淺談機(jī)械手及其應(yīng)用與發(fā)展概況

1、淺談機(jī)械手及其應(yīng)用與發(fā)展前景摘要： 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化，自動(dòng)化已經(jīng)成為突出的主題。而有效地應(yīng)用機(jī)械手，則是發(fā)展機(jī)械行業(yè)的必然趨勢(shì)。本文將在介紹機(jī)械手結(jié)構(gòu)組成及工作原理的基礎(chǔ)上，概述其應(yīng)用及發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：機(jī)械手組成及原理；機(jī)械手應(yīng)用；發(fā)展前景0 前言隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化及自動(dòng)化水平的提升是一個(gè)必然的方向。而機(jī)械手憑借其自身顯著的特點(diǎn)，例如：應(yīng)用機(jī)械手可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件，避免人身事故的發(fā)生，在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、和有放射性以及毒性污染的惡劣環(huán)境中，應(yīng)用機(jī)械手可以部分或全部地替代人來(lái)安全地完成作業(yè)，有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)等

2、。機(jī)械手在機(jī)械加工行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且其有效應(yīng)用大大提高了生產(chǎn)效率，可節(jié)省勞動(dòng)力成本達(dá)50%以上。1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)組成及其工作原理機(jī)械手是一種能按給定的程序或要求，自動(dòng)地完成物件（如材料、工件、零件或工具等）傳送或操作作業(yè)的機(jī)械裝置，它能部分地替代人的手工勞動(dòng)。較高級(jí)形式的機(jī)械手，還能模擬人的手臂動(dòng)作，完成較復(fù)雜的作業(yè)。機(jī)械手主要由抓取機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)部分、控制機(jī)構(gòu)以及行程檢測(cè)裝置、傳感裝置等部分組成。其各部分之間的相互關(guān)系如下圖1所示。驅(qū)動(dòng)部分傳送機(jī)構(gòu)控制部分行程檢測(cè)裝置抓取機(jī)構(gòu)傳感裝置被傳送物件圖1 機(jī)械手的組成及其相互關(guān)系 機(jī)械手的各部分機(jī)構(gòu)有著明確的分工與密切的合作，這之中，

3、（1）抓取機(jī)構(gòu)主要起抓取和放置物件的作用，它包括了手指與傳力機(jī)構(gòu)等；（2）傳送機(jī)構(gòu)可以改變物件的方位；而（3）驅(qū)動(dòng)部分則是負(fù)責(zé)為（1）、（2）兩機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，常用的有液壓、氣壓、電力和機(jī)械式驅(qū)動(dòng)等形式；（4）控制部分是機(jī)械手動(dòng)作的指揮系統(tǒng)，由它來(lái)控制動(dòng)作的順序、位置、時(shí)間等。（5）對(duì)機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)行程進(jìn)行檢測(cè)和控制；（6）傳感裝置中裝了某種傳感器，是手指具有敏感性和自控性，用于檢測(cè)物件與（1）接觸情況以及物件是否滑落等。機(jī)械手按照其適用范圍可以分為專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩類(lèi)，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本較低，適用于動(dòng)作比較簡(jiǎn)單的大批量生產(chǎn)場(chǎng)合。而后者則因?yàn)槌绦蚩勺円约熬哂袉为?dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)對(duì)

4、物件的傳送以及某些工件的操作、且采用了圓柱坐標(biāo)和球坐標(biāo)相結(jié)合的形式，與專(zhuān)用機(jī)械手相比，通用機(jī)械手作用范圍擴(kuò)大，占據(jù)了一定的優(yōu)勢(shì)。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式有四種，即液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)以及機(jī)械驅(qū)動(dòng)，其中，電力驅(qū)動(dòng)采用較少，而機(jī)械驅(qū)動(dòng)則一般用于簡(jiǎn)易機(jī)械手，因此，液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)方式占據(jù)了較大比例。氣壓驅(qū)動(dòng)有著相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、壓縮氣源空氣易得到、造價(jià)較低、能達(dá)到較高速度，而氣動(dòng)元件的生產(chǎn)與應(yīng)用也在逐步擴(kuò)大。液壓驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)響應(yīng)快，且重量輕、體積小、動(dòng)作平穩(wěn)、有著良好的控制性能、能在極低的速度下輸出較大的力，并且由于液壓元件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化得以實(shí)現(xiàn)，使液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造變得比較方便。本文以

