工業(yè)機械手概述

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1、第1章緒論 1.1前言 所謂機械手是指用于再現(xiàn)人手的功能的技術(shù)裝置。 機械手是模仿著人手的部 分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。 在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為工業(yè)機械手。 工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)， 并已成為現(xiàn)代機械制 造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分， 這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的 學(xué)科一一機械手工程。機械手涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技 術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。 工業(yè)機械手也 是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的

2、特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作 業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。 機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力， 在國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展 空間。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識： 其一、它能部分的 代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置 來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配， 從而大 大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械 化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和 應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有

3、放射性和污染的場合，應(yīng)用的 更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè) 的重視3。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器， 他有多個自由 度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制 成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作， 適用范圍比較廣的“程序控制通用機 械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序， 適應(yīng)性較強， 所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 1.2工業(yè)機械手的簡史 現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制

4、方式、 能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化 產(chǎn)品41 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。他的結(jié)構(gòu)是： 機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂， 端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)， 控制系統(tǒng)是示教型的。 1962 年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(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)仿造坦克炮塔， 臂回轉(zhuǎn)、 俯仰，用液壓驅(qū)動； 控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。 不少球坐標(biāo)式通用機械手就是 在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司 （ Unimaton）, 專門生產(chǎn)工業(yè)機

5、械手。 1962 年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫 Versatran 機械手，原意是靈 活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū) 動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。 雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初， 但都是國 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-Vic-arm 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)， 定位誤差可小于 1 毫米。 美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如 Unimate 公司建立了 8 年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準(zhǔn)

6、備把故障前平均時間 （注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。 它給出在第一次故障前 的平均運行時間），由 400 小時提高到 1500 小時，精度可提高到 0.1 毫米。 德國機器制造業(yè)是從 1970 年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和 設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國 KuKa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。 瑞士 RETAB^司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進二種 典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道， 1979 年從事機械

7、手的研究工 作的大專院校、研究單位多達(dá) 50多個。 1976 年個大學(xué)和國家研究部門用在機械 手的研究費用 42%。 1979 年日本機械手的產(chǎn)值達(dá) 443 億日元，產(chǎn)量為 14535 臺。 其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá) 222 億日元，是 1978 年的二倍。具有記 憶功能的機械手產(chǎn)值約為 67 億日元，比 1978 年增長 50%。智能機械手約為 17 億日元，為 1978 年的 6 倍。截止 1979 年，機械手累計產(chǎn)量達(dá) 56900臺。在數(shù)量 上已占世界首位，約占70%并以每年50%-60%勺速度增長。使用機械手最多的 是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到 1990 年將有 55

8、 萬機器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。 它設(shè)有微型電子計算機控制系統(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。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。 第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務(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（Flexible Manufacturing system）和柔性制造單元（Flexible Manufacturing Cell）中重要 一環(huán)。 隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十 分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)

9、交流活動開展很多。 1.3工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。 機械手可以完成許 多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛 廣泛5。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。 各行各業(yè)的自動化 水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難 以完成的或者危險的工作。可在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是 連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有 75淞小批量生產(chǎn)；金屬 加工生產(chǎn)批量中有四分之三在 50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零 件生產(chǎn)時間的5%從這里可以看出，裝卸、搬運等

10、工序機械化的迫切性，工業(yè) 機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。 目前在我國機械手常用于完成的 工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序； 機 械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。 本文以能 夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象。 下面具體說明機械手在工業(yè)方面的應(yīng) 用。 1.3.1建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動線 一般都采用機械手在機床之間傳遞零件。 國內(nèi)這類生產(chǎn)線很多，如沈陽永泵 廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機廠的4號和5號電動機加工自 動線（軸類），上海拖拉機廠的齒坯自動線（盤類）等。 加工箱體類零件的組

11、合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用 機械手的，如上海動力機廠的氣蓋加工自動線轉(zhuǎn)位機械手。 132實現(xiàn)單機自動化方面 各類半自動車床，有自動加緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，單仍需人 工上下料；裝上機械手，可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，一人看管多臺機床。目前，機械 手在這方面應(yīng)用很多，如上海柴油機廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機械手， 大連第二車床廠的自動循環(huán)液壓仿行車床機械手， 沈陽第三機床廠的丫38滾齒機 械手，青海第二機床廠的滾銑花鍵機床機械手等。 由于這方面的使用已有成功的 經(jīng)驗，國內(nèi)一些機床廠已在這類產(chǎn)品出廠是就附上機械手， 或為用戶安裝機械手 提供條件。如上海第二汽

12、車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機械手 （生產(chǎn)線中有兩臺多 工位機床）和天津二注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機 械手的自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)。目前機械手在沖床上應(yīng)用有兩個方 面：一是160t以上的沖床用機械手的較多。如沈陽低壓開關(guān)廠200t環(huán)類沖床磁 力起重器殼體下料機械手和天京拖拉機廠 400t沖床的下料機械手等；其一是用 于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進輕局技術(shù)研究所制作的 120t和40t多工 位沖床機械手等。 1.3.3 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面 模鍛方面，國內(nèi)大批量生產(chǎn)的3t、5t、10t模鍛錘，其所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩 只機械手成一定角度布置早爐前，

