工业机械手

摘 要随着机械智能化的发展,由工业机器人具体操作本机、控制器、检测传感器及伺服驱动系统,这是一个仿人的操作系统,能够自动的控制、可以重复的编程、三维空间内,系统的完成各种各样的作业,也就是一项极高的机电一体化自动化生产设备.市场上,为满足实际生产生活的需要,它有许多种品种,由于它性能好,可以提高产品质量、效率,积极改善劳动环境,在实际应用中正发挥着巨大的作用.本文选取机械手的设计原则、组成、分类等方面,具体阐述机械手的设计过程.

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工业生产中所应用的机械手,我们称之为“工业机械手”.在生产中,应用机械手能够极大地提高工厂机械生产效率,可以代替人从事高危环境的工作,减少工人的劳动量、劳动强度,有着非常重大的意义.对此,工业机械手被广泛应用在各行各业中,发挥着巨大的作用.常规性的机械手结构比较简单,同时专业性强,比较适合专业操作环境.尤其,近些年来,我国的工业技术有着非常大的发展,对工业机械手应用的依赖性逐渐增大.

一、机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成.

(一)执行机构

执行机构一般包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的还增设行走机构.

一是手部：即与物件接触的部件.由于与物件接触的形式不同,可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构.夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成.手指是与物件直接接触的构件,常用的手指运动形式有回转型和平移型.回转型手指结构简单,制造容易,故应用较广泛.平移型应用较少,其原因是结构比较复杂,但平移型手指夹持圆形零件时,工件直径变化不影响其轴心的位置,因此适宜夹持直径变化范围大的工件.手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸.常用的指形有平面的、V形面的和曲面的：手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等.而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务.传力机构型式较多时常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等.

二是手腕：是连接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓取物件的方位.

三是手臂：手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件.手臂的作用是带动手指去抓取物件,并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合,以实现手臂的各种运动.

四是立柱：立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系.机械手的立因工作需要,有时也可作横向移动,即称为可移式立柱.

五是行走机构：当工业机械手需要完成较远距离的操作,或扩大使用范围时,可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构,以实现工业机械手的整机运动.滚轮式布为有轨的和无轨的两种.驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置.6、机座：机座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上,故起支撑和连接的作用.

(二)驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成.常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动.控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统.目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成.控制系统有电气控制和射流控制两种,它支配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间）,同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号.

(三)控制系统

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统.目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成.控制系统有电气控制和射流控制两种,它支配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间）,同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号.

二、机械手的分类

工业机械手的种类很多,关于分类的问题,目前在国内尚无统一的分类标准,在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类.

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种：一是专用机械手,它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置.专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点,适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手,如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心.二是通用机械手,它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手.在性能范围内,其动作程序是可变的,通过调整可在不同场合使用,驱动系统和控制系统是独立的.通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强,适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产.通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种：简易型以“开一关”式控制定位,只能是点位控制,伺服型可以是点位的,也可以实现连续控制,伺服型具有伺服系统定位控制系统,一般的伺服型通用机械手属于数控类型.

一般包括液压传动机械手、气压传动机械手,具体为：一是液压传动机械手,是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手.其主要特点是：抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏.但对密封装置要求严格,不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温、低温下工作.若机械手采用电液伺服驱动系统,可实现连续轨迹控制,使机械手的通用性扩大,但是电液伺服阀的制造精度高,油液过滤要求严格,成本高.二是,气压传动机械手.是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手.其主要特点是：介质极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低.但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,冲击大,而且气源压力较低,抓重一般在30公斤以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作.

按控制方式划分,有点位控制与连续轨迹控制：一是点位控制,它的运动为空间点到点之间的移动,只能控制运动过程中几个点的位置,不能控制其运动轨迹.若欲控制的点数多,则必然增加电气控制系统的复杂性.目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类.二是连续轨迹控制.它的运动轨迹为空间的任意连续曲线,其特点是设定点为无限的,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳和准确的运动,并且使用范围广,但电气控制系统复杂.这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制.