【正文】 king, the last described the robot39。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，而工業(yè)機(jī)器人的高速研制更是促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好的實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力量大的特點(diǎn)。2．工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用與意義機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手在鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)例，尤其是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍，在其他部門如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等也均有所應(yīng)用。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手相結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適用于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，使加工系統(tǒng)或制造單元結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)性更強(qiáng)。綜上所述，在機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：(1)提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度。(2)改善勞動(dòng)條件，避免人身事故。在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(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。機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可直接減少人力，同時(shí)由于機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這也是減少人力的一種體現(xiàn)。目前我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)將直接影響到我國自動(dòng)化生產(chǎn)水平，從經(jīng)濟(jì)與技術(shù)方面考慮都十分必要。（二）機(jī)械手的組成和分類1．機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置組成。手部，即與物件接觸的部件。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)構(gòu)成。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸，手指有外夾式和內(nèi)撐式，常用的指形有平面、V形面和曲面，指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。立柱是支撐手臂的部件，它也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安裝行走機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。(2)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，由調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。(3)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配機(jī)械手按規(guī)定要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間等)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。2．機(jī)械手的分類工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。專用機(jī)械手是附屬于主機(jī)的，具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手是一種具有獨(dú)立控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手，在性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用。通用機(jī)械手按其控制定位方式的不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種，簡(jiǎn)易型以“開—關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制；伺服型具有伺服定位控制系統(tǒng)，可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液體的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，則可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。其主要特點(diǎn)是介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，缺點(diǎn)是由于空氣具有可壓縮的特性，所以機(jī)械手工作速率的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30kg以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適合在高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中工作。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。電力傳動(dòng)機(jī)械手是由特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快、行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。(3)按控制方式分，機(jī)械手可分為點(diǎn)位控制機(jī)械手和連續(xù)控制機(jī)械手兩種。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然使電氣控制系統(tǒng)變的越加復(fù)雜。連續(xù)軌跡控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制?，F(xiàn)代機(jī)械手的研究始于20世紀(jì)中期。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。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(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手，商名為Unimate（即萬能自動(dòng)）。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機(jī)械手，是后來國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1mm。近六十年發(fā)展起來的機(jī)械手，大致經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)代。2．工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展方向目前，國內(nèi)的機(jī)械手發(fā)展迅速，歸結(jié)起來，大都朝著高精度、模塊化、節(jié)能化和機(jī)電一體化這四個(gè)方向發(fā)展。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)次數(shù)多，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)械手來測(cè)定。(2)模塊化有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械手稱為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)，用構(gòu)造特殊、自潤(rùn)滑材料制造的無潤(rùn)滑元件組成的機(jī)械手，不僅節(jié)省潤(rùn)滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)。節(jié)省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡(jiǎn)單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，如今電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在不斷增大，由PLC直接控制線圈也變得越來越可能。此種機(jī)械手的研究重點(diǎn)是視覺功能和觸覺功能，目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。工作時(shí)電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后傳輸給計(jì)算機(jī)，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(jī)械手進(jìn)行工作。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工件，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(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小的目的。