机械手国内外发展情况.docx

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机械手国内外发展情况

机械手的相尖资料

机械手的组成及分类：

组成

机械手主要由执行机构*骡动系统*控制系疣以及位置检测装置驟折粗成。

各系统相互之间的矢系如方

框图1一4所示*

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图】〜』机械手的組成方框OS

J执行机构X

包括手部、手腕冷手臂和立柱等部件人有的还增设行走机构®

k手部即与物件接融的部件D由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部.夹持式手部由手猎1或手爪）和传力机构所构成，手指垦与物件St接接触■而传力机构则通过手捋产生夹紧力来完成夹放物件的任务,吸附式手部主要由吸盘等构成，它是常吸附力（如吸盘内形战负压我产生电殲力〉我附物件.

贡手腕是联接手部和手臂的部件，起碉魅或改变工件方位的作用・

3.手臂支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置.

4.立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的冋转运动和升降I或俯禅）运动均与立柱有密切的联系。

机械手的立柱通常为固定不动的*但因工作需要”有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

5.行走机构机械手为了完成远距离的擾作和扩大便用范圉，可以增设滚轮佇走机构。

疏轮式行走机构耳分为有轨的和无孰的两种百疽动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。

6.机座它是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动赢统均安裝于机座上•故起支承和联接的作用・

（二）驱动慕统

机械手的驱动系统是驰动执行机构运动的传动装置。

常用的有液压传动*气压传动.电力传动和机械传动辱四种形式.

（三）控制系统

有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制.它是机械手的璽要组成邮分•它支配着机械手按規定的程序运动，井记忆人幻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惜息对执行机构我岀指令*必

要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错邊或发生故障时即发出报警信号。

（四〉位置检测装養

控制机械手执行机构的运动位置,并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。

•

二、分类

由于机械手还没有统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

（一〉按用途分

机械手可分为专用和通用机械手两种，*・.

1.专用机械手它是附属于主机的•具有固定程序而无独立控制系统的机械装置.专用机械手具有动作少.工作对象单一•结构简单、实用可庶和造价低等特点，适用于大批联的自动化生产，如自动机床.自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。

2.通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。

通用机械手的工作范la大、定位梢度高■通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批址自动化的生产。

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“幵一矢”式控制定位，只能是点位控制，伺服型具有伺服定位控制系统,可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型，图1-3所示为简易数控型通用机械手。

（二）按驱动方式分

1•液压传动机械手是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。

其主要待点是，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逍精度高，油液过滤要求严格，成本髙。

2.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•其主要待点是介质来源极方便、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待性，工作速度的稳定性较差，而且气源压力较低，抓甫一般在30公斤以下，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

3.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。

它是一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。

它的主要特点足运动准确可靠•动作须率高，但结构较大，动作程序不可变。

它常被用于为工作主机的上、下料。

4.电力传动机械手即由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机械手,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，但有发展前逡.

<=）按控制方式分

1•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。

若欲控制的点数越多，则必然增加电气控制系统的复杂性。

口曲多数机械手属于点位控制。

2•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，并且便用范围广，但电气控制系统复杂。

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为下列几种，<・）直角座标式

如图1

一9所示的机械手，其手臂的运动系由三个直线运动所组成，即沿直角座标

轴的升降、沿丫轴的横移。

这种座标型式的机械手称为直角座棕式机械手。

它的特点是结构简单，定位梢度高，适用于主机位置成行排列的场合。

但是由干占地面积大而工作范［0小以及灵活性差•限制了它的使用范團。

<・）圆柱座标式

如图1一】0所示的机械手，其手臂的运动系由两个直线运动和一个冋转所组成，即沿X轴的伸缩、沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。

这种座标型式的机械手称为圆柱座标式机械手。

它与宜角座标式相比较，占地而积小而活动范西大•结构较简单•，并能达到较高的定位精度，因此应用较广泛。

但由于机械手结构的矢系，沿Z轴方向移动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。

•…

Z

图l-loE）柱座标式L

（三）球座标式・

如图1-11所示的机械手，其手臂的运动系由一个直线运动和两个转动所组成，即沿X轴的伸缩、绕丫轴的俯仰和绕Z轴的回转。

这种座标型式的机械手称为球座标式机械手。

这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件，为了使手部能适应被抓取物件方位的要求，常常设有手腕上下摆动，便其手部保持水平位置或其它状态。

这种型式的机械手具有动作灵活，占地面积小而工作范围大等待点，它适用于沿伸缩方向向外作业的传动形式•但结构较复杂，此外，手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的渓差放大.