13、實現(xiàn)進出料自動化。上海柴油機廠、北京內(nèi)燃 機廠、洛陽拖拉機廠等已有較成熟的經(jīng)驗。 1.4機械手的組成 工業(yè)的機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成 組成6L 1.4.1執(zhí)行機構(gòu) （1） 手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型， 因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種； 也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤 （主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板 零件）和電磁吸盤。傳力機構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、 楔塊杠桿式、齒輪齒條平行連桿式、內(nèi)撐連桿式、右絲杠螺母式、彈簧式和重力 式。 （2） 腕部 是連接手部和臂部的

14、部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以 擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強。手腕有獨立的自 由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上 下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可 以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。 目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊 湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?270 0）, 并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn) 定的輸出扭距。 因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下， 采用齒條傳動或鏈輪以及輪系 結(jié)構(gòu)。 （3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕

15、部和手 部（包括工作或夾具） ，并帶動他們做空間運動。 臂部運動的目的： 把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。 如果改變手部的姿 態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度 才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。 手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu) （如液壓缸或者氣缸） 和各種傳動機構(gòu)來實 現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷， 而且自身運動較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重 大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。 （4）行走機構(gòu) 有的工業(yè)機械手帶有行走機構(gòu)，我國的正處于仿真階段。 1

16、.4.2 驅(qū)動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。 根據(jù)動力源的不同 , 工業(yè)機械手的 驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、 氣動、 電動和機械驅(qū)動等四類。 采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機 械手, 結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便、可獲得較大的輸出功率、液體 不可壓縮，壓力、流量易于控制，反應(yīng)靈敏、控位精確等優(yōu)秀特點。 1.4.3 控制系統(tǒng)分類 在機械手的控制上， 有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。 大多數(shù)用插銷板進行 點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁 帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 1.5 工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢 （1） 工業(yè)機械

17、手性能不斷提高 （高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 ） ， 而單機價格不斷下降， 平均單機價格從 91年的10.3萬美元降至 97年的6.5萬美元。 （2） 機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速 機、檢測系統(tǒng)三位一體化 : 由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機 ; 國外已有模塊化裝 配機器人產(chǎn)品問市。 (3) 工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、 網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高， 控制柜日見小巧， 且采用模塊化結(jié)構(gòu) : 大大提高了系統(tǒng) 的可靠性、易操作性和可維修性。 (4) 機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速

18、度、加速度等 傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采 用視覺、聲覺、 力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制多 傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制如 使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6) 當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作 者與機器人的人機交互控制， 即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系 統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納” 機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名

19、實例。 (7) 機器人化機械開始興起。從 94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種 新型裝置已成為國際研究的熱點之一， 紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。 我國的 工業(yè)機器人從 80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步， 在國家的支持下， 通過“七五”、 “八五”科技攻關(guān)， 目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、 控制系統(tǒng) 硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件， 開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人 ; 其中有 130多臺套噴漆機器人在 二十余家企業(yè)的近 30條自動噴漆生產(chǎn)線 (站)上獲得規(guī)模應(yīng)用， 弧焊機器人己應(yīng)用 在汽車制造廠的焊裝線上。 但總的來看， 我

20、國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的 水平和國外比還有一定的距離， 如: 可靠性低于國外產(chǎn)品 :機器人應(yīng)用工程起步較 晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距 ; 在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝 的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是 沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求， “一客戶，一 次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本 也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)， 對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃， 搞好系列化、 通用化、模塊化設(shè)計， 積極推進產(chǎn)業(yè)化進程 . 我國的智能機器人和特種機器人在“

21、863”計劃的支持下，也取得了不少成果。 其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平， 還開發(fā)出直接遙控機器人、 雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、 爬壁機器人、 管道機器人等機 種: 在機器人視覺、 力覺、 觸覺、 聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作， 有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。 但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、 遙控加局部自主系統(tǒng) 遙控機器人、 智能裝配機器人、 機器人化機械等的開發(fā)用方面則剛剛起步， 與國 外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成 系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之 中M0。 1.6本文主要研究內(nèi)容 本文研究了國內(nèi)外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀， 通過學(xué)習(xí)機械手的工作原理，熟悉了 組合機床自動上料液壓機械手的運動機理。 在此基礎(chǔ)上，確定了組合機床自動上 料液壓機械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對組合機床自動上料液壓機械手的運動進行了簡 單的力學(xué)模型分析，完成了自動上下料機械手的控制系統(tǒng)、 液壓系統(tǒng)和機械手機 械方面的設(shè)計工作（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）的設(shè)計工作。 1.7本章小結(jié) 本章簡要的介紹了機械手的基本概念、 發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)域。在機械手的組 成上，系統(tǒng)的從執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)以及控制部分三個方面說明。 比較細(xì)致的介 紹了機械手的發(fā)展趨勢，簡要的敘述了本文研究的內(nèi)容。