 機(jī)械手的設(shè)計(jì)再考慮到零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還要考慮到其材料工藝的選擇。 （ 3） 在滿足 零件 設(shè)計(jì)要求 的基礎(chǔ)上 ， 同時(shí) 考慮到零件 制造、加工、裝配的 整 體 工藝 路線 。 便于后期的維修更換。產(chǎn)品的質(zhì)量和成本會(huì)受到工藝要求的影響。 運(yùn)動(dòng)軌跡不受點(diǎn)位制約，可以在空間范圍內(nèi)進(jìn)行任意曲線運(yùn)動(dòng)，控制器控制整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)且準(zhǔn)確， 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)繁瑣，此類機(jī)械手主要采用計(jì)算機(jī)輔助控制，應(yīng)用范圍廣泛。 但由于該方法控制簡(jiǎn)單，目前被廣泛使用于 專用 機(jī)械手 和通用機(jī)械手 中 。 控制方式 不同分類 （ 1） 點(diǎn)位控制 。 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu) 使用 感應(yīng)電 機(jī)、 步進(jìn)電機(jī) 或 直線電機(jī) 直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的 。 通常 用于 設(shè)備 工作主機(jī)的上 料 、下料 工作 。 其特點(diǎn)： 附屬于主機(jī) 之 上， 由工作機(jī) 械 進(jìn)行動(dòng)力 傳遞 。 （ 3） 機(jī)械 驅(qū)動(dòng) 機(jī)械手 。能持續(xù)進(jìn)行工作，過(guò)載工作時(shí)能自動(dòng)減壓（泄氣）而停止工作，充氣加壓后可繼續(xù)工作，不會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。能夠儲(chǔ)存能量，以便應(yīng)急使用。維護(hù)修理簡(jiǎn)單，勞動(dòng)者不需通過(guò)高端培訓(xùn)即可熟練掌握。其特點(diǎn)是以空氣為介質(zhì)，成本低廉、取用方便，使用安全性高，適 用于易燃易爆等場(chǎng)合 。 （ 2） 氣壓 驅(qū)動(dòng) 機(jī)械手 。其特點(diǎn)是 ： 抓重 較高 、 反應(yīng) 靈敏、 傳動(dòng) 穩(wěn)定 。一般按機(jī)械手控制方式不同分為簡(jiǎn)易式機(jī)械手和伺服式機(jī)械手，一般伺服式機(jī)械手采用數(shù)控技術(shù)控制其運(yùn)動(dòng) [27] 圖 23 通用圓形機(jī)械手 驅(qū)動(dòng)方式 不同 分 類 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 13 （ 1） 液壓 驅(qū)動(dòng) 機(jī)械手 。其動(dòng)作程序 在規(guī)格性能范圍內(nèi) 可 隨時(shí)調(diào)整 ， 針對(duì)不同需要 應(yīng)用于 不同場(chǎng)合，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 、控制系統(tǒng)相對(duì) 獨(dú)立 。 圖 22 注塑機(jī)專用機(jī)械手 （ 2） 通用機(jī)械手 。 一般用于特定動(dòng)作指令，其 動(dòng)作少、工作對(duì)象單一 ，在單件大批量 生產(chǎn) 中廣泛應(yīng)用 。 用途 不同 分 類 （ 1） 專用機(jī)械手 。 對(duì)機(jī)械手 運(yùn)動(dòng)位置 進(jìn)行檢測(cè)反饋 ， 將運(yùn)動(dòng)的 位置 信息 反饋 到 控制系統(tǒng)， 與控制系統(tǒng)給出的指令相對(duì)比，偏出的進(jìn)行調(diào)整，保障最終位置精度要求。 （ 5）機(jī)座 機(jī)械手所有部件、驅(qū)動(dòng)裝置全部安裝于機(jī)座上，起到對(duì)整個(gè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的固定作用?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：如水平回轉(zhuǎn)降、橫移運(yùn)動(dòng)。通常由運(yùn)動(dòng)部件與驅(qū)動(dòng)源組合實(shí)現(xiàn)手臂運(yùn)動(dòng)，如下所示 : ?????????????????兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合兩直線運(yùn)動(dòng)的組合組合。 （ 3）手臂模塊 手臂模塊是用來(lái)支承手腕、手部、被抓物件。具有導(dǎo)磁性零件，一般采用電磁式吸盤，電磁式吸盤的吸力由電磁鐵產(chǎn)生。 吸附式手部由吸盤構(gòu)成，分為電磁盤式和負(fù)壓吸盤式兩類。被抓取物件表面形狀、抓取形式 (內(nèi)通孔或外輪廓 )、重量、尺寸直接影響到手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。平移式手指結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，應(yīng)用較少。平移式和回轉(zhuǎn)式兩種形式是常用的手指運(yùn)動(dòng)形式。根據(jù)抓取形式的不同，分為夾持式和吸附式兩種。 3. 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由手部、腕部、手臂三個(gè)模塊組成，根據(jù)需要還可增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的裝置，通常由 控制調(diào)節(jié)器、 動(dòng)力源 、 輔助裝置 等 組成?？