【正文】 ???? 4 第 1 章 緒論 機(jī)械手概述 機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按照給定程序、軌跡和要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)的自動(dòng)機(jī)械裝置。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，在機(jī)械加 工、沖壓、鍛、鑄、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO 對(duì)機(jī)器人的定義 :“機(jī)器人是一種能自動(dòng)定位、可控的可編程的多功能操作機(jī)。” 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) NBS 對(duì)機(jī)器人的定義 :“一種可編程，并在自動(dòng)化控制下執(zhí)行某種特定操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置?！彼址譃橐韵聝煞N情況來(lái)定義 : 1 工業(yè)機(jī)器人 :“一種能執(zhí)行與人的上肢類似動(dòng)作的多功能機(jī)器?！? 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類。如自動(dòng)生產(chǎn)線上的上料機(jī)械手，自動(dòng)換刀機(jī)械手，裝配焊接機(jī)械手等裝置。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小 PLC 的硬件結(jié)構(gòu)主要分單元式和模塊式兩種。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺(jué)裝置。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。 圖 12 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系 機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。 機(jī)械手的發(fā)展 工業(yè)機(jī)械手是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來(lái)的，始于 40 年代的美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的搬運(yùn)核原料的遙控機(jī)械操作手研究，它是一種主從型的控制系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的； 1962 年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上，又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手，命名為 Unimate 即萬(wàn)能自動(dòng) 。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978 年美國(guó) Unimate 公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種 UnimationVicarm 型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于177。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從 1970 年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械手，主要用 于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)；聯(lián)邦德國(guó) Kuka 公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)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(jī)器人發(fā)展最快，應(yīng)用國(guó)家最多的國(guó)家，自 1969 年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后，開(kāi)始大力從事機(jī)械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機(jī)械手 機(jī)器人 應(yīng)用最多的國(guó)家之一。 我國(guó)工業(yè)機(jī)械手的研究與開(kāi)發(fā)始于 20 世紀(jì) 70 年代。從第七個(gè)五年 計(jì)劃 19861990 開(kāi)始，我國(guó)政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入的大量的資金，研究開(kāi)發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器等等。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手 或第一代機(jī)械手 發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍；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，研制出示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元 相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。 自由度及關(guān)節(jié) 圖 1 該機(jī)器人具有四個(gè)自由度 ，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；還有一個(gè)用于夾持物料的機(jī)械手。為保證機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用兩塊“ Z”字形實(shí)心鑄鐵作支撐。接線盒子外面，有一個(gè)引入線出口和一個(gè)引出線出口。有上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的動(dòng)作由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)缸由相應(yīng)的電磁閥來(lái)控制，電磁閥由 PLC 控制。圖 為機(jī)械手簡(jiǎn)圖 ,其中 1豎直氣缸， 2執(zhí)行氣爪， 3工件，4水平氣缸， 5旋轉(zhuǎn)軸， 6支架， 7底座。機(jī)械手的動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制，整個(gè)機(jī)械手在工作中能實(shí)現(xiàn)上升 /下降、左傳 /右轉(zhuǎn)、夾緊 /放松功能，是目前較為簡(jiǎn)單的、應(yīng)用比較廣泛的一種機(jī)械手。轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)軸承、動(dòng)工作行程為 ~180176。 圖 23 機(jī)械手簡(jiǎn)圖 圖 23 中工件所處位置為原點(diǎn)位置，根據(jù)課題設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求：機(jī)械手初始位置在原點(diǎn)位置，每次循環(huán)動(dòng)作都從原點(diǎn)位置開(kāi)始，完成上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作方式 圖 231 機(jī)械手工作流程圖 可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)要求功能需要如下條件： 1 底座與橫梁之間需要旋轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動(dòng)由電機(jī)來(lái)完成，普通電 機(jī)轉(zhuǎn)速較高，需要考慮安裝減速機(jī)，在這種頻繁啟動(dòng)制動(dòng)的場(chǎng)合下，選用低速電機(jī)會(huì)更方便。課題任務(wù)也未作橫梁要求，但在實(shí)際應(yīng)用中，可能出現(xiàn)工作臺(tái)距離調(diào)整的情況，為增加機(jī)械手的通用性，本設(shè)計(jì)中在橫梁上安裝了執(zhí)行氣缸，可使用手動(dòng)按鈕調(diào)整橫梁長(zhǎng)度。 4 抓緊機(jī)構(gòu)也可選用氣動(dòng)執(zhí)行爪和執(zhí)行氣缸并用組成 氣動(dòng)執(zhí)行模塊。 根據(jù)以上分析，機(jī)械構(gòu)造方案基本固定。 機(jī)械手的控制要求 機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作，自動(dòng)操作又分為單周期操作和連續(xù)操作方式。在工作中若按停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完成 1 個(gè)周期的動(dòng)作后，回到原點(diǎn)自動(dòng)停止。 ② 加緊工件：當(dāng)機(jī)械手加緊到位時(shí)，壓力繼電器動(dòng)合觸電閉合，接通上升電磁閥線圈。 ④ 右移：當(dāng)機(jī)械手上升到位時(shí)，機(jī)械手開(kāi)始右移，右移到位時(shí)，碰到有極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止右移，同時(shí)接通下降電磁閥線圈。 ⑥ 放松工件：放松動(dòng)作為時(shí)間控 制，設(shè)為 2 秒。 ⑧ 左移：機(jī)械手上升到位后，開(kāi)始左移，左移到位時(shí)，碰到左極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止左移。 機(jī)械手的手動(dòng)運(yùn)行 （ 2）手動(dòng)運(yùn)行是指機(jī)械手的上升