工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)

摘 要：隨著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的需要，機(jī)械手在工業(yè)應(yīng)用中越來(lái)越重要，如電器制造行業(yè)、汽車(chē)制造行業(yè)、塑料加工行業(yè)、通用機(jī)械制造行業(yè)以及金屬加工行業(yè)等，都使用了工業(yè)機(jī)械手工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)械手。由于使用場(chǎng)合和工作要求的不同， 其結(jié)構(gòu)型式亦各不相同， 技術(shù)復(fù)雜程度也有很大差別。但它們都有類(lèi)似人的手臂、手腕和手的部分動(dòng)作及功能； 一般都能按預(yù)定程序， 自動(dòng)地、重復(fù)循環(huán)地進(jìn)行工作。文中介紹了我國(guó)工業(yè)機(jī)械手目前的發(fā)展現(xiàn)狀，機(jī)械手在各方面的應(yīng)用，機(jī)械手各部位設(shè)計(jì)分析及注重的問(wèn)題等。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；液壓系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；方案

工業(yè)機(jī)械手是一種機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)品。采用工業(yè)機(jī)械手是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化， 改善勞動(dòng)條件， 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的一種有效手段。它是一種模仿人體上肢的部分功能， 按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)裝備。他的特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。

一、工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀

1.驅(qū)動(dòng)方式發(fā)展現(xiàn)狀?，F(xiàn)在的工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式，大多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)械手，具有精度高、驅(qū)動(dòng)力大、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，必須使用減速機(jī)構(gòu)，因此，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)械手的成本，會(huì)大大高于其他方式驅(qū)動(dòng)的，因而限制了電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用。隨著氣動(dòng)技術(shù)的高速發(fā)展，又由于氣壓驅(qū)動(dòng)具有其他驅(qū)動(dòng)方式所沒(méi)有的一些優(yōu)點(diǎn)，如成本低、高性?xún)r(jià)比、無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等，因而越來(lái)越多的工業(yè)機(jī)械手，采用氣動(dòng)控制，因而氣動(dòng)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。

2.定位精度發(fā)展現(xiàn)狀。在氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展初期，由于技術(shù)的不成熟，利用氣壓驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)械手的定位精度很低，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)在任意位置的起停，只能靠氣缸兩個(gè)終點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，或者采用多位氣缸，而多位氣缸的定位長(zhǎng)度，也已經(jīng)由氣缸的行程確定，同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在任意位置的起停。如果要多加一個(gè)定位位置，或者是要改變預(yù)先確定的兩個(gè)定位位置之間的距離，則需要另外再設(shè)計(jì)一個(gè)多位氣缸，這樣就會(huì)導(dǎo)致氣缸的滑塊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)更加復(fù)雜。所以，早期的氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手不能實(shí)現(xiàn)任意位置的。定位，因此限制氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展。

二、機(jī)械手的應(yīng)用

機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用， 幾乎遍及各行各業(yè)。歸納起來(lái)， 大致有如下幾個(gè)方面。

1.合單機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

生產(chǎn)上出現(xiàn)的許多高效專(zhuān)用加工設(shè)備（如各種專(zhuān)用機(jī)床等）， 如果工件的裝卸等輔助作業(yè)， 繼續(xù)由人工操作，不僅會(huì)增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度， 同時(shí)亦不能充分發(fā)揮專(zhuān)用設(shè)備的效能， 必然會(huì)影響勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高。若采用機(jī)械手代替人工上、下料， 則可改變上述不相適應(yīng)的情況， 實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)， 并為實(shí)現(xiàn)多機(jī)床看管提供了條件， 如： 自動(dòng)機(jī)床及其上下料機(jī)械手、沖壓機(jī)械手、注塑機(jī)及其取料機(jī)械手等。

2. 高溫作業(yè)自動(dòng)化

在高溫環(huán)境下作業(yè)（如熱處理、鑄造和鍛造等）， 工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大， 勞動(dòng)條件差， 采用機(jī)械手操作， 更具有現(xiàn)實(shí)意義， 如汽車(chē)鋼板彈簧淬火機(jī)械手、壓鑄機(jī)用澆鑄機(jī)械手等。

3.組成自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)

在單機(jī)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上， 若采用機(jī)械手自動(dòng)裝卸和輸送工件， 可使一些單機(jī)連接成自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)。目前在軸類(lèi)和盤(pán)類(lèi)工件的生產(chǎn)線(xiàn)上， 采用機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)尤為廣泛。如： 軸類(lèi)加工自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)及其上下料機(jī)械手、盤(pán)類(lèi)加工自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)及其機(jī)械手、齒輪加工機(jī)床的上下料機(jī)械手等。

4.進(jìn)行特殊作業(yè)

