【正文】 .............................................31 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................32 致 謝 .......................................................................................................33 4 5 前言 機(jī)械手是 能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。 機(jī)器人三維運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)在機(jī)器人的研究與應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。 本文對機(jī)器人的產(chǎn)生發(fā)展及前景展望進(jìn)行分析， 主要利用 CATIA 對機(jī)械手設(shè)計(jì)并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，介紹了基于 CATIA設(shè)計(jì)三維零件的操作方法及運(yùn)動(dòng)分析插件 cosmosmotion 基本功能。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸形成一門新興的學(xué)科。 從而大大地改善工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。尤其在高溫、高壓、粉塵、嗓音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。 焊接機(jī)器人的發(fā)展 國外焊接機(jī)器人的發(fā)展 焊接機(jī)器人是近十年來迅速發(fā)展起來的智能機(jī)器目前不少焊接機(jī)器人不僅具有“ 示教再現(xiàn)” 功能 , 而且在實(shí)際焊接過程中能自動(dòng)對準(zhǔn)焊縫 , 焊接大量不同空間位置的焊縫。近年來 , 由于焊接機(jī)器人造價(jià)迅速降低和功能不斷完善 ,它已成為國際市場上供不應(yīng)求的“ 熱門貨”。日本從 1978年開始研制點(diǎn)焊機(jī)器 6 人 ,1980年研制成功第一個(gè)弧焊機(jī)器人， 1981年日本生產(chǎn)了 1500個(gè)焊接機(jī)器人 , 產(chǎn)值達(dá)到 145億日元 , 由日本工業(yè)機(jī)器人的第六位躍居為第二位目前有 10家工廠具有年產(chǎn) 1000多個(gè)焊接機(jī)器人的能力為日本發(fā)展和普及焊接機(jī)器人 ,于 1982年成立了全國機(jī)器人焊接研究委員會(huì)。 1984年豐田汽車公司己在其作業(yè)線上安排了 1300個(gè)機(jī)器人 , 今年又將引進(jìn) 300個(gè)晝夜工作的機(jī)器人。 目前世界上已有七十多種數(shù)萬個(gè)焊接機(jī)器人在各種生產(chǎn)線上從事焊接操作。 國內(nèi)焊接機(jī)器人研究的歷史及現(xiàn)狀 我國自上世紀(jì) 70 年代末開始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長足的發(fā)展，對國民經(jīng)濟(jì)尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。這對于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動(dòng)化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國勞動(dòng)力成本的低廉，制造業(yè)自動(dòng)化水平以及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程度的提高受到限制。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人的價(jià)格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動(dòng)力成本不斷上升，我國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競爭力，這一切預(yù)示著機(jī)器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。我國使用焊接機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)的企業(yè)已有幾百家 , 全國安裝的焊接機(jī)器人已超過千臺套 , 主要集中在汽車、摩托車和工程機(jī) 械個(gè)重要行業(yè)并且 90%以上屬于 5 或 6 軸關(guān)節(jié)式機(jī)器人。開發(fā)出了適用性強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作簡便、工藝結(jié)構(gòu)性良好、經(jīng)濟(jì)高效的系列裝備生產(chǎn)線 , 在機(jī)器人弧焊、點(diǎn)焊系 統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和應(yīng)用工程的實(shí)施上 , 積累了豐富的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)。解決了國內(nèi)眾多企業(yè)生產(chǎn)裝備技術(shù)難題 , 提升了在國際舞 7 臺上的抗衡能力 , 為中國企業(yè)的騰飛乃至民族工業(yè)的發(fā)展起到了推波助瀾的作用。公司還與國際眾多知名的機(jī)器人自動(dòng)化企業(yè)建立了緊密的商業(yè)合作伙伴關(guān)系 , 緊緊圍繞客戶需求 , 公司把國外先進(jìn)的機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)、產(chǎn)品與自身強(qiáng)大的研發(fā)設(shè)計(jì)能力、先進(jìn)的技術(shù)裝備與完善的服務(wù)體系進(jìn)行完美整合 , 充分發(fā)揮各自的技術(shù)和資源優(yōu)勢 , 為客戶提供完整的技術(shù)解決方案和交鑰匙工程。 隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和企業(yè)對自動(dòng)化水平要求的不斷提高 , 將為焊接機(jī)器人市場的快速增長提供一個(gè)良好的平臺 , 也將為新松公司機(jī)器人應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的拓展帶來前所未有的機(jī)遇。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢看 , 焊接機(jī)器人不斷向智能化方向發(fā)展 , 完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中機(jī)器人的群體協(xié)調(diào)和集成控制 , 從而達(dá)到更高的可靠性和安全性。焊接機(jī)器人生產(chǎn)線更加要求高度自動(dòng)化 , 廣泛采用 6自由度的機(jī)器人 , 且機(jī)器人具有焊鉗儲(chǔ)存庫 , 可根據(jù)焊裝部位的不同要求或焊裝產(chǎn)品的變更 , 自動(dòng)從儲(chǔ)存庫抓換所需焊鉗。對未來大量采用焊接機(jī)器人的生產(chǎn)企業(yè) , 在高技術(shù)、高質(zhì)量、低成本條件下必將獲得高速發(fā)展 , 真正實(shí)現(xiàn)與國際接軌 ,也必將為民族工業(yè)的發(fā)展帶來新的生機(jī)。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 手部安裝在手臂的前端。 機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。可根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。 