刂葡到y(tǒng)一般分為程序控制、電機(jī)控制、機(jī)械控制等幾類。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 10 第 2章 機(jī)械手的組成分類 及設(shè)計(jì)選材原則 機(jī)械手的組成 機(jī)械手由 控制部分、驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行部分及位置檢測(cè)部分四部分組成，之間關(guān)系 如圖 21所示 [24]。 4． 機(jī)械手關(guān)鍵技術(shù)的研究 機(jī)械手的基座是具有一定高度的支架，基座的設(shè)計(jì)要綜合考慮機(jī)械手與機(jī)床 的位置不發(fā)生干涉以及足夠的剛度和強(qiáng)度，保證氣缸在運(yùn)行時(shí)不發(fā)生變形。 2． 華中 CK6132 數(shù)控車床用機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 通過(guò) 數(shù)控車床 具體情況，設(shè)定模塊化 機(jī)械手的 尺寸 參數(shù) ， 根據(jù) 數(shù)控 機(jī)床 工件裝卸的 特點(diǎn)，確定 模塊化 機(jī)械手的 設(shè)計(jì) 方案，將機(jī)械手 整體分為三個(gè)模塊即手部模塊、腕部模塊和臂部模塊，并進(jìn)行設(shè)計(jì)組裝。 按照用途、驅(qū)動(dòng)方式、控制方式的不同對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了分類。 2． 根據(jù)氣動(dòng)機(jī)械手在數(shù)控車床上應(yīng)用的情況 ，對(duì)氣缸 安裝方式 進(jìn)行了設(shè)計(jì) ， 后經(jīng)計(jì)算，當(dāng)超額定負(fù)載情況下運(yùn)行時(shí)此安裝方式有可能會(huì)造成氣缸側(cè)翻，后又進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)氣缸的安裝形式進(jìn)行了改進(jìn)，為氣缸的正常工作從結(jié)構(gòu)上提供了安全保障，擴(kuò)展了氣缸的使用范圍。 針對(duì) 數(shù)控車床 自動(dòng)裝卸機(jī)械手的研究相對(duì)較少。 出現(xiàn)較早、應(yīng)用較廣的一種驅(qū)動(dòng)器 是氣動(dòng)肌肉 ，具有 質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 、容控制 易 等優(yōu)點(diǎn)， 在各種機(jī)器人中應(yīng)用廣泛 。其缺點(diǎn)是價(jià)格高、效率低，又限制其更為廣泛的應(yīng)用。 目前數(shù)控車床中機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式主要是采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，也是相對(duì)成熟的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，系統(tǒng)在直線、運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠保證定位精度。 其 發(fā)展趨勢(shì) 正在向微型化、 模塊化 方向發(fā)展 [21] 。氣動(dòng)技術(shù)具有抗燃、無(wú)污染、原料易獲得等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和研究 [20]，由于氣動(dòng)技術(shù)本身具備的特性 ， 特別是其優(yōu)點(diǎn)突出，使其 在各 工業(yè) 自動(dòng)化 部門 應(yīng)用日益廣泛 。 國(guó)外將氣動(dòng)稱為“廉價(jià)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)”。 3． 設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大噪音 。 氣動(dòng)技術(shù) 相對(duì)于液壓技術(shù) 缺點(diǎn) 如下 ： 1． 壓縮空氣 使用前 需要進(jìn)行 過(guò)濾，除去其雜質(zhì)并進(jìn)行干燥 。能持續(xù)進(jìn)行工作，過(guò)載工作時(shí)能自動(dòng)減壓（泄氣）而停止工作，充氣加壓后可繼續(xù)工作，不會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。 5． 能夠儲(chǔ)存能量，以便應(yīng)急使用。 3． 維護(hù)修理簡(jiǎn)單，勞動(dòng)者不需通過(guò)高端培訓(xùn)即可熟練掌握。 氣動(dòng)技術(shù)突破原有理念，在汽車、機(jī)械、 醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用 [19] ，已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的成套設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線上。通過(guò)氣動(dòng)元件的不同組合，形成氣動(dòng)控制、傳動(dòng)系統(tǒng)。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 7 氣 壓傳 動(dòng) 技術(shù) 發(fā)展 現(xiàn)狀 氣 壓傳 動(dòng)技術(shù) (Pneumatics)是以壓縮空氣為介質(zhì)，對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行能量傳遞及控制的一門技術(shù) [16]，簡(jiǎn)稱為氣動(dòng)技術(shù)。 