缝纫机针摆动机械手设计

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1、 1 缝纫机针摆动机械手设计 绪 论 工业机械手是一种新型的自动化操作装置。它可以根据作业的要求，按照预先确定 的程序搬运物体、装卸零件以及操持喷枪、焊把等工具去完成一定的作业。因此它可在 繁重、高温和多粉尘等劳动条件较差的作业中，部分地代替人工操作。 工业机械手首先在机床上应用是作为设备的一个附属装置，用以上下料。随着 电子技术的发展已逐步成为一个独立的自动化装置，并扩大应用到铸造、加工、焊接、 组装和喷漆等作业中。机械制造工业中笨重的体力劳动作业较多，迫切需要进行技术改 造。而机械手的研制和应用将是改善生产劳动条件，提高产品质量和效率的有效手段之 一。也是新技术革命的主要内容。 这次的设计

2、便是为了更快速的作业。而在缝纫机针抛光自动线上，用机械手来代替 手工抛光的操作，缝纫机针在各摆动机械手指间，根据抛光工艺过程，依次调头、传递 并进行抛光作业。通过摆动机械手在抛光自动线上的摆动，手臂回转、手腕回转与夹持 运动来完成缝纫机针的上下料运动，以达到抛光作业的目的。 2 1 工业机械手的简介 1.1 什么是工业机械手 工业机械手是一种能按给定的程序或要求,自动地完成物件(如材料，工件，零件或 工具等)传送或操作作业的机械装置,它能部分地代替人的手工劳动.较高级型式的机械 手,还能模拟人的手臂动作,完成较复杂的作业.在工业生产中出现的矛盾促使采用新的技 术设备，即操作机（操作工具） 。机

3、器，特别是机床的装卸，操作过程之间工件的传送， 工件的储存和取出，焊接，锻造，压制，喷漆和其它许多工艺操作过程等，这些表面看 来程序不复杂，通常不需要有特别技能的工人，但却要由人的手和手臂结合运动过程操 作。 工业机械手是自动控制领域中出现的一项新技术， 并已成为现代机械制造生产系统 中的一个重要的组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门新兴的学科机械手 工程。从以济方面看，工业机械手能够提高生产率，保证产品质量，降低废品率，提高 基本装置的载荷能力。从技术方面看，操作机的使用与小批量生产中增长的产品质量及 自动化生产有关。在大批生产者中自动化程度最高，在成批或小批量生产中自动化程度 次之，

4、例如数控机床，在辅助操作时自动化程度最差。 1.2 工业机械手的发展简史 机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出了第一台机械 手。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统 是示教型的。 1962 年美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械 手。商名为 Unimate（即万能自动） 。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩， 用液压驱动；控制系统用磁鼓作存贮装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上 发展起来的。 同年该公司和普鲁曼公司合并成立了万能自动公司， 专门生产工业机械手。 1962 年美国机械铸造

5、公司也实验成功一种叫 Versatrar 机械手，愿意为灵活搬运。 该机械手的中央立柱可以回转；臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也 3 是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基 础。 1978 年美 国 Unimate 公司和斯坦 福大 学、 麻省理工学 院联合研制一 种 UnimateionVicarm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定 位误差可小于1 毫米。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美 国引进两种典型的机械手后，大力从事机械手的研究。目前，日本的机械手产量占世界 首位。在日本使用机

6、械手最多的是汽车行业，其次是电机、电器。工业机械手分为三代。 第一代为：主要依靠人工控制，控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要 是降低成本和提高精度。第二代机械手设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉 能力，甚至听，想的能力；研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有 感觉机能。第三代机械手则能独立地完成工作过程的任务。它与电子计算机和电视设备 保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环。随着 工业机械手（机器人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各 国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机械手会议 IS

7、IR 决定每年召开一次会 议， 讨论和研究机械手的发展和应用问题。 现在专用机械手以过几十年的发展,如今已进 入以通用机械手为标志的时代.由于通用机械手的应用和发展,进而促进了智能机器人的 研制.智能机器人涉及的知识内容,不仅包括一般的机械,液压,气动等基础知识,而且还应 用一些电子技术,电视技术,通讯技术,计算技术,无线电控制,仿生学和假肢工艺等,因此它 是一项综合性较强的新技术.目前国内外对发展这一技术革新都有很重视。 几十年来，这 项技术革新的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用 领域在不断地扩大。 早在四十年代， 随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第

8、一代机械手。 五十六十年代即制成了传送和装卸工伯的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种 机械手也称第二代机械手。 一九六八一九七 0 年，又相继把通用机械手用于汽车身的点焊和冲压生产自动线 上，亦即使第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。七十年机械手可以说是处于技术 发展阶段。根据部分统计，机械手的大致情况如下： 目前圆柱坐标式的较多；插销板或凸轮程序的较多；机械式手指抓取方式的较多； 存贮步数为 1049 的较多；液压驱动的较多；臂力小于 30 公斤的较多；手臂 4 个自由 度的较多；作业空间为 110 米立方的较多；线速度小于 1000 毫米/秒的较多 ；角速度 4 小于 180 度/秒

