机电一体化之工业机械手分析.doc

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工业机械手分析

一、绪论

（一）工业机器人的发展现状

随着世界工业的发展和科技的不断进步，工业机器人的发展速度日益加快，其发展过程大致分为三个阶段，第一代工业机器人为当前应用最多的示教再现型机器人，它由机器手控制器与示教盒构成，机器人可以按预先引导的动作一一记录下信息，并根据记录的信息重复再现执行；第二代工业机器人为感知型机器人，这类机器人具有力觉、触觉和视觉等功能，同时它还具有反馈外界某些信息并进一步调整的能力，目前已进入应用阶段；第三代工业机器人为智能机器人，这类机器人具有感知外部环境、理解外部环境的能力，即使工作环境发生了改变，它也能够根据变化后的环境而成功地完成既定的任务，目前，这类机器人仍处于研究与开发阶段。

工业机器人是目前机器人领域中技术最成熟、应用最广泛的一类机器人。

工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电器行业等领域。

在工业生产中，弧焊机器人、电焊机器人、装配机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量使用。

在制造业中，尤其是在汽车行业，如在毛坯制造、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测等作业中，机器人己逐步取代人工作业。

汽车行业首先是代表高技术的领域，投入也是相当大，也是率先广泛应用工业机器人的领域;从汽车行业应用工业机器人的发展现状和趋势，可以看出整个工业机器人的发展前景是非常好的。

2．国外工业机械手的发展现状

目前，工业机械手广泛应用于各种制造行业中，如电器制造行业、汽车制造行业、塑料加工行业、通用机械制造行业、以及金属加工行业等都使用了工业机械手。

随着社会生产的进一步发展和科学技术的进步，工业机械手的功能和性能将进一步得到改善和提高，因此，工业机械手的应用领域将越来越广。

（1）工业机械手驱动方式发展现状

现在的工业机械手驱动方式大多采用电机驱动。

电机驱动的工业机械手具有精度高、驱动力大、响应快等优点，同时采用电机驱动必须使用减速机构，因此采用电机驱动方式的机械手会大大高于其他方式驱动机械手的成本，因而大大的限制了电机驱动机械手的应用。

随着气动技术的高速发展，又由于气压驱动具有其他驱动方式没有的一些优点，如成本低、高性价比、无污染、结构简单、抗干扰能力强等，因而越来越多的工业机械手采用气动控制，因而气动技术也得到了迅速得发展。

（2）工业机械手定位精度发展现状

在气动技术发展初期，由于技术的不成熟，利用气压驱动的工业机械手的定位精度很低，更无法实现在任意位置的起停，只能靠气缸两个终点位置来实现机械手的定位，或者采用多位气缸，而多位气缸的定位长度也已经由气缸的行程确定，同样无法实现机械手在任意位置得起停。

如果要多加一个定位位置，或者是要改变预先确定的两个定位位置之间的距离，则需要另外再设计一个多位气缸，这样就会导致气缸的滑块导向机构更加复杂，所以早期的气动工业机械手不能实现任意位置的定位，因此大大限制气动工业机械手的发展。

伺服技术的出现实现了气缸在任意位置定位，世界上各国都相继开发出了可在任意位置实现起停的气动工业机械手，且定位精度可以达到±0.5mm，如日本SMC公司、德国FESTO公司等。

气动伺服技术的出现，大大提高了气动机械手的定位精度，实现了气动机械手在任意位置的定位，扩大了气动机械手在自动化领域的应用范围。

现代气动工业机械手的发展方向为集成化、模块化。

因此现代气动工业机械手普遍集成了电气接口和气管的导向系统装置，这样就使得机械手的运动更加协调，更具稳定性，同时现代气动工业机械手的传动部件大多采用量身设计的滚珠轴承，这使得工业气动机械手具有更高的刚性、更高的强度、更好的精度和更好的导向精度。

因此现代气动工业机械手更重要的一个特点就是具有优良的定位精度。

德国FESTO公司研制了一整套模块化气动工业机械手，由于采用了模块化的组装结构，因此可以组成很多种类型的气动工业机械手，如滑块型气动机械手、立柱型气动机械手、门架型气动机械手及其他类型的工业机械手，如图1.1所示。

因此模块化的工业机械手使得工业气动机械手组装更加方便、动作更加灵活、定位精度更高，主要用于一般的工业送取料自动线上。

另外，欧洲的德国和英国开发的应用于各种工业传送系统上的气动机械手，如Bergerlahr公司研制的坐标式气动机械手、德国Bosch公司研制的Scara型气动机械手等，如图1.1所示。

3．国内工业机械手的发展现状

国内的一些机构和高校从20世纪90年代开始对工业机械手开始进行研究，比较具有代表性的是北京理工大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学SMC气动技术中心和浙江大学的流体传动和控制重点实验室。

