機電一體化之工業(yè)機械手分析

1、工業(yè)機械手分析一、緒論（一）工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀隨著世界工業(yè)的發(fā)展和科技的不斷進步，工業(yè)機器人的發(fā)展速度日益加快，其發(fā)展過程大致分為三個階段，第一代工業(yè)機器人為當前應用最多的示教再現(xiàn)型機器人，它由機器手控制器與示教盒構成，機器人可以按預先引導的動作一一記錄下信息，并根據記錄的信息重復再現(xiàn)執(zhí)行；第二代工業(yè)機器人為感知型機器人，這類機器人具有力覺、觸覺和視覺等功能，同時它還具有反饋外界某些信息并進一步調整的能力，目前已進入應用階段；第三代工業(yè)機器人為智能機器人，這類機器人具有感知外部環(huán)境、理解外部環(huán)境的能力，即使工作環(huán)境發(fā)生了改變，它也能夠根據變化后的環(huán)境而成功地完成既定的任務，目前，這類機器人仍

2、處于研究與開發(fā)階段。工業(yè)機器人是目前機器人領域中技術最成熟、應用最廣泛的一類機器人。工業(yè)機器人已廣泛應用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機械加工行業(yè)、電子電器行業(yè)等領域。在工業(yè)生產中，弧焊機器人、電焊機器人、裝配機器人及搬運機器人等工業(yè)機器人都已被大量使用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車行業(yè)，如在毛坯制造、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測等作業(yè)中，機器人己逐步取代人工作業(yè)。汽車行業(yè)首先是代表高技術的領域，投入也是相當大，也是率先廣泛應用工業(yè)機器人的領域;從汽車行業(yè)應用工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，可以看出整個工業(yè)機器人的發(fā)展前景是非常好的。2國外工業(yè)機械手的發(fā)展現(xiàn)狀目前，工業(yè)機械手廣泛應

3、用于各種制造行業(yè)中，如電器制造行業(yè)、汽車制造行業(yè)、塑料加工行業(yè)、通用機械制造行業(yè)、以及金屬加工行業(yè)等都使用了工業(yè)機械手。隨著社會生產的進一步發(fā)展和科學技術的進步，工業(yè)機械手的功能和性能將進一步得到改善和提高，因此，工業(yè)機械手的應用領域將越來越廣。（1）工業(yè)機械手驅動方式發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)在的工業(yè)機械手驅動方式大多采用電機驅動。電機驅動的工業(yè)機械手具有精度高、驅動力大、響應快等優(yōu)點，同時采用電機驅動必須使用減速機構，因此采用電機驅動方式的機械手會大大高于其他方式驅動機械手的成本，因而大大的限制了電機驅動機械手的應用。隨著氣動技術的高速發(fā)展，又由于氣壓驅動具有其他驅動方式沒有的一些優(yōu)點，如成本低、高性價比

4、、無污染、結構簡單、抗干擾能力強等，因而越來越多的工業(yè)機械手采用氣動控制，因而氣動技術也得到了迅速得發(fā)展。（2）工業(yè)機械手定位精度發(fā)展現(xiàn)狀在氣動技術發(fā)展初期，由于技術的不成熟，利用氣壓驅動的工業(yè)機械手的定位精度很低，更無法實現(xiàn)在任意位置的起停，只能靠氣缸兩個終點位置來實現(xiàn)機械手的定位，或者采用多位氣缸，而多位氣缸的定位長度也已經由氣缸的行程確定，同樣無法實現(xiàn)機械手在任意位置得起停。如果要多加一個定位位置，或者是要改變預先確定的兩個定位位置之間的距離，則需要另外再設計一個多位氣缸，這樣就會導致氣缸的滑塊導向機構更加復雜，所以早期的氣動工業(yè)機械手不能實現(xiàn)任意位置的定位，因此大大限制氣動工業(yè)機械手的

5、發(fā)展。伺服技術的出現(xiàn)實現(xiàn)了氣缸在任意位置定位，世界上各國都相繼開發(fā)出了可在任意位置實現(xiàn)起停的氣動工業(yè)機械手，且定位精度可以達到±0.5mm，如日本SMC公司、德國FESTO公司等。氣動伺服技術的出現(xiàn)，大大提高了氣動機械手的定位精度，實現(xiàn)了氣動機械手在任意位置的定位，擴大了氣動機械手在自動化領域的應用范圍?，F(xiàn)代氣動工業(yè)機械手的發(fā)展方向為集成化、模塊化。因此現(xiàn)代氣動工業(yè)機械手普遍集成了電氣接口和氣管的導向系統(tǒng)裝置，這樣就使得機械手的運動更加協(xié)調，更具穩(wěn)定性，同時現(xiàn)代氣動工業(yè)機械手的傳動部件大多采用量身設計的滾珠軸承，這使得工業(yè)氣動機械手具有更高的剛性、更高的強度、更好的精度和更好的導向精