通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，深入研究現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床中配套產(chǎn)品的使用情況，發(fā)現(xiàn) 機(jī)械手主要配套于高端數(shù)控機(jī)床，由于其精度、結(jié)構(gòu)、通用性方面要求較高，而國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床相應(yīng)配套產(chǎn)品較少 ，導(dǎo)致國(guó)外機(jī)械手產(chǎn)品價(jià)格昂貴 。隨著中國(guó)加入WTO，中國(guó)市場(chǎng)已逐漸轉(zhuǎn)化為國(guó)際市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)的機(jī)械手生產(chǎn)企業(yè)不僅要面向國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，同時(shí)還要考慮到國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。 我國(guó)機(jī)械手的制造生產(chǎn)現(xiàn)階段還是以進(jìn)口組裝為主，主要是由于兩個(gè)原因：一是我國(guó)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)相對(duì)落后，二是設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)能 力相對(duì)落后，還沒(méi)有形成一套系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)理念。目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)正在研究通過(guò)智能控制等現(xiàn)代控制理論提高工業(yè)機(jī)器人的實(shí)用性，為工業(yè)機(jī)器人的廣泛使用搭建的更 高的平臺(tái) [14] 。這類 機(jī)器人手臂具有靈活性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、自由度多、柔性高、抓取力小等特點(diǎn)，能夠抓取型小質(zhì)輕的物品，一般用于教學(xué)和實(shí)驗(yàn)。其設(shè)計(jì)中包括一個(gè)氣動(dòng)機(jī)械手，如圖 111所示， 該 機(jī)械手主要對(duì)貨物 進(jìn)行 的翻轉(zhuǎn)和搬運(yùn) 工作 ， 通過(guò)機(jī) 械手上 各 位置自由度即 手腕臂腰四 聯(lián)動(dòng) ， 模仿 關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)，完成 抓取 物品 、移動(dòng) 物品 、翻轉(zhuǎn) 物品 等動(dòng)作 [10， 11]。第 一套自動(dòng)化制造系統(tǒng)在 南京理工大學(xué) SMC 氣動(dòng)技術(shù)中心 誕生 ，該系統(tǒng) 由多個(gè)子系統(tǒng)組成，包括 加工、裝配等。 圖 19 IRB 340 Flex picker 機(jī)器人 圖 110 SIG XR22 機(jī)器人 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 本世紀(jì)初期，隨著我國(guó)數(shù)控技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，目前已經(jīng)形成了相當(dāng)?shù)某晒?[9]。其代表產(chǎn)品有：瑞士 ABB 公司的 IRB 340 Flex Picker 機(jī)器人 [7] 如圖 19 所示，其最大速度達(dá)到 11m/s，通過(guò)其真空系統(tǒng)，可對(duì) 。一般用于小型貨物裝卸，由于工作范圍的擴(kuò)大，可以在特定工作環(huán)境下使用。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 4 圖 14 立柱 式 機(jī)器人 圖 15 門架 式 機(jī)器人 圖 16 滑塊 式 機(jī)器人 針對(duì)工作環(huán)境要求較大，工作范圍較廣的生產(chǎn)環(huán)境，德國(guó)研發(fā)的坐標(biāo)型 機(jī)器人 和 Scara 型機(jī)器人，如圖 1 18 所示。模塊化設(shè)計(jì)理念的引入，使工業(yè)機(jī)器人具備了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便、設(shè)備組裝便捷、機(jī)器人動(dòng)作改變靈活等優(yōu)點(diǎn) 。同期在德國(guó)，機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)引入的模塊化的理念，通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)的安裝，實(shí)現(xiàn)了 可根據(jù)工作需要方便進(jìn)行機(jī)械手結(jié)構(gòu)改裝。該機(jī)械手 采用液壓傳動(dòng) 為驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行“轉(zhuǎn)動(dòng)、升降、伸縮” 的中央立柱， 采用示教型 控制系統(tǒng)。 其 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) 可進(jìn)行多自由度控制 ， 能夠完成轉(zhuǎn)動(dòng) 、 升降 、伸縮等 形式的運(yùn)動(dòng) ， 選用液壓裝置作為其 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) 、磁鼓做為 存儲(chǔ)裝置。