南京理工大学研制的气动自动化制造系统，这套系统由包装、装配、标贴、加工、成品存取等子系统构成。

在每个子系统自主工作的前提下实现了系统集成控制，同时实现了配置自动化物流，这套系统实现了从成品加工到成品存取的全部过程自动传输与自动装卸，这套系统中设计了一个关节型气动机械手，这个关节型气动机械手主要实现的功能是货物的搬运和货物的翻转，其中集成手部动作、腕部动作、臂部动作和腰部动作的四个自由度联合运动，可以模拟人的关节实现对目标货物的移动、翻转和抓取等动作。

北京理工大学自主研发的具有四个自由度的回转关节型气动机械手，该气动机械手由底板、腰、大臂、小臂、手腕组成。

哈尔滨工业大学研发了具有六个自由度的关节型气动机械手，这类机械手具有结构小巧、自由度多、柔顺性好等优点，但是该类机械手的抓取力相对来说比较小，因此该类型机械手可以用于抓取一些小型物品，可以用做教学使用，同时也可以用作实验使用。

浙江大学的国家级重点实验室-流体传动及控制实验室自主研发的拥有三个自由度的气动比例/伺服机械手，该机械手具有控制精度高、轨迹跟踪性能好等优点，该机械手成功的运用到气动书法机器人上。

但是该机械手也存在工作空间小，抓取力较小的缺点，因此限制了它的应用范围，只可用于如娱乐行业等行业，不可用于装卸货物使用等工业行业。

随着电子技术和电路集成技术的迅速发展，现代工业机械手将气动技术与电子技术紧密结合，气动机械手的实用性在工业自动化领域里越来越充分的体现了出来，特别是目前国内外一些专家学者正在努力尝试将现代控制理论与智能控制算法与气动工业机械手结合起来，并取得了一定的研究成果，这样无疑将使以后的气动工业机械手具有更高的精度、更加集成化、更加智能化，这就为气动工业机械手全面入住工业自动化领域铺平了道路。

（二）工业机械手的组成及分类

1．工业机械手的组成

现代工业机械手一般由控制系统、驱动系统、位置检测系统及执行机构等组成。

其系统框图如图1.2所示。

控制系统是机械手系统的核心部分，它的主要作用是使得工业机械手能够按照预定的动作正确的完成每一个动作。

目前工业机械手的控制系统一般都包括主控系统与定位系统。

驱动系统是工业机械手的动力装置，它的主要作用是作为执行机构的驱动源，它由动力源和辅助装置组成。

当前市场上的绝大部分工业机械手采用的驱动方式为液压驱动、电力驱动、气压驱动和机械方式驱动。

执行机构是工业机械手的最终执行机构，它的作用是完成工件的取送工作，当前市场上大多数工业机械手的执行机构为手抓、夹钳和吸盘。

位置检测系统是实现工业机械手精确定位的装置，它的主要作用是实时检测机械手执行机构的具体位置并将机械手的位置信息实时反馈给控制系统，而控制系统根据反馈回来的机械手位置与给定机械手位置进行比较，及时的修正机械手的位置，实现精确定位。

2．工业机械手的分类

关于工业机械手的分类，在国际上尚无统一的分类，在国内暂时按驱动方式、手臂坐标、使用范围对工业机械手进行分类。

（1）按驱动方式分类

1）液压传动机械手

液压传动机械手是以液压的压力作为动力源来驱动执行机构运动的一类机械手。

这类机械手的特点是运行平稳、抓取力大、结构紧凑、动作灵敏。

但是这类机械手也存在一定的缺点，它对密封装置要求非常高，要求密封装置不能有一点的泄露，否则机械手的工作性能将大大的降低，同时该类型的机械手不宜在过高和温度过低的环境下作业。

如果该类型机械手采用电气和液压伺服驱动系统相结合的控制策略，则可以大大的提高机械手的整体性能，还可以实现连续轨迹控制，从而加大该类型机械手的通用性，但是电液伺服阀制造精度相对较高，而且油液过滤要求极其严格，成本也非常高，这就大大的限制了液压传动型机械手的应用。

2）气压传动机械手

气压传动机械手是以空气的压力作为动力源来驱动执行机构运动的一种机械手。

这类机械手的主要特点是:

动作迅速、成本较低、抓取力较小、结构简单、介质来源非常方便且无污染。

但是，由于空气具有可压缩性，导致该类型机械手的工作速度稳定性比较差，冲击较大，如果气源压力比较低，抓取力一般小于300N，相比之下，该类型的机械手比液压传动机械手的结构大，因此该类型机械手适用于高速度、小负载、高温度和高粉尘的工作环境中进行作业。

如图1.3所示。

3）电力传动机械手

电力传动机械手是以电力作为驱动源来驱动执行机构的一类机械手，一般来说以直流电机、交流电机等各种电机作为驱动源，该类型的机械手的特点是运行速度快、易于控制、控制精度高、结构简单、维护与使用方便。

