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 學科一一機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、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)等科學領(lǐng)域，是一門跨學科綜合技術(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、麻省理工學院聯(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

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 50多個。 1976 年個大學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 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 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 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，國際性學術(shù)交流活動十 分活躍，歐美各國和其他國家學術(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?？稍跈C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，便于標準化、 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)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6) 當代遙控機器人系統(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， 通過學習機械手的工作原理，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。