5、四自由度液壓驅(qū)動(dòng)通用機(jī)械手為例，對(duì)機(jī)械手的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。如下圖2所示，即為該種液壓通用機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理圖。1手臂上下升降油缸 2手臂上下擺動(dòng)油缸 3手臂左右轉(zhuǎn)動(dòng)油缸 4手臂上下擺動(dòng)機(jī)械反饋裝置 5防塵罩 6手腕回轉(zhuǎn)及手指握緊油缸7手臂前后伸縮機(jī)械反饋裝置 8手臂前后伸縮油缸 9手臂上下擺動(dòng)回轉(zhuǎn)油缸10手腕上下擺動(dòng)機(jī)械反饋裝置 11電氣控制裝置 12液壓裝置 圖2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理圖在該種機(jī)械手中，主要可以歸為機(jī)械、液壓、電氣控制系統(tǒng)等三個(gè)部分。機(jī)械部分包括手部、驅(qū)動(dòng)及傳送機(jī)構(gòu)、位置反饋裝置和機(jī)體等，如圖2所示，機(jī)械手的手臂前后伸縮、上下升降、左右轉(zhuǎn)動(dòng)、上下擺動(dòng)分別由直線油缸（8）、直線油

6、缸（1）、回轉(zhuǎn)油缸（3）、以及鉸接直線油缸（4）帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于機(jī)械手的手腕上下擺動(dòng)則是由回轉(zhuǎn)油缸（9）帶動(dòng)與該部分結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的齒輪，再通過(guò)鏈條將運(yùn)動(dòng)傳送到手腕擺動(dòng)軸（圖中未畫(huà)出）來(lái)實(shí)現(xiàn)。而機(jī)械手的手指握緊部分通過(guò)杠桿手指和單向作用式握緊油缸（6）的配合來(lái)輸出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。上述各個(gè)油缸的控制是通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)隨動(dòng)閥按照輸入信號(hào)來(lái)改變通往油缸油液的方向和流量，由于油缸輸出與隨動(dòng)閥之間采用剛性反饋聯(lián)系，能不斷消除輸入與輸出之間的誤差，從而可進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位。最后，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制則由電氣控制系統(tǒng)（11）實(shí)現(xiàn)，該簡(jiǎn)易數(shù)字控制系統(tǒng)采用集成電路，共可對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)以及聯(lián)動(dòng)等三種控制方式。通過(guò)

7、以上幾個(gè)部分的密切配合，機(jī)械手的各種運(yùn)動(dòng)得以準(zhǔn)確無(wú)誤地實(shí)現(xiàn)。2 機(jī)械手的應(yīng)用概況目前，國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手有著較廣泛的應(yīng)用。大致可歸為以下一些方面：（一） 熱加工方面熱加工是高溫、危險(xiǎn)的體力勞動(dòng)，采用機(jī)械手操作可以實(shí)現(xiàn)高效率和安全工作，如對(duì)少量、低速以及人力不能勝任的作業(yè)的實(shí)現(xiàn)。在鍛造工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)揮鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，安裝了機(jī)械手的鍛造操作機(jī)可實(shí)現(xiàn)鍛造過(guò)程自動(dòng)化，取代了人工喂料等操作。在鑄造、熔煉方面，對(duì)機(jī)械手的應(yīng)用則有壓鑄機(jī)的上下料機(jī)械手，上下箱、合箱、澆注機(jī)械手，以及鑄件表面清理機(jī)械手等。機(jī)械手與造型機(jī)配合組成的鑄造生產(chǎn)自動(dòng)線，大大提高了鑄造生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量。（二）