手臂有無關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確地定位。 軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。其中以液壓、氣動(dòng)用的最多，占 90％ 以上；電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。它利用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，利用擺動(dòng)油缸、油馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。缺點(diǎn)是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。一般采用 4~6 個(gè)大氣壓，個(gè)別的達(dá)到 8~10 個(gè)大氣壓。缺點(diǎn)是出力小，體積大。 為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖減震機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電機(jī)作為動(dòng)力，用大減速比減速器來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直線運(yùn)動(dòng)則用電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu) 。通 用機(jī)械手則考慮采用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一型式的動(dòng)力，出力比較大，缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。成本低，缺點(diǎn)是不易于調(diào)整。 機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占 90%以上。它首先要編制程序加以存貯，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。分離存貯是將各種控制因素的信息分別存貯于兩種以上的存貯裝置中，如順序信息存貯于插銷 .飯、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi)，位置信息存貯于時(shí)間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等。這種方式適用于順序、位置、時(shí)間、速度等必須同時(shí)控制的場合，即連續(xù)控制的情況下使用。更復(fù)雜的機(jī)械手則采用數(shù) 字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。它裝有許多凸輪，每一凸輪分配給一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)一周便完成一個(gè)工作循環(huán)。換一種程序只需抽換一種插銷板就可，而同 9 一插件又可以反復(fù)使用。穿孔卡的信息容量有限，但便于更換、保存、可重復(fù)使用。范于選擇那一種控制元件，則根據(jù)動(dòng)作的復(fù)雜程度和精確程度來確定。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)，如用來抓取和傳送工件。 （ 2）通用機(jī)械手 通用機(jī)械手是在專用機(jī)械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它是一種能獨(dú)立工作的自動(dòng)化裝置。 通用機(jī)械手又分 簡易型、示教再現(xiàn)型和智能機(jī)械手、操縱式機(jī)械手等幾種。 2 示教再現(xiàn)型通用機(jī)械手，先由人操縱機(jī)械手完成必要的動(dòng)作，由磁帶或磁鼓加以記錄存貯，然后根據(jù)存貯的信息進(jìn)行動(dòng)作。 3 智能機(jī)械手具有較高的判斷能力，它以光敏元件模擬人的“眼睛”，以聲敏元件模擬人的“耳朵”，以熱電偶和電阻應(yīng)變儀模擬人的“皮膚”的冷熱感覺和觸覺，以電子計(jì)算機(jī)模擬人的“大腦”。 4 操縱式機(jī)械手在人的操縱之下完成多種復(fù)雜動(dòng)作，其內(nèi)容可根據(jù)需要隨時(shí)改變。其特點(diǎn)是適合于人不宜進(jìn)入的環(huán)境中工作，如海底資源開發(fā)，宇宙空間探索，以及危險(xiǎn)的工作地區(qū)。 按控制型式分類 （ 1）點(diǎn)位控制型機(jī)械手 點(diǎn)位控制型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡是空間二個(gè)點(diǎn)之間的聯(lián)接。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡單。 （ 2）連續(xù)軌跡控 制型機(jī)械手 這種機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡是空間的任意連續(xù)曲線。工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜?，F(xiàn)簡述如下 : 直角坐標(biāo)式機(jī)械手 直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適合于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。 如在 X、 Y、 Z 三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向上各具有 A、 B、 C 三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。 缺點(diǎn)是這種機(jī)械手作業(yè)范圍較小。具有直觀性好，結(jié) 構(gòu)簡單，本體占用的空間較小，而動(dòng)作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。它的工作范圍可分為 :一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 (2)手臂伸縮 。 (4)手臂回轉(zhuǎn)動(dòng)作 。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒，手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂可做上下直線運(yùn)動(dòng)（ Z）和在水平面內(nèi) 做圓弧狀的左右擺動(dòng) (Ф )。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動(dòng)作比較靈活，適于在狹窄空間工作。 11 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)。為具有近似人手操作的機(jī)能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用哪一種型式，主要根據(jù)工件的輕重來決定。特別是靠近關(guān)節(jié)式前端關(guān)節(jié)部分的重量對肩部影響很大。因此，傳動(dòng)效率很低。 以上三種基本型式的機(jī)械手各有特點(diǎn)，但在基本尺寸相同的情況下，如當(dāng)手臂長度和機(jī)體高度相等時(shí)，應(yīng)比較哪一種機(jī)械手能達(dá)到的動(dòng)作范圍為最大，以便于在工作中加以有效的利用。在計(jì)算機(jī)輔助下進(jìn)行機(jī)械零件的設(shè)計(jì)、校核，并進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真己經(jīng)逐漸成為機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。在設(shè)計(jì)完