淺析機(jī)械手的設(shè)計(jì)

【摘要】我們知道，用于再現(xiàn)人手功能技術(shù)裝置稱為機(jī)械手。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡與要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為機(jī)械手。機(jī)械手是現(xiàn)代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，作為一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械手；設(shè)計(jì)

機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造與性能上兼有人與機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能與適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性與環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)具有重要意義。

一、設(shè)計(jì)的目的

目前，我國大多數(shù)工廠生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍然由人工完成，由于勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險(xiǎn)性，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率，降低成本，并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，針對具體生產(chǎn)工藝，結(jié)合機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化與無人化。

目前，國內(nèi)外各種機(jī)械手與機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀與大體趨勢如下：

1.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。

2.機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于pc機(jī)開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，結(jié)構(gòu)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。

3.機(jī)械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進(jìn)了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發(fā)展。

4.關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)械手開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)；

5.焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。

二、機(jī)械手其他零部件的設(shè)計(jì)

1.直角機(jī)械手結(jié)構(gòu)

由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運(yùn)動(dòng)位置精度高，但此種類型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對較小，如要達(dá)到較大運(yùn)動(dòng)空間，則要求機(jī)械手的尺寸足夠大。直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)。直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。

2.球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高，主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。

3.圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運(yùn)作業(yè)。

4.關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)

關(guān)節(jié)型機(jī)械手空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。相對機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大，動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手又分為水平關(guān)節(jié)型與垂直關(guān)節(jié)型兩種。

三、機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案

本課題是輕型平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)，以及液壓系統(tǒng)方面的簡單設(shè)計(jì)。在本章中對機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。因此，在機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。

1.機(jī)械手基本形式的選擇常見的機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種：直角坐標(biāo)型機(jī)械手；圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)械手；多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型。

2.機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式采用圓柱坐標(biāo)型的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)關(guān)于機(jī)械手具有4個(gè)自由度即腕部回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂回轉(zhuǎn)、手臂升降4個(gè)。

3.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的重要組成部分，機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)與機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)。因此，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案選擇液壓驅(qū)動(dòng)。

四、結(jié)語

由于工業(yè)自動(dòng)化的全面發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動(dòng)化的要求，因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動(dòng)化機(jī)械以取代人的勞動(dòng)，滿足工業(yè)自動(dòng)化的需求。其中機(jī)械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，可以說是一舉兩得。應(yīng)用規(guī)模與產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究與開發(fā)直接影響到我國機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。

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作者簡介：李冬（1993-1-），男，湖北武漢人，江漢大學(xué)文理學(xué)院機(jī)電與建筑工程學(xué)部2011級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)本科生。