小型夾持式機械手及手臂設(shè)計
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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(文獻綜述) 第 8 頁
畢業(yè)設(shè)計
文獻綜述
院（系）名稱
工學(xué)院機械系
專業(yè)名稱
機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生姓名
指導(dǎo)教師
學(xué)號
2012年 03 月 10 日
機械手設(shè)計
摘要：機械手是一種模擬人手操作的自動機械。它可按固定程序抓取、搬運物件或操持工具完成某些特定操作。應(yīng)用機械手可以代替人從事單調(diào)、重復(fù)或繁重的體力勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動條件，保證人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
關(guān)鍵詞 ：夾持、機械手、手臂、發(fā)展、原理、應(yīng)用
前言
隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展, 機械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大.目前, 機械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦,冶金,石油,化學(xué),船舶等領(lǐng)域,同時也已開始擴大到核能,航空,航天,醫(yī)藥,生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔,醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中.如,水下機器人,拋光機器人,打毛刺機器人,擦玻璃機器人,高壓線作業(yè)機器人,服裝裁剪機器人,制衣機器人,管道機器人等特種機器人以及掃雷機器人,作戰(zhàn)機器人,偵察機器人,哨兵機器人,排雷機器人,布雷機器人等軍用機器人都是機械手應(yīng)用的典型。機械手廣泛應(yīng)用于各行各業(yè).而且,隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩,未來各種專業(yè)服務(wù)機器人和家庭用消費機器人將不斷貼近人類生活,其市場將繁榮興旺。
一、機械手的歷史
它是在早期出現(xiàn)的古代機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進展，又為機器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手。
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年，美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機械手，是后來國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
目前，機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)節(jié)。
二、機械手的組成分類及驅(qū)動
2.1 機械手的組成
一般來說，機械手主要有以下幾部分組成：
1.手部(或稱抓取機構(gòu)) 包括手指、傳力機構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用。
2.傳送機構(gòu)（或稱臂部） 包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用。
3.驅(qū)動部分 它是前兩部分的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓氣壓電力和機四種驅(qū)動形式。
4.控制部分 它是機械手動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序（程序）、位置和時間（甚至速度與加速度）等。
5.其它部分 如機體、行走機構(gòu)、行程檢測裝置和傳感裝置等。
2.2 機械手的分類
機械手從使用范圍、運動坐標(biāo)形式、驅(qū)動方式以及臂力大小四個方面的分類分別為：
1. 按使用范圍分類：
（1）專用機械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產(chǎn)線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機械手”、“曲拐自動車床機械手”、“油泵凸輪軸自動線機械手”等等。這種機械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。
（2）通用機械手 指具有可變程序和單獨驅(qū)動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機器，而且能自動完成傳送物件或操作某些工其的機械裝置。通用機械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。
2. 按運動坐標(biāo)型式分類：
（1）直角坐標(biāo)式機械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動)、左右移動(定為沿Y方向的移動)和上下升降(定為沿Z方向的移動)；
（2） 圓柱坐標(biāo)式機械手 手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X和Z方向移動，又可繞Z軸轉(zhuǎn)動(定為繞Z軸轉(zhuǎn)動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動；
（3）球坐標(biāo)式機械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X方向移動，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動)、上下擺動(定為繞Y軸擺動)和左右轉(zhuǎn)動(仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動)；
（4）多關(guān)節(jié)式機械手 這種機械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機體的連接(肩部)均為關(guān)節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動。
3. 按驅(qū)動方式分類：
（1）液壓驅(qū)動機械手 以壓力油進行驅(qū)動；
（2）氣壓驅(qū)動機械手 以壓縮空氣進行驅(qū)動；
（3）電力驅(qū)動機械手 直接用電動機進行驅(qū)動；
（4）機械驅(qū)動機械手 是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構(gòu)等傳遞給機械手的一種驅(qū)動方式。
4. 按機械手的臂力大小分類：
（1）微型機械手 臂力小于1㎏；
（2）小型機械手 臂力為1－10㎏；
（3）中型機械手 臂力為10－30㎏；
（4）大型機械手 臂力大于30㎏。
2.3 機械手的驅(qū)動
如前所述，機械手有四種驅(qū)動方式，而當(dāng)中的液壓與氣壓跟機械和電力相比，具有以下優(yōu)點：
1. 空間布局安裝不受嚴(yán)格的空間限制，能構(gòu)成其它方法難以組成的復(fù)雜驅(qū)動系統(tǒng)。
2．液壓與氣壓驅(qū)動傳遞的運動均勻平穩(wěn)，易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向。
3. 操作控制方便，省力，易于實現(xiàn)自動控制、中遠(yuǎn)距離控制、過載保護。與電氣控制、電子控制結(jié)合，易于實現(xiàn)自動工作循環(huán)和自動過載保護。
4. 液壓與氣壓元件屬機械工業(yè)基礎(chǔ)件，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化程度較高，有利于縮短設(shè)計、制造和降低制造成本。