二、機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案（一）機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度，主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)械手有可能達(dá)到很高的位置精度（um級(jí)）。直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。2．圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但精度不是很高。4．關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)械手。由于本機(jī)械手在工作時(shí)手臂具有伸縮、橫移和升降運(yùn)動(dòng)，符合直角坐標(biāo)形式，因此，采用直角座標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)。(1)楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。這種手爪開合行程較大，適合抓取大小不同的物體。(4)齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。本機(jī)械手采用的是連桿杠桿式手爪。機(jī)械手手腕自由度數(shù)目越多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度越大，則機(jī)械手腕部的靈活性越高，機(jī)械手對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也越強(qiáng)。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少，一般機(jī)械手手腕的自由度數(shù)為2至3個(gè)，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)械手手腕不需要自由度，僅憑手臂和腰部的運(yùn)動(dòng)就能完成作業(yè)任務(wù)，所以要具體問題具體分析，考慮機(jī)械手的多種布局和運(yùn)動(dòng)方案，選擇滿足要求的最簡(jiǎn)單的方案。為了減輕機(jī)械手腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用分離傳動(dòng)。(3)機(jī)械手手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。(5)要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。機(jī)械手的手臂運(yùn)動(dòng)，給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置，而安裝在機(jī)械手手臂末端的手腕，則給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)?？紤]到機(jī)械手的優(yōu)化，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕不設(shè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仍可滿足工作的要求。在進(jìn)行機(jī)械手手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則；(1)應(yīng)盡可能使機(jī)械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行，相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)械手的控制。工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。(3)為了提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)和材料上減輕手臂的重量。目前在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)械手手臂。目前比較有效的辦法仍然是進(jìn)行機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)械手手臂的重量。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有可靠的便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。在設(shè)計(jì)機(jī)械手的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)械手上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)械手手臂上的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為50mm來設(shè)計(jì)，結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)節(jié)。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：(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、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，適合于在承載能力大，慣量大的環(huán)境下工作的機(jī)械手。工作時(shí)受溫度變化影響較大。因液壓脈動(dòng)和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活，但大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。但因?yàn)檫@類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此在機(jī)械手中也被廣泛的使用。氣壓傳動(dòng)工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器且介質(zhì)清潔，管道不易堵，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題。在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。能源可儲(chǔ)存。工作環(huán)境適應(yīng)性好。成本低廉。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)伺服控制較困難，所以多用于程序控制的機(jī)械手中，如在上、下料和沖壓機(jī)械手中應(yīng)用較多。因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下) [2]。設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機(jī)械手的用途、作業(yè)要求、性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功耗、性價(jià)比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。一般情況下：物料搬運(yùn)（包括上下料）使用有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)械手，重負(fù)荷的選擇液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。用于點(diǎn)焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)械手，要求具有點(diǎn)位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。點(diǎn)焊、弧焊機(jī)械手多采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手為多工位沖床上下料機(jī)械手，抓重為5kg，屬于輕負(fù)荷，且氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉，故應(yīng)選擇氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這類機(jī)械手多是圓柱坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型或二者的組合型結(jié)構(gòu)；35個(gè)自由度；負(fù)荷在200N以下；速度3001000mm/s；。在易燃、易爆的場(chǎng)合下可采用氣動(dòng)邏輯元件組成控制裝置。(1)氣源由壓縮空氣站提供。如果沒有壓縮空氣站，可以按機(jī)械手及其配套的其他氣動(dòng)設(shè)備的需要，配置相應(yīng)供氣量的氣源設(shè)備。不論是由壓縮空氣站供氣還是用單獨(dú)的氣源供氣，氣動(dòng)三聯(lián)件是必備的。(3)氣動(dòng)閥氣動(dòng)閥的種類很多，在工業(yè)機(jī)械手的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，常用的閥件有電磁氣閥、節(jié)流調(diào)速閥、減壓閥等。直線氣缸分單動(dòng)式和雙動(dòng)式兩類，除個(gè)別用單動(dòng)式氣缸外（如手爪機(jī)構(gòu)上用的），多數(shù)采用雙動(dòng)氣缸。氣缸的結(jié)構(gòu)形式以及與機(jī)械手機(jī)構(gòu)的連接方式（如法蘭連接，尾部鉸接，前端或中間鉸接，氣缸桿的螺紋連接或鉸接等）由設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而定。為了確保氣缸的密封要求，同時(shí)又要盡量降低摩擦力，密封材料要選用橡膠和氟化塑料組合的密封環(huán)。除了直線氣缸外，機(jī)械手中用得比較多還有有限角擺動(dòng)氣缸，這種擺動(dòng)缸多用于手腕機(jī)構(gòu)上。如果以1m/s的速度計(jì)算，電磁氣閥以較大關(guān)閉時(shí)間70ms計(jì)，那么氣缸活塞兩個(gè)停點(diǎn)的距離約為70m