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黃河科技學院畢業(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
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設(shè)計制造及其自動化
學生姓名
武迪
指導教師
楊漢嵩
學號
080105505
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。應用機械手可以代替人從事單調(diào)、重復或繁重的體力勞動，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、應用
前言
隨著科學與技術(shù)的發(fā)展, 機械手的應用領(lǐng)域也不斷擴大.目前, 機械手不僅應用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦,冶金,石油,化學,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)療康復等服務業(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用的典型。機械手廣泛應用于各行各業(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，麻省理工學院聯(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。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. 按運動坐標型式分類：
（1）直角坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸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） 圓柱坐標式機械手 手臂可以沿直角坐標軸的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）球坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸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格的空間限制，能構(gòu)成其它方法難以組成的復雜驅(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，標準化、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、浪費能源的嚴重問題，一方面有背于當今制造業(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)展和應用。隨著科學技術(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用研究上，都得到了持續(xù)穩(wěn)定地復蘇和發(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、機械手的應用意義及發(fā)展趨勢
3.1 機械手應用意義
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)濟實力和科學技術(shù)水平的重要標志。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，生產(chǎn)水平及科學技術(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?，F(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。機械手的應用很好的解決了這一情況，它不存在重復的偶然失誤，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，在應用專用機械手的同時，相應的發(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，運行速度可以達到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達到6軸，負載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 重復高精度
精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度, 它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復精度是指如果動作重復多次, 機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要, 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, 這個誤差是可以預測的, 因此可以通過編程予以校正。重復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,機械手的重復精度將越來越高, 它的應用領(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用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應用范圍, 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)濟實力和科學技術(shù)水平的重要標志。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?，F(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。機械手的應用和好的解決了這種情況，他不存在重復的偶然失誤，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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