。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率可以减轻 劳动强度保证产品质量实现安全生产尤其在高温高压低温低压 粉尘易爆有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作， 意义更为重大。因此，在机械加工冲压铸锻焊接热处理电镀 喷漆装配以及轻工业交通运输业等方面得到越来越广泛的引用机械手的 结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为台机床的上下料装置，是附属 于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够的按程序控 制实现重复操作，适用范围比较广的程序控制通用机械手，简称通用机 械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断 变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 机械手的组成和分类 机械手的组成 机械手主要由执行机构驱动系统控制系统以及位置检测装置等所组成。 各系统相互之间的关系如方框图所示。 机械手组成方框图 执行机构 包括手部手腕手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸 附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指或手爪和 传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回 转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应 用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径 变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构 取决于被抓取物件的表面形状被抓部位是外廓或是内孔和物件的重量及 尺寸。常用的指形有平面的形面的和曲面的手指有外夹式和内撑式指 数有双指式多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来 完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有滑槽杠杆式连杆杠 杆式斜面杠杆式齿轮齿条式丝杠螺母弹簧式和重力式等。 手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位即姿势 手臂 手臂是支承被抓物件手部手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指 去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置工业机械手的手臂通常由驱 动手臂运动的部件如油缸气缸齿轮齿条机构连杆机构螺旋机构和凸轮 机构等与驱动源如液压气压或电机等相配合，以实现手臂的各种运动。 立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的部分，手臂的回转运动 和升降或俯仰运动均与立柱有密切的联系。机械手的立因工作需要，有时 也可作横向移动，即称为可移式立柱。 行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座 上安滚轮式行走机构可分装滚轮轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运 动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装 于机座上，故起支撑和连接的作用。 二驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助 装置组成。常用的驱动系统有液压传动气压传动机械传动。控制系统是支 配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统般由程 序控制系统和电气定位或机械挡块定位系统组成。控制系统有电气控制和射流 控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动， 并记忆人们给予机械手的指令信息如动作顺序运动轨迹运动速度及时间， 同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监 视，当动作有或发生故障时即发出报警信号。 二控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械 手的控制系统般由程序控制系统和电气定位或机械挡块定位系统组成。 控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动， 并记忆人们给予机械手的指令信息如动作顺序运动轨迹运动速度及时 间，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的 动作进行监视，当动作有或发生故障时即发出报警信号。 机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统的分类 标准，在此暂按使用范围驱动方式和控制系统等进行分类。 按用途分 机械手可分为序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系 统和控制系统是的。通用机械手的工作范围大定位精度高通用性强， 适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定 位的方式不同可分为简易型和伺服型两种简易型以开关式控制定位， 只能是点位控制，伺服型可以是点位的，也可以实现连续控制，伺服型具有 伺服系统定位控制系统，般的伺服型通用机械手属于数控类型。 二按驱动方式分 液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是抓重可 达几百公斤以上传动平稳结构紧凑动作灵敏。但对密封装置要求严格， 不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温低温下工 作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通 用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是介 质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由 于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力 较低，抓重般在公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大， 所以适用于高速轻载高温和粉尘大的环境中进行工作。 机械传动机械手 即由机械传动机构如凸轮连杆齿轮和齿条间歇机构等驱动的机 械手。它是种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。 它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上下料。动作频率大，但 结构较大，动作程序不可变。 电力传动机械手 即有特殊结构的感应电动机直线电机或功率步进电机直接驱动执行机 构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电 机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多， 但有发展前途。 三按控制方式分 点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位 置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的 复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。 连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个 移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气 控制系统复杂。这类工业机械手般采用小型计算机进行控制。 第二章机械手的设计方案 对气动机械手的基本要求是能快速准确地拾放和搬运物件，这就要求它 们具有高精度快速反应定的承载能力足够的工作空间和灵活的自由度及 在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是充分分析作业对象 工件的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和 环境条件明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取搬运时的受 力特性尺寸和质量参数等，从而进步确定对机械手结构及运行控制的要求 尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现 柔性转换和编程控制本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是种适合 于成批或中小批生产的可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，劳动强度 大和操作单调 频繁的生产场合。也可用于操作环境恶劣的生产场合。 机械手的坐标型式与自由度 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标 式圆柱坐标式球坐标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降 收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为 了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加个手臂上下摆 动的自由度 图机械手的运动示意图 机械手的手部结构方案设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当 工件是棒料时，使用夹持式手部当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。 机械手的手腕结构方案设计 考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须 设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转 运动的机构为回转气缸。 机械手的手臂结构方案设计 按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩左 右回转和降或俯仰运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱 的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。 机械手的驱动方案设计 由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低 廉因此本机械手采用气压传动方式。 机械手的控制方案设计 考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制 器对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变程序即 可实现，非常方便快捷。 机械手的主要参数 机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑 抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际 情况，本设计设计抓取的工件质量为公斤 基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了 要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因 素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为。最大回 转速度设计为。平均移动速度为。平均回转速度为。机 械手动作时有启动停止过程的加减速度存在，用速度行程曲线来说明 速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快 慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行 程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作 的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。 在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的 伸缩行程定为,最大工作半径约为。手臂升降行程定为。 定位精度也是基本参数之。该机械手的定位精度为。 机械手的技术参数列表 用途 用于自动输送线的上下料。 二设计技术参数 抓重 自由度数个自由度 坐标型式圆柱坐标 最大工作半径 手臂最大中心高 手臂运动参数伸缩行程 伸缩速度 升降行程 升降速度 回转范围 回转速度 手腕运动参数回转范围 回转速度 手指夹持范围棒料 定位方式行程开关或可调机械挡