【正文】 6 自由度。自由操縱，靈活性大，通用性更廣，它的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。 如圖 11 所示，這個(gè)機(jī)械手 就擁有三個(gè)自由度，其中機(jī)械手的手臂可以完成伸縮運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手的機(jī)身則能完成手臂的升降運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能使機(jī)械臂完成任意角度的位置要求。 機(jī)械手一般不會(huì)單獨(dú)的作為工業(yè)生產(chǎn)中主要裝置，它一般都是附加在機(jī)床或者別的機(jī)器邊的輔助裝置，如在數(shù)控機(jī)床中自動(dòng)換刀，如在自動(dòng)生產(chǎn)線中搬運(yùn)物料等，一般不具有獨(dú)立控制裝置。 機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高端科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和 產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著始終重要的作用。但是由于機(jī)械手并不真正像人類的手那樣靈活并且不能具備傳感反應(yīng)任何反饋的能力，不能對(duì)外界特殊情況進(jìn)行應(yīng)變。第二代的機(jī)械手正在加緊發(fā)展。學(xué)習(xí)上的各種傳感 7 器的安裝，檢測(cè)到的信息反饋，使得機(jī)器人具有感覺功能。隨著電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備的發(fā)展，它將和這些設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 （ 2） 可以改善勞動(dòng)條 件、避免人身事故。 （ 3） 可以減少人力，便于節(jié)奏的生產(chǎn)。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都是機(jī)械手，以減少人力和更近準(zhǔn)的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展歷史 工業(yè)機(jī)器人是最為典型的機(jī)電一體化設(shè)備 , 高附加值的技術(shù)，應(yīng)用范圍廣，作為先進(jìn)制造技術(shù)的新產(chǎn)業(yè)和信息社會(huì)的支持，將會(huì)在未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。根據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（歐洲經(jīng)委會(huì)）和國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（ IFR）的統(tǒng)計(jì)，世界機(jī)器人市場(chǎng)前景，從二十世紀(jì)下半年，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持穩(wěn)步增長(zhǎng)勢(shì)頭。在 2021 年的增長(zhǎng)率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的 20％。 隨著這現(xiàn)年各個(gè)國(guó)家以及企業(yè)的重視，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)不單單是在工業(yè)中起到作用，同時(shí)也在別的產(chǎn)業(yè)中扮演著重要的角色。如在毛坯制造（沖壓，鑄造，鍛造，機(jī)械加工，焊接），熱處理，表面涂層，裝卸，組裝，測(cè)試等操作，機(jī)器人已逐漸取代人的體力勞動(dòng)，可見，機(jī)器 8 人正在往越來(lái)越多的領(lǐng)域更深層次的工作進(jìn)軍。他的專利的主要是借助伺服控制技術(shù)控制機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作的示教，在當(dāng)時(shí)的機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。而在 1958年，被稱作為“工業(yè)機(jī)器人之父”的 Joseph Berger 創(chuàng)造了世界上第一個(gè)機(jī)器人公司，并參與設(shè)計(jì)了一臺(tái)用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，手臂的控制由一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)來(lái)完成。 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人，在 70年代初開始，經(jīng)過(guò) 20多年的發(fā)展，經(jīng)歷了 3 個(gè)階段：萌芽期的 70 年代， 80年代和 90 年代的工業(yè)機(jī)器人開始逐步走向?qū)嵱?。在月球上開始有人類的足跡，金星，火星也逐步開始實(shí)現(xiàn)軟著陸。全球工業(yè)機(jī)器人的熱潮，尤其是日本，發(fā)展非常迅速，但經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是日益增加同時(shí)也造成了勞動(dòng)力缺乏。 進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代后，隨著改革開放的不斷深入，在高科技浪潮的推動(dòng)下，我國(guó)對(duì)于機(jī)器人的人研究和開發(fā)逐步開始引起重視。在 1986 年，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃開始實(shí)施，記過(guò)各學(xué)者和專家的辛勤研究，成功制出了一批特種機(jī)器人。從市場(chǎng)占有率來(lái)說(shuō)，更無(wú)法相提并論。 目前我國(guó)機(jī)器人研究的主要內(nèi)容如下： （ 1）示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究： 這些研究包括：聯(lián)合式，側(cè)噴流，噴頂式，龍門噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)，具有靈活分析的噴涂機(jī)器人的研發(fā) ?；『笝C(jī)器人激光視覺焊縫跟蹤裝置的研制 。 （ 2）智能機(jī)器人開發(fā)研究： 9 這些 研究主要包括：遠(yuǎn)程和本地自治系統(tǒng)配置和控制策略的研究 。 （ 3）機(jī)器人化機(jī)械研究開發(fā)： 這些研究主要包括：并聯(lián)機(jī)器人，機(jī)器人化加工中心的研究和開發(fā) 。 （ 4）以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)： 這些研究主要包括開放式的模塊化機(jī)器人；面向機(jī)器人裝配設(shè)計(jì)技術(shù)，機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可重構(gòu)機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，裝配力，可視化技術(shù) 。 （ 5）多傳感器信息融合與配置技術(shù)： 這些研究主要包括：機(jī)器人傳感器配置和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過(guò)程控制和污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 。 研究?jī)?nèi)容 研究了國(guó)內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運(yùn) 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。 可以代替人的重復(fù)取工件的工作，不僅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度工人，提高了生產(chǎn)自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，確保產(chǎn) 品質(zhì)量和生產(chǎn)安全。 10 2 工業(yè)機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 機(jī)械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài) ,按坐標(biāo)形式大致可以分為 4 種： (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手： 這種機(jī)器人由三個(gè)線性關(guān)節(jié)組成，這三個(gè)關(guān)節(jié)用來(lái)確定末端操作器的位置，通常還帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，用來(lái)確定末端操作器的姿態(tài)。但是，它的操作范圍小，手臂收縮的同時(shí)又向相反的方向伸出，即妨礙工作，且戰(zhàn)地面積大，運(yùn)動(dòng)速度低，密封性不好。這種機(jī)器人可以圍繞中心軸的一個(gè)角落里，工作范圍可以擴(kuò)大，計(jì)算簡(jiǎn)單 。然而，它的手臂可以達(dá)到的空間是有限的，不能達(dá)到近立柱或地面空間； 11 直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防塵；后臂工作時(shí)，手臂后端會(huì)碰到 工作范圍內(nèi)的其他物體。 (3)球坐標(biāo) (極坐標(biāo) )型機(jī)械手： 球坐標(biāo)機(jī)器人采用球坐標(biāo)系，它用一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)確定部件的位置，再用一個(gè)附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)確定部件的姿態(tài)。但該坐標(biāo)復(fù)雜，難于控制，且直線驅(qū)動(dòng)裝置仍存在密封及工作死區(qū)的問(wèn)題。 (4)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型 /擬人型機(jī)械手： 關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作的傳動(dòng)型式。關(guān)節(jié)式機(jī)械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用。關(guān)節(jié)式機(jī)械手有大臂和小臂的擺動(dòng)，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)式機(jī)械手具有上肢結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)近似于人手操作的機(jī)能。 其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，定位精度較高 ,占地面積小，根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)不少于 3 個(gè)，擺角度不小于 90 度，所以擬定方案為最大擺動(dòng)角度為 90度的 3 自由度機(jī)械手，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型圖。底 部支座完成整個(gè)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，支柱完成機(jī)械手的升降運(yùn)動(dòng)，小手臂負(fù)責(zé)完成伸縮運(yùn)動(dòng)，手抓完成夾緊工件的運(yùn)動(dòng)。 （ 1） 液壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)力大、慣量大以及在惡劣的環(huán)境中工作的機(jī)械手。但它可能難實(shí)現(xiàn)伺服控制，大部分都用程序來(lái)控制機(jī)械手。 （ 3） 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：由于慣量低，扭矩大，交直流電機(jī)及其配套驅(qū)動(dòng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)中，它是驅(qū)動(dòng)中很廣泛的一種選擇。 （ 2）空氣的粘度非常小，在管道壓力損失，嚴(yán)重影響較小，從而有利于集中供氣和運(yùn)輸。 （ 4）可簡(jiǎn)單的進(jìn)行維護(hù)，管不容易堵塞，無(wú)介質(zhì)變質(zhì)，補(bǔ)充，更換和其他問(wèn)題。 （ 6）材料的選擇也是根據(jù)氣動(dòng)特有性質(zhì)來(lái)選擇，可在惡劣環(huán)境下（強(qiáng)烈振動(dòng)，沖擊，強(qiáng)輻射和強(qiáng)腐蝕）下正常工作。 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) 在選定圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案后，為了達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)所需要的要求， 在我的機(jī)械手設(shè)計(jì)中具有 3 個(gè)自由度既：手臂伸縮；手臂升降：手臂回轉(zhuǎn) 3 個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。 （ 2）臂部，采用直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂平動(dòng) 80mm。 （ 4）底 部采用回轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并可自鎖。 （ 5）定位方式：行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊 （ 6）驅(qū)動(dòng)方式：氣動(dòng)， PLC 控制 （ 7）定位精度： +— 3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手部設(shè)計(jì)基本要求 （ 1）應(yīng)該有合適的夾緊力的原動(dòng)力，手指握力（夾緊力的大小，應(yīng)適應(yīng)），用力過(guò)大，功耗會(huì)太浪費(fèi)，巨大的結(jié)構(gòu)，費(fèi)用較大，甚至?xí)p壞工件 。