（E）矢节式

如图1一12所示的机械手，其手臂的运动矣似人的手臂可作几个方向的转动。

它由大小两臂和立柱等所组成，大小两臂之间的联接为肘尖节，大臂与立柱之间的联接为肩

10

矢节，各矢节均由狡链构成以实现转动，手臂的运动系由三个冋铃运动硏⑷戍叩*的俯仰（E）、小臂俯仰（址）和大臂的回转（B）•这种座标型式的机诫手恻、力人M

机械手。

它的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的物件，并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件，此为其它型式的机械手不可比拟的优点。

但是矢节式机械手的手指定位是由各个矢节相互转角来决定的，所以定位精度较差，另外，控制装置和机械结构比其它型式的机械手均fi%o

上述四种座标型式主要根据手臂的运动来确定的，也可以由某二种座标型式组合起来应用，如图1一3所示为采用圆柱座标和球座标组合的一种型式。

机械手座标型式的正确选择，女通过座标型式方案的比较来确定。

在拟定座标型式方案时，又须根据现场具体生产情况和工艺、精度.安装空间的要求，结合各种座标型式的特点来分析比较，确定比较合理的座标型式。

图1一】2关节式

§1・机械手在生产中的作用

随若我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或擁持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、掘运或操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。

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、电玻、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应用。

机楝手的结构型式开始比较简单，专用性较强，仅为某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，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，使用范西比较广的“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地改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批生产中获那广泛的应用。

图1-1所示为某车床的丄料专用液压机械手示意图。

该机械手的动作顺序是，摇劈油缸7的活塞杆推动摆板2绕O点反时针方向回转45•后，伸缩油缸1的活塞杆驱动滑枕4连同夹紧油缸3一起作伸臂动作，夹紧油缸3驱动杠杆机构便手部5抓取工件，尔后伸缩油缸作缩臂动作等待上料o当机床加工完前一个零件退刀时发出信号，使摇臂油缸7将摆板2拉回，并与定位销6相碰而定位，此时伸臂油缸1又驱动滑枕4前伸，将工件送到机床主轴中心线的位置，由顶料杆（图中未示出）将被加工零件顶入主轴弹簧卡头中，此时手指张开，滑枕作编臂动作而复位。

机械手以此循环动作实

1.伸第油缸2.徭板3.交衆油址d・滑枕6.乎界

6•定位削MVht油缸

图】一1车床上料机械手示意图

现自动上料・

图1一2所示为双许上、下料液压机械手示意图。

在手欝A和B上分别装有升降油缸2,其活塞杆3与手臂A和B刚性联结。

当升降油缸两腔分别通压力油时，缸体2就作升降运动。

导向杆7亦随缸体运动，其上的掩块与行程开尖心或P相碰时分别发出升、降的停止信号。

在升降缸的下端固连着夹紧油缸4,其活塞杆5上、下运动时，通过杆系带动手指6作夹紧或松开动作。

当活塞油缸8的活塞齿条9作往复移动，带动齿轮10,经齿轮11^12可使手臂A和B回转土90•，手臂A将坯料由上料位置转到加舌位置，同时手臂B将已加工完毕的工件取下送到下料位置，然后两手臂同时复位，准备第二次工作循环。

图1-3所示为简易数控工业通用机械手，它由手部1•手腕2.手臂伸编缸4、导向杆5、手臂回转缸7、手皆俯仰缸8•手臂升降缸10•立柱11等构成执行机构丿由手臂伸编反馁装置3、手腕俯仰反饭装置6、手臂俯仰和回转反馈装置9和12等构成位置检測装置；由油泵13、油泵电机14、控制阀15、油箱16等构成驱动系统）由独立的电气柜17构成具有可变程序的电控系统。

此机械手能根据生产工艺过程预先编制的动作程序，调整好手臂、手腕所应达到的

1・手*2・升味油缸8•活塞杆d・夹衆油缸5.1Ktlf6・半折，・辱向杆8・活富油缸…沽戛也条UhH.12.t%轮图1-2双W±•下料液压机械手结构示童图

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四・抓取机构

型T手必的种夬

a）回转世内粽b）疏儁九：

c）d）钩托衣e）和瓷f）々吸式g）飙式

夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组戊的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件C一般情况下，多采用两个手指，少数采用三指或多指。

驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。

常见的传动机构往往通过滑榊、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或松开。

平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适于夹持平板、方料。

在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。

但这种手指结构比较复杂、体积大，要求加工精度高。

b）

回转型手指的张开闭合靠手指根部（以枢轴支点为中心）的回转运动来完成。

枢轴支虎为一个的，称为单支点回转型，为两个的2称为双支点回转型。

这种手指结构简

单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位偏差•’

凶27回转空和平移型手指

a）单支点E«3b）双支点回转SiC）平移册（平宜筑）

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八•机械手的发展趋势

1重复高精度

精度是指机械手达到指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有尖。

重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。

重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。

重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机械手来测定。

随着微电子技术和现代控制技术的发展，机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。

2模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。

模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。

它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手动作自如。

模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。

3节能化

为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。

随着材料技术的进步，新型材料的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。

4机电一体化由“可编程控制器一传感器一液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“幵尖控制”进入到高精度的“反馈控制”；节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。

而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLe直接控制线圈变得越来越可能。

国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。

使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。

如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。

目前已经取得一定成绩。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。

工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。

触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。

工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。

手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。

总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。

更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。

目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。