9、的较多；定位精度小于 3 毫米的较多。从控制方式来看，点位控制占 90% 左右，而连续轨迹控制占 10%左右。国外自一九七 0 年以来， 已召开过几次国际机械 手会议（几乎每年召开一次） 。有的国家（如日本）还成立了机器人协会。 机械工业中，应用机械手的主要目的，一是解决生产过程自动化，二是改善劳动条 件，降低劳动强度，提高劳动生产率和降低产品成本。因此要求机械手成本低，品种多 样化，零件，部件系列化，通用化，标准化，性能稳定可靠。 (1) 降低机械手的成本 为了扩大机械手的使用范围，必须降低机械手的成本。据统计，机械手电气控制装 置所占成本的比重较大。如六十年代有的机械手其电控装置的成本占全

10、部成本的 75%， 现在已下降到 35%。 (2) 品种多样化 为了适应不同工作的需要， 就使机械手的品种多样化， 用机械手代替更多的人的手 工劳动，进而实现生产过程的自动化。特别是那些工作比较单一，重复性很大而工作条 件又较差和劳动量较大的工种（如热加工） ，更就注意设计和使用各种类型的机械手。 (3) 零件，部件系列化，通用化，标准化，为了加速扩大机械手的应用领域，应尽 量缩短其设计和制造的周期。这样， 就要求机械手的某种零件（如手指的指型等） ，部 件（如手部，臂间等） ，系列化，通用化，标准化。然后，即可根据具体工作的需要， 将这些零件，部件（或再相应地增加一些其它零件，部件）进行组合

11、，组成所需要的机 械手。当然，这样的机械手还应保证组合 方便，一旦工作变更时，就能迅速而顺利地 生新组合。 (4) 产品性能应准确可靠 机械手重要技术指标之一，就是其性能应稳定可靠。可此，要求设计合理，元件稳 定，制造精确。 目前，在国外广泛应用的“再现式”通用机械手，虽然一般也都具有记忆装置，但 其程序都是预先编好的，或在其工作之前由人，领动一次，而后机械手即可按领动的工 作内容自行正确地完成再现协作。如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的 话，那么现在处于研制阶段的智能机器人就是第三代了。 1.3 工业机械手的应用简况及应用的意义 在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主

12、题。程控机床、数控机 5 床、加工中心等自动化机械有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但是还有 大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的 全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产的批量中有四分之三在 50 件以 下，零件真正在机床上加工时间仅占零件生产时间的 5%。从这里可看出，装卸、搬运 等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。从一些资 料上可见：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用 的对象还会有所变化。 下面是在国内机械工业应用机械手的简况， 以及国外机械工业发展和应用简况。

13、一： 热加工方面的应用，机械手在铸造、熔炼方面的应用，国内已研制成功压铸机上下料机 械手，上下箱、合箱、浇注机械手，以及铸件表面清理机械手等。有些工厂还将机械手 和造型机配合组成铸造生产自动线，彻底改变了铸造生产的面貌。国外对电炉炼钢过程 中采用机械手进行大量的研究。二：冷加工方面，冷加工机械手主要用于柴油机配件以 及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具的安装等。进而在程序控制、 数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应 用，成为机床、设备上下工序联接的重要手段。国内机械工业、铁路工业中首先在单机、 专机上采用机械手上下料，减轻工人劳动强度。如在

14、轴类、螺栓、气阀等零件的加工机 床上配置了机械手，代替人工上下料。在三通阀体、轴瓦、平斜铁、柴油机摇臂加工自 动线上采用单臂、双臂圆柱式机械手，成为联接工序、运送工件的重要设备。并在连杆 粗加工自动线上采用数控机械手，这样它不仅担负自动线上机床工件的装卸、运输，并 能发出指令指挥全线工作。三：拆装修方面，拆装修是铁路工业系统繁重体力劳动较多 的部门之一，促进了机械手的发展。 现今随着科学技术的发展,机械手也越来越多地被应用.在机械工业中,铸,锻,焊,铆, 冲压,热处理,机械加工,装配,检验,喷漆,电镀等工和都有应用于的实例.其它部门,如轻工 业,建筑业,国防工业等工作中也均有所应用. 在机械工

15、业中,应用机械手的意义可以概括如下: （1）可以提高生产过程的自动化程度. 应用机械手,有利于实现材料的传送,装卸,刀具的更换以及机器的装配等的自动化 程度,从而可以提高劳动生产率和降低生产成本. （2）可以改善劳动条件,避免人身事故. 在高温,高压,低温,低压,有灰尘,噪声,臭味,有放射性或有其它毒性污染以及工作空 6 间狭窄等场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能的.而应用机械手即可部分或全 部人替人安全地完成作业,使劳动条件得以改善. 在一些简单,重复,特别是较笨重的操作中,以机械手人代替人手进行工作,可以避免 由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故. （3）可以减少人力,并便于有节奏地

16、生产 就用机械手代替人手进行工作, 这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械 手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面.因此,在自动化机床和综合加工自动线上, 目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产. 综上所述,有效地应用机械手, 是发展机械工业的必然趋势. 7 2 机械手的组成、分类 2.1 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动机构、控制系统三大部分组成。 2.1.1 执行机构 执行机构包括手部，腕部，臂部，立柱，和基体等构件组成: (1) 手部（或称抓取机构）手部是夹持工件的构件。它由手爪和夹紧装置两 部分组成。手爪有夹紧和松开动作。夹持式手爪的形式与人的手指相仿。主要起抓取和 放置物件的作用。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关 节三种，手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。 (2) 腕部是联接手部和臂部的构件，起支撑手部的作用。它可以有俯仰，左右 摆动和回转三个运动。特殊情况可以