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中， 原子能的應(yīng)用、海底資源的開(kāi)發(fā)、星際探索等等都已為人們所熟悉。但放射性輻射， 或海底、宇宙等環(huán)境， 常常是人體不能直接接觸或難以接近的， 采用遙控機(jī)械手代替人們進(jìn)行這種作業(yè)， 既能完成這些特殊作業(yè)， 又能長(zhǎng)時(shí)間地安全地進(jìn)行工作， 成為人類(lèi)向新的自然領(lǐng)域進(jìn)軍的一種有效手段?？傊?工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中是多方面的，為了使機(jī)械手能發(fā)揮它的更多的作用， 還應(yīng)注意發(fā)展其它的輔助設(shè)備與之配合。隨著機(jī)械手技術(shù)的進(jìn)一步提高， 它的適應(yīng)性將會(huì)更強(qiáng)， 應(yīng)用面也將更廣。

5. 操作工具

用機(jī)械手握持工具， 在高溫、粉塵及有害氣體環(huán)境下進(jìn)行自動(dòng)化操作， 可以使人脫離惡劣的勞動(dòng)條件， 并減輕勞動(dòng)強(qiáng)度， 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量， 如汽車(chē)車(chē)身等薄鋼板的點(diǎn)焊工藝、自動(dòng)噴漆或自動(dòng)噴丸清砂工作等。

三、機(jī)械手各部位設(shè)計(jì)分析及注重的問(wèn)題

1.手部設(shè)計(jì)： ①需有足夠的夾緊力； ②大小要滿(mǎn)足工件尺寸變化的需要； ③應(yīng)能保證工件的準(zhǔn)確定位； ④結(jié)構(gòu)盡量緊湊， 減輕重量， 以利于臂部設(shè)計(jì)； ⑤夾緊力的計(jì)算應(yīng)充分考慮安全系數(shù)、工況系數(shù)和方位系數(shù)的影響。

2.腕部設(shè)計(jì)： ①腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)多采用擺動(dòng)缸或活塞缸驅(qū)動(dòng)； ②結(jié)構(gòu)盡量緊湊， 以減輕重量； ③轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性及密封性； ④考慮通用手部油路的配置； ⑤腕部回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩： M = K （Mm + Mp + Mg ） ， K為驅(qū)動(dòng)缸密封的摩擦損失（范圍為1.1～ 1.2） ；Mm 為腕部轉(zhuǎn)動(dòng)支撐處的摩擦阻力矩； Mp 為克服工作重心偏置所需的力矩； Mg 為克服腕部起動(dòng)的慣性力矩。

3.機(jī)身設(shè)計(jì)： ①要有足夠的剛度和穩(wěn)定性； ②升降運(yùn)動(dòng)要求靈活，升降立柱的導(dǎo)套長(zhǎng)度不宜過(guò)短， 否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象， 一般要有導(dǎo)向裝置； ③結(jié)構(gòu)布置要合理， 便于裝修； ④升降時(shí)活塞油缸的驅(qū)動(dòng)力： P= Fm + Fg ± w， w 為運(yùn)動(dòng)部件（包括手部、腕部和工件） 的總重量；⑤回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩： M= 1. 3（Mm + Mg ） ， 因不是等加速運(yùn)動(dòng)， 所以最大驅(qū)動(dòng)力要比理論值大一些， 取1. 3倍。

4.臂部設(shè)計(jì)： ①要求剛度好， 常用鋼管作手臂， 工字鋼和槽鋼作支撐； ②要求重量輕、偏重力矩小、慣量?。?③導(dǎo)向性好， 其結(jié)構(gòu)根據(jù)手臂的安裝形式、抓取重量和運(yùn)動(dòng)形成等因素確定； ④手臂伸縮運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算： P = Fm + Fg ， Fm 為導(dǎo)軌支承間的摩擦阻力、活塞與缸壁及密封處的摩擦阻力； Fg 為起動(dòng)過(guò)程的慣性力。

四、結(jié)語(yǔ)

工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)， 顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度， 改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展， 相信會(huì)涌現(xiàn)出一些重型、快速、定位精度高的機(jī)械手， 來(lái)實(shí)現(xiàn)更多、更先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)， 希望上述工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)體會(huì)能為創(chuàng)造出新技術(shù)、新設(shè)備提供一些幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉明保，呂春紅等.機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)的確定.河南高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào).2004.1.1.

[2]李超.氣動(dòng)通用上下料機(jī)械手的研究與開(kāi)發(fā).陜西科技大學(xué).2003.

[3]陸祥生，楊繡蓮.機(jī)械手.中國(guó)鐵道出版社.1985.1.

[4]張建民.工業(yè)機(jī)械人.北京：北京理工大學(xué)出版社.1992.