现代工业机械手设计

《现代工业机械手设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代工业机械手设计（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、摘要工业机械手是模仿人的动作，按给定的程序、轨迹和要求来实现自动抓举，实现了一定的搬运 工件或是操作工具的自动机械装置，它是按照设计给定的程序要求来实现自动抓举，这些主要都是 应用在了现代的工业生产上面。工业机器人具有多种多样的功能，有的是多用的现代工业机械手， 有的是专用的，是用来搬运材料、零件、工具，再编程序的多功能的机械手，或通过不同程序的调 用来完成各种工作任务的特殊的装置，提高生产的自动化的水平，和劳动的生产率。生产中应用机 械手或机械人可以用来保证产品的质量，可以减轻劳动强度，实现安全生产，尤其是在高温、高 压、低温、潮湿、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣环境中，代替人进行的正常

2、的工作，意义 是非常的重大的，因此应用得越来越的广泛。随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，机器人的应用领域 逐步从汽车拓展到其它领域。在各种类型的机器人中，模拟人体手臂而构成的关节型机器人，具有 结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点，是应用最为广泛的机器人之一。尤其由柔性关节组成 的柔性仿生机器人在服务机器人及康复机器人领域中的应用和需求越来越突出。关键词： 机械手 自由度 可编程控制器 PLC1.绪论：1.1 工业机械手的定义 机器人是多们学科技技术的综合的产物，而且随着人类的进步，机器人也在不断 的去发展和完善。在科学界，科学家一般都会给每一个科技术语一个统

3、一的明确的定 义，但是到今天为止，虽然机器人早在几十年前就发明出来了，但是到现在，人们对 机器人的定义依然是没有统一的意见1。工业机械手是最初的机器人的邹型，是人类最早发明的最早的现代机器人。它能 模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操 作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作 以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持 工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有 多种结构形式，如夹持型、托持型和

4、吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆 动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的 升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置 和方位的物体，需有 6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机 械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由 度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收 传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等 微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。1.2执行机构机械手的执行机构分为手部、手臂、

5、躯干；1.2.1手部 手部安装在手臂的前端。手臂的内孔中装有传动轴，可把运用传给手腕，以转 动、伸曲手腕、开闭手指。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3种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最 多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和大小的夹头以适应操作的需要。所 谓没有手指的手部，一般都是指真空吸盘或磁性吸盘。1.2.2手臂 手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需的位置上。为了使机械手 能够正确地工作，手臂的 3 个自由度都要精确地定位。1.2.3躯干躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。1.3 驱动机构 机械手所用的驱动机

6、构主要有4种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱 动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。1.3.1液压驱动式液压驱动式机械手通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组 成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能力（高达 几百千克以上），其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，但液压 元件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。1.3.2气压驱动式 其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、动作迅 速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举 能力较低。1.3.3电气驱动式电力驱

7、动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方 便，响应快，驱动力较大（关节型的持重已达400kg）,信号检测、传动、处理方便， 并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机（AC）为 主要的驱动方式。由于电机速度高，通常须采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮 传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。有些机械手已开始采用无减速机构的大转 矩、低转速电机进行直接驱动（DD）这既可使机构简化，又可提高控制精度。1.3.4 机械驱动式 机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特 点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。其他还有采用混

8、合驱动， 即液-气或电-液混合驱动。1.4控制系统 机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度 等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存 储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作程序的存储方式有分离存储和集中 存储两种。分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存储装置中，如 顺序信息存储于插销板、凸轮转鼓、穿孔带内；位置信息存储于时间继电器、定速回 转鼓等；集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存储装置内，如磁带、磁 鼓等。这种方式使用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控

9、制的场合，即连续控制的情况下使用。其中插销板使用于需要迅速改变程序的场合。换一种程序只需抽换一种插销板限 可，而同一插件又可以反复使用；穿孔带容纳的程序长度可不受限制，但如果发生错 误时就要全部更换；穿孔卡的信息容量有限，但便于更换、保存，可重复使用；磁蕊 和磁鼓仅适用于存储容量较大的场合。至于选择哪一种控制元件，则根据动作的复杂 程序和精确程序来确定。对动作复杂的机械手，采用求教再现型控制系统。更复杂的 机械手采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。控制系统以插销板用 的最多，其次是凸轮转鼓。它装有许多凸轮，每一个凸轮分配给一个运动轴，转鼓运 动一周便完成一个循环。1.5分类机械手

10、的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按 适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制 和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸 和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需 要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。 机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条 件。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第一台机械 手。多关节机械手的优点是:动作灵活、运动惯性小、通用

11、性强、能抓取靠近机座的工 件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作 .随着生产的需要，对多关节手臂 的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的 概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而 根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。2. 历史与前景21 历史它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于 20世纪中期， 随着计算机和自动化技术的发展，特别是 1946 年第一台数字电子计算机问世以来，计 算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产 的迫切需

12、求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核 能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于 1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。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第一台机械 手，它的结构是；机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系 统是示教形的。随着计算机和自动控制技术的迅速发展,农业机械将进入高度自动化和 智能化时期，机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量,改善劳动条件,解决 劳动力不足等问题。机械手首先是从美国开始研制的。 现代机械手的优势是可以减省 工人

13、、提高效率、降低成本、提高产品品质、安全性好、提升工厂形象。多关节机械手的优点是:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工 件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂 的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的 概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而 根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。22 应用前景随着网络技巧的发展，机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。工业机械手 是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一 个

14、重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼 有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种 环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。2.2.1 市场需求机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过 程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域 内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更 好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有 能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点

15、， 因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。我国塑料机械已 成为机械制造业发展最快的行业之一，年需求量在不断的加大。我国塑料机械产业的 高速发展主要有以下两个大因素：一是对高技术含量装备的需求所带来的设备更新及 陈旧设备的淘汰;二是海内塑料加工产业的高速发展，对塑料机械的需求旺盛。2.2.2、应用领域2.2.2.1、业制造领域主要让机器人在机械制造业中代替人完成大批量、高质量要求的工作，如汽车制 造、舰船制造及某些家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机）的制造等。化工等行业自 动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工 作，也有部分是由机器人完成的。

16、2.2.2.1、军事领域主要让机器人执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些相对较为危险的任 务，比如，无人侦察机、拆除炸弹的机器人及扫雷机器人等。机器人还可以代替士兵 去完成那些不太复杂的工程及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从 事更加重要的工作。2.2.2.2 娱乐领域机器人在娱乐领域的应用十分广泛，比如，机器人足球大赛、机器人弹钢琴和机 器人宠物等。2.2.2.3 医疗领域机器人主要用来辅助护士进行一些日常的工作，比如，帮助医生运送用药品及自 动监测病房内的空气质量，等等。宜用机器人还可以协助医生完成一些难度较高的手 术，例如，眼部手术、脑部手术等。美国还发明了一种可以进入人体血管的微型机器 人，帮助医生在病人的血管内灭杀病毒。2.3、意义近 20 年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广 泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自