除了考慮工件的重量，在設(shè)定的握力，應(yīng)該考慮也可以傳送或過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的操作，以確保工件夾緊的安全。應(yīng)當(dāng)指出，由于傳動(dòng)比是不同的，在不同條件下一定的夾緊力，傳輸機(jī)制的驅(qū)動(dòng)力是不同的。 （ 3）應(yīng)保證內(nèi)部的手指夾緊精度，應(yīng)確保每個(gè)夾緊工件，手指精確的相對(duì)位置。 （ 4）要求具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高的優(yōu)點(diǎn)。 （ 5）應(yīng)考慮為一般和特殊要求。作為替代，甚至更換整只手的手指等。 典型的手部結(jié)構(gòu) （ 1）回轉(zhuǎn)型包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 （ 3）平面平移型。常用的工業(yè)機(jī)械手手部 ,按握持工件的原理 ,分為夾持和吸附兩大類。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式 手指 ,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。 手抓的力學(xué)分析 下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿圖 （ a）為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 由 0Fx?? 得 12FF? 由 0Fy?? 得 1 139。F Fn h?? (31) nF nF 1O 2O 1F1F 2F F 139。 根據(jù)計(jì)算分析，在驅(qū)動(dòng)力 F 不變時(shí)， ? 角增加，則握力 Fn 同時(shí)會(huì)增加，但 ? 角度太大會(huì)產(chǎn)生拉桿行程過(guò)大的后果，還將導(dǎo)致手部結(jié)構(gòu)變大，因此最好 ? =30176。 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 機(jī)械手手抓對(duì)于工件的夾鉗力，是設(shè)計(jì)機(jī)械手手部的重要依據(jù)。對(duì)于一般的機(jī)械手手抓來(lái)說(shuō)，手抓抓取工件時(shí)需要克服工件自身重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)慣性力產(chǎn)生的載荷，以保持可靠的工件夾緊狀態(tài)。 K2 可近似按式 35估算： 21aK g?? (35) 式中： a──運(yùn)載工件時(shí)向著重力方向上升最大的加速度， g──重力加速度，g≈ 178。 K3──方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同 。機(jī)械手打到最高響應(yīng)時(shí)間為 。根據(jù)實(shí)際情況初定： （ 1）所以求出夾緊力為： 1 1 .50 .1 / 0 .52 1 1 .0 29 .81 .5 1 .0 2 0 .5 7 .8 9 9 .8KKFn?? ? ?? ? ? ? ? ?∴ （ ） （ 2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式： 得 22 1 5 0= c o s 3 0 ? 5 9 .2 = 2 6 6 .450FN? ??計(jì) 算 （ 3）傳動(dòng)效率取η = ∴ = 0. 85 = 22 6. 4F F N?實(shí) 際 計(jì) 算 氣缸類型的選擇 22=d4FP? ? ?π∵ 實(shí) 際 （ D ） 工作壓力 P 取 氣缸計(jì)算公式為： 04=pFD π (37) 所以 524 2 2 6 . 4= = 2 9 . 1 11 0 1 0 . 3D m m?? ? ?π （ ） 根據(jù)見表 31 以及《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中缸型標(biāo)準(zhǔn)，選取缸徑為 40mm。 氣缸缸筒承受壓縮空氣的壓力，其壁厚可按薄壁公式計(jì)算： 2[ ]Py D? ??? (38) 式中： ? 缸筒壁厚， Py 實(shí)驗(yàn)?zāi)蛪毫Γ? x 工作壓力， []? 缸筒材料抗壓強(qiáng)度，鑄鋼取 []? =100~110Mpa。 （ 2）氣壓缸行程 S 的計(jì)算 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》氣壓缸行程參數(shù)系列，再根據(jù)機(jī)械手外行設(shè)計(jì)尺寸的要求選用小手臂伸縮液壓缸行程 S=25mm。 手爪的夾持誤差分析與計(jì)算 機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定的位置，不僅取決于機(jī)械手定位精度，而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。1mm 就可以了。它的作用是支持的手（包括工件或工具）和手腕，并推動(dòng)他們同時(shí)做空間運(yùn)動(dòng)。本章敘述手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處，將在下一章敘述。為完成各種運(yùn)動(dòng)的手臂通常使用驅(qū)動(dòng)機(jī)制和傳輸機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，從手臂的受力分析，手腕，手是直接作用力在手臂上的，并且手臂自己也經(jīng)常需要完成運(yùn)動(dòng)。 伸縮手臂的設(shè)計(jì)要求 機(jī)械手的手臂基本要求應(yīng)該是擁有較大承受能力，剛性好，重量輕。以機(jī)械手臂部作為一個(gè)例子，一般的結(jié)構(gòu)正在越來(lái)越多地采用懸臂梁形式，然而伸縮臂懸長(zhǎng)度增加，剛度降低并且其伸縮臂的剛度會(huì)不斷的改變。為了提高剛度，除了盡可能地延長(zhǎng)手臂長(zhǎng)度縮短，是要注意以下幾個(gè)方面。顯然，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼，槽鋼工字鋼和慣性矩是比較大的。這不僅提高了手臂的剛度，同時(shí)也大大降低了手臂的重量，并可以用中空的內(nèi)部裝有驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊，外形整齊。以及支座與底板的連接剛度等方面考慮外，特別注意提高配合面間的 接觸剛度。 （ 4）注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 在設(shè)計(jì)臂部時(shí)，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理確定調(diào)整補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以減少重要部件的間隙，從而提高剛度。提高活塞和缸體內(nèi)徑配合精度，以提高手臂前伸時(shí)的剛度。在一般情況下，手臂的移動(dòng)和回轉(zhuǎn)，俯仰均要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求起動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。