基于以上幾點，液壓與氣壓驅(qū)動在生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。液壓與氣壓作為機械手的兩種常見驅(qū)動方式，其發(fā)展也對機械手的應(yīng)用具有一定的促進作用。液壓與氣壓都是以流體（液壓油液或壓縮空氣）為工作介質(zhì)進行能量傳遞和控制的。液壓的優(yōu)點是單位質(zhì)量輸出功率大，因為液壓傳動的動力元件可以采用很高的壓力（一般可達(dá)32MPa,個別場合更高），因此，在同等輸出功率下具有體積小、質(zhì)量輕、運動慣性小、動態(tài)性能好的特點。而氣壓傳動的突出優(yōu)點是：介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且起源壓力較低，因此，氣壓機械手抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以一般適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。相比之下，液壓一般用于低速，重載和低污染的環(huán)境下。
眾所周知，液壓驅(qū)動多年來一直以礦物型液壓油為工作介質(zhì)，然而油壓存在著污染環(huán)境、易燃燒、浪費能源的嚴(yán)重問題，一方面有背于當(dāng)今制造業(yè)環(huán)保、節(jié)能的發(fā)展方向，另一方面在一定程度上限制了液壓技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和人類環(huán)保、能源危機意識的提高，除了繼續(xù)使用高水基液作為液壓介質(zhì)外，促使人們重新認(rèn)識和研究以純水(不含任何添加劑的天然水(含海水和淡水))作為工作介質(zhì)的“綠色”液壓技術(shù)一純水液壓傳動技術(shù)，并在近20年來使其不論在理論上還是在應(yīng)用研究上，都得到了持續(xù)穩(wěn)定地復(fù)蘇和發(fā)展。
純水液壓傳動具有無污染危害，阻染性與安全性好、溫升小，介質(zhì)經(jīng)濟性好，維護監(jiān)測成本較低，黏度對溫度變化不敏感，壓力損失小，發(fā)熱小，傳動效率高，流量穩(wěn)定性好，系統(tǒng)的剛性大等技術(shù)優(yōu)勢。雖然純水液壓傳動還存在泄漏與磨損、氣蝕、液壓沖擊、振動和噪聲、材料腐蝕與老化等技術(shù)難題，但隨著新工藝、新材料以及新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，終將會得以解決。未來，預(yù)計純水液壓將會是主要的發(fā)展熱點和方向。
三、機械手的應(yīng)用意義及發(fā)展趨勢
3.1 機械手應(yīng)用意義
機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一(張志獻，2002)。新世紀(jì)，生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展。現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴(yán)重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機械手的應(yīng)用很好的解決了這一情況，它不存在重復(fù)的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故。
在機械工業(yè)中，機械手的應(yīng)用具有以下意義：
3.1.1. 可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度
應(yīng)用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。
3.1.2. 可以改善勞動條件、避免人身事故
在高 溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。同時，在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
3.1.3.可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
應(yīng)用 機 械 手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上目前幾乎都設(shè)有機械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。
3.2 機械手的發(fā)展趨勢
目前國內(nèi)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。
國外機械手在機械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械數(shù)的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。
目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達(dá)到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。
集中體現(xiàn)到一下三個方面。
3.2.1 重復(fù)高精度
精度是指機器人、機械手到達(dá)指定點的精確程度, 它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次, 機械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要, 如果一個機器人定位不夠精確, 通常會顯示一個固定的誤差, 這個誤差是可以預(yù)測的, 因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,機械手的重復(fù)精度將越來越高, 它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
3.2.2 模塊化
有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置, 使機械手運動自如。模塊化機械手使同一機械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應(yīng)用范圍, 是機械手的一個重要的發(fā)展方向。
3.3 .3 機電一體化
由“可編程序控制器- 傳感器- 液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件, 使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復(fù)合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。
總結(jié)
機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是很亮國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展。現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序連接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動遷都非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴(yán)重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機械手的應(yīng)用和好的解決了這種情況，他不存在重復(fù)的偶然失誤，也能有效避免了人身事故。
綜上所述，隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩,未來各種專業(yè)服務(wù)機器人和家庭用消費機器人將不斷貼近人類生活,其市場將繁榮興旺。
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