工業(yè)機(jī)械手 的誕生解放了人類的雙手 ， 極大減輕了工作量，并且 可代替人從事 劇毒、低溫高熱、高危 等諸多惡劣環(huán)境中的工作， 在 保證產(chǎn)品質(zhì)量 的前提下 ， 大大 提高 工業(yè) 生產(chǎn)率 [6]。成為世界上機(jī)器人使用量、擁有量、使用率最多的國(guó)家 [4， 5] 。 同時(shí)期 日本 通過(guò)調(diào)研將機(jī)器人技術(shù)引入國(guó)內(nèi)，滯后的若干年，日本的機(jī)器人技術(shù)得到了快速的發(fā)展，通過(guò)機(jī)器人技術(shù)促進(jìn)日本工業(yè)的急速發(fā)展。由于通用 程控 機(jī)械手 工作程序 能 夠 隨時(shí)改變，適應(yīng)性強(qiáng)，所以在加工品種多樣、批量中小的生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 2 圖 11 類人機(jī)械手 圖 12 工業(yè)機(jī)械手 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式起初比較簡(jiǎn)單，專用性強(qiáng)，時(shí)僅為某臺(tái) 特定 機(jī)床 進(jìn)行 上料、 下料 工作 ，是 專門 附屬于機(jī)床的 機(jī)械手。 自動(dòng)化 工業(yè)生產(chǎn)中 ， 生產(chǎn)線中 通過(guò) 機(jī)械手 的使用 可以 大大提高生產(chǎn)率，具有如下特點(diǎn) ： 1. 在保障生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，大大 減輕 生產(chǎn)工人的 勞動(dòng)強(qiáng)度； 2. 它 能夠 代替人 在 惡劣的環(huán)境中 （ 易燃、易爆和灰塵大 ） 工作，保障人身安全 。 機(jī)械手是模仿人手的動(dòng)作過(guò)程，按編制程序、軌跡及參數(shù)要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取等操作的自動(dòng)機(jī)械裝置，如圖 11 所示 ， 此類機(jī)械手 稱為類人機(jī)械手 。 工業(yè)機(jī)器人的廣泛使用，不僅能夠替代繁重的手工勞動(dòng)，而且綜合了人工勞動(dòng)和機(jī)器工作兩個(gè)方面的特長(zhǎng)。通過(guò)機(jī)械手工業(yè)生產(chǎn)線的引入，能夠大大提高企業(yè)生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)者工作條件。在工業(yè)生產(chǎn)中也稱為“工業(yè)機(jī)器人”。 通過(guò)研究完成了數(shù)控車床裝夾機(jī)械手研發(fā)過(guò)程中所涉及的技術(shù)問(wèn)題，成功開發(fā)了一套以模塊化為主的氣動(dòng)裝夾機(jī)械手，該成果可為工業(yè)制造業(yè)提供可行的技術(shù)示范，促進(jìn)氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 本課題主要研究以氣缸為主體來(lái)組成模塊化的氣動(dòng)機(jī)械手，該研究項(xiàng)目成本低、速度高， 特點(diǎn)是以模塊化為中心進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)機(jī)械部分和 驅(qū) 動(dòng)部分的模塊化設(shè)計(jì)， 能夠完全實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床軸類零件自動(dòng)裝卸，克服伺服電機(jī)應(yīng)用中存在的成本高 、效率低等實(shí)際問(wèn)題。為了滿足用戶的需求，中國(guó)許多機(jī)床制造企業(yè)已經(jīng)開始在部分?jǐn)?shù)控車床上陸續(xù)配置自動(dòng)裝卸機(jī)械手。 （請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打√） 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 I 數(shù)控車床氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì) 摘 要 中國(guó)已經(jīng)逐漸成為世界制造中 心，制造業(yè)的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)逐年增大，隨著用工緊缺和對(duì)加工效率的提高，自動(dòng)化高效加工已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的主流。 本學(xué)位論文屬于 保密 ，在 3 年解密后適用授權(quán)書。本人完全了解哈爾濱理工大學(xué)關(guān)于保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)部門提交論文和電子版本，允許論文被查閱和借閱。 作者簽名： 日期： 年 月 日 哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書 《 數(shù)控車床氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì) 》系本人在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。對(duì)本文研究工作做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明。 I 工程碩士學(xué)位論文 數(shù)控