当前这类机械手使用还不是很广泛，但非常有发展前途。

4）机械传动机械手

机械传动机械手即由机械传动机构（如凸轮、齿轮和齿条、连杆、间歇机构等）驱动执行机构的一类机械手。

它是一种专用机械手，它的主要特点是运动精确可靠，主要用于工作主机的上下料。

（2）按手臂坐标分类

机械手的手臂一般来说具有3个自由度，可采用直角坐标式（前后运动、上下运动、左右运动都是直线）、圆柱坐标式（前后运动、上下运动都是直线运动，左右运动为旋转运动）、球坐标式（前后运动为伸缩运动、上下运动为摆动运动和左右运动为旋转运动）和关节式（手臂能作任意的屈伸运动）四种方式，如图1.5所示。

（3）按用途分类

1）专用机械手

专用机械手是附属于主机的且具有一定的程序同时没有独立的控制系统的一类机械手。

专用机械手的特点是动作较少、工作对象比较单一、结构相对比较简单、造价低、使用可靠。

专用机械手适用于大批量的自动化生产线，如自动线上的上下料机械手、各种自动机床、自动换刀机械手等。

图1.6给出了应用于各种行业的专用机械手。

2）通用机械手

通用机械手是一种具有可变程序的、具有独立的控制系统且动作灵活多样的一类机械手。

这类机械手的动作程序在给定的性能范围内是可变的，通过调整可使得该类型的机械手在不同的场合使用，同时它的驱动系统和控制系统是相互独立的。

通用机械手具有定位精度高、工作范围大、通用性强等优点，因而该类型的机械手可以适用于要求不断变换生产品种且要求高精度和高效率的中小型批量生产线。

图1.7给出了应用于自动化生产线的通用机械手。

图1.7通用机械手

二、工业机械手的结构及工作原理

1．工业机械手的机械结构

机械手的种类很多，但按手臂坐标类型来分主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、SCARA型等。

现举例属于直角坐标式的工业机械手，具有四个自由度，机械手主要由机座和手臂组成，其中机座主要起支撑手臂的作用，而手臂主要完成工件的取送工作。

机械手的四个自由度包括X、Y、Z三个自由度的直线运动、旋转自由度的旋转运动，而其最终的执行机构由真空吸盘来完成。

执行机构和运动机构包括X自由度上的驱动电机、滚珠丝杠，Y、Z自由度和旋转部分驱动机构-气缸，吸取工件执行机构-真空吸盘，如图2.1所示。

在图2.1中，机械手引拔方向由安装在引拔基座（21）上的引拔汽缸（15）驱动，汽缸固定而活塞杆可以做相对于引拔方向的伸缩运动，从而推动架子沿引拔方向运动，导轨（13）安装在引拔基座（21）上，滑块安装在架子上；横移方向由安装在横移基座（20）上的电机（11）驱动，电机（11）通过联轴器与丝杠（12）相连，引拔基座（11）固联到与丝杠配合的螺母上，从而电机（11）驱动丝杠带动引拔基座（21）沿横移基座（20）运动，导轨（13）安装在横移基座（20）上，滑块安装在引拔基座（21）上；竖直方向通过竖直安装在引拔架上的气缸（17）驱动，导轨（16）安装在上下臂上，滑块安装在引拔架上；旋转方向通过旋转气缸（18）驱动连杆机构实现，旋转气缸（18）固定安装在上下臂上，可实现90度转角。

注：

11.电机12.丝杠13.导轨14.引拔导轨15.引拔汽缸16.竖直导轨17.竖直汽缸18.旋转汽缸19.真空吸盘20.横移基座21.引拔基座22.基座。

首先，X自由度由固定在机座上的步进电机配合滚珠丝杠完成手臂的运动，而Y自由度由固定的气缸完成引拔方向的运动，Z自由度方向的运动也由气缸来完成，真空吸盘旋转自由度的运动由气缸来完成，其中真空吸盘旋转部分的结构图如图2.2所示。

3．机械手的工作原理

当机械手采用气压驱动和电机驱动相结合的方式，具有四个自由度，其中X自由度采用电机驱动，另外三个自由度采用气缸驱动。

具体为X自由度由固定安装在横移基座上的电机驱动，电机通过联轴器与丝杠相连，引拔基座固联到与丝杠配合的螺母上。

从而，电机驱动丝杠进而带动引拔基座沿横移基座运动，导轨安装在横移基座上，滑块安装在引拔基座上。

Y自由度由水平安装在引拔基座上的气缸驱动，气缸固定而活塞杆可做相对于引拔方向的伸缩运动，从而推动引拔架沿X方向往返运动，导轨安装在引拔基座上，滑块安装在引拔架上。

Z自由度通过竖直安装在引拔架上的气缸驱动，导轨安装在上下臂上，滑块安装在引拔架上。

第四个自由度通过气缸驱动连杆机构实现，气缸固定安装在上下臂上，可实现90°转角。

整个机械手系统的运动流程为：

系统通过光电传感器检测到工件到达预定位置需要取工件时，机械手自原点先按照动作顺序抓取工件，再回到原点，等待下一次命令输入。

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