8、 冷加工方面冷加工方面的機(jī)械手主要用于一些配件及零件加工時(shí)的上下料以及刀具安裝的過(guò)程，將其應(yīng)用于一些數(shù)控機(jī)床和加工生產(chǎn)線以及自動(dòng)線上，成為了設(shè)備、機(jī)床上下工序聯(lián)接的重要手段。如在盤(pán)類(lèi)、軸類(lèi)、螺栓等零件的加工機(jī)床上配置機(jī)械手代替手工上下料，在軸瓦、柴油機(jī)搖臂、平斜鐵等加工生產(chǎn)自動(dòng)線上采用臂式機(jī)械手作為聯(lián)接工序、運(yùn)送工件的重要設(shè)備。（三） 在裝、拆、修方面眾所周知，拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)體力勞動(dòng)較重的部門(mén)，采用機(jī)械手可以拆裝三通閥、分解制動(dòng)缸、組裝輪對(duì)、清除石棉等，大大減低了勞動(dòng)強(qiáng)度。機(jī)械手也廣泛應(yīng)用在噴漆、電鍍等方面，采用機(jī)械手可對(duì)物件進(jìn)行涂漆等。在采用機(jī)械手進(jìn)行裝配方面也是應(yīng)用的一大熱點(diǎn)，與傳感

9、裝置、計(jì)算機(jī)的配合能對(duì)零件方位進(jìn)行確定，能達(dá)到鑲裝的目的。3 機(jī)械手的發(fā)展方向及前景 自上個(gè)世紀(jì)六十年代初期問(wèn)世以來(lái)，機(jī)械手歷經(jīng)了將近50年的發(fā)展，成為了制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中十分重要的機(jī)電設(shè)備。而面對(duì)各種技術(shù)的飛躍發(fā)展，機(jī)械手勢(shì)必還會(huì)在目前的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)步，使其應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步地拓寬。首先，伴隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械手重復(fù)精度有了提高，機(jī)械手定位的準(zhǔn)確性能得到增強(qiáng)，從而使得機(jī)械手可以按照作業(yè)環(huán)境的不同進(jìn)行準(zhǔn)確的定位與移動(dòng)。其次，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的更多功能可以依循的一點(diǎn)是讓其具有可重構(gòu)化的機(jī)械結(jié)構(gòu)，即我們所說(shuō)的模塊化，通過(guò)拼裝所得的機(jī)械手可能具有的功能是：根據(jù)實(shí)際作業(yè)需要啟動(dòng)所需的模塊

10、，從而實(shí)現(xiàn)所對(duì)應(yīng)的功能，讓同一機(jī)械手具有不同的功能，增大了其應(yīng)用范圍。再者，隨著低碳理念的深入人心，任何的工業(yè)發(fā)展都應(yīng)建立在環(huán)保節(jié)能的基礎(chǔ)之上，因此，機(jī)械手的發(fā)展也必將以無(wú)污染、節(jié)能為前提，如一些新型材料的出現(xiàn)，可以制造無(wú)潤(rùn)滑元件應(yīng)用于氣動(dòng)機(jī)械手當(dāng)中，不僅使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，且有著穩(wěn)定的摩擦性能以及較長(zhǎng)的壽命。值得重視的是，隨著機(jī)電一體化的發(fā)展，控制系統(tǒng)將向基于pc機(jī)的開(kāi)放型控制器的方向發(fā)展，并且，隨著傳感器作用的日益加重，由“可編程控制器、傳感器、動(dòng)作元件”組成的典型的自動(dòng)化控制系統(tǒng)依然會(huì)是主流發(fā)展方向，在此系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的“開(kāi)關(guān)控制”也將轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺答伩刂啤?，從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)的精度。4 結(jié)束語(yǔ)從1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手，到上個(gè)世紀(jì)七十年代初期制造業(yè)開(kāi)始引進(jìn)機(jī)械手的使用，再到1972年我國(guó)第一臺(tái)機(jī)械手的開(kāi)發(fā)以及隨之而來(lái)的全國(guó)范圍都開(kāi)始研制和應(yīng)用機(jī)械手，機(jī)械手的發(fā)展歷經(jīng)了這短短幾十年，迎來(lái)的是制造業(yè)的全新面貌。并且機(jī)械手依舊在發(fā)展，在進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域更在向著非制造業(yè)和