6、度。因此現(xiàn)代氣動工業(yè)機械手更重要的一個特點就是具有優(yōu)良的定位精度。德國FESTO公司研制了一整套模塊化氣動工業(yè)機械手，由于采用了模塊化的組裝結構，因此可以組成很多種類型的氣動工業(yè)機械手，如滑塊型氣動機械手、立柱型氣動機械手、門架型氣動機械手及其他類型的工業(yè)機械手，如圖1.1所示。因此模塊化的工業(yè)機械手使得工業(yè)氣動機械手組裝更加方便、動作更加靈活、定位精度更高，主要用于一般的工業(yè)送取料自動線上。另外，歐洲的德國和英國開發(fā)的應用于各種工業(yè)傳送系統(tǒng)上的氣動機械手，如Bergerlahr公司研制的坐標式氣動機械手、德國Bosch公司研制的Scara型氣動機械手等，如圖1.1所示。3國內工業(yè)機械手的發(fā)展

7、現(xiàn)狀國內的一些機構和高校從20世紀90年代開始對工業(yè)機械手開始進行研究，比較具有代表性的是北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學、南京理工大學SMC氣動技術中心和浙江大學的流體傳動和控制重點實驗室。南京理工大學研制的氣動自動化制造系統(tǒng)，這套系統(tǒng)由包裝、裝配、標貼、加工、成品存取等子系統(tǒng)構成。在每個子系統(tǒng)自主工作的前提下實現(xiàn)了系統(tǒng)集成控制，同時實現(xiàn)了配置自動化物流，這套系統(tǒng)實現(xiàn)了從成品加工到成品存取的全部過程自動傳輸與自動裝卸，這套系統(tǒng)中設計了一個關節(jié)型氣動機械手，這個關節(jié)型氣動機械手主要實現(xiàn)的功能是貨物的搬運和貨物的翻轉，其中集成手部動作、腕部動作、臂部動作和腰部動作的四個自由度聯(lián)合運動，可以模擬人的關

8、節(jié)實現(xiàn)對目標貨物的移動、翻轉和抓取等動作。北京理工大學自主研發(fā)的具有四個自由度的回轉關節(jié)型氣動機械手，該氣動機械手由底板、腰、大臂、小臂、手腕組成。哈爾濱工業(yè)大學研發(fā)了具有六個自由度的關節(jié)型氣動機械手，這類機械手具有結構小巧、自由度多、柔順性好等優(yōu)點，但是該類機械手的抓取力相對來說比較小，因此該類型機械手可以用于抓取一些小型物品，可以用做教學使用，同時也可以用作實驗使用。浙江大學的國家級重點實驗室-流體傳動及控制實驗室自主研發(fā)的擁有三個自由度的氣動比例/伺服機械手，該機械手具有控制精度高、軌跡跟蹤性能好等優(yōu)點，該機械手成功的運用到氣動書法機器人上。但是該機械手也存在工作空間小，抓取力較小的缺點

9、，因此限制了它的應用范圍，只可用于如娛樂行業(yè)等行業(yè)，不可用于裝卸貨物使用等工業(yè)行業(yè)。隨著電子技術和電路集成技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)機械手將氣動技術與電子技術緊密結合，氣動機械手的實用性在工業(yè)自動化領域里越來越充分的體現(xiàn)了出來，特別是目前國內外一些專家學者正在努力嘗試將現(xiàn)代控制理論與智能控制算法與氣動工業(yè)機械手結合起來，并取得了一定的研究成果，這樣無疑將使以后的氣動工業(yè)機械手具有更高的精度、更加集成化、更加智能化，這就為氣動工業(yè)機械手全面入住工業(yè)自動化領域鋪平了道路。（二）工業(yè)機械手的組成及分類1工業(yè)機械手的組成現(xiàn)代工業(yè)機械手一般由控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、位置檢測系統(tǒng)及執(zhí)行機構等組成。其系統(tǒng)框圖如圖

10、1.2所示。控制系統(tǒng)是機械手系統(tǒng)的核心部分，它的主要作用是使得工業(yè)機械手能夠按照預定的動作正確的完成每一個動作。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般都包括主控系統(tǒng)與定位系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)是工業(yè)機械手的動力裝置，它的主要作用是作為執(zhí)行機構的驅動源，它由動力源和輔助裝置組成。當前市場上的絕大部分工業(yè)機械手采用的驅動方式為液壓驅動、電力驅動、氣壓驅動和機械方式驅動。執(zhí)行機構是工業(yè)機械手的最終執(zhí)行機構，它的作用是完成工件的取送工作，當前市場上大多數工業(yè)機械手的執(zhí)行機構為手抓、夾鉗和吸盤。位置檢測系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機械手精確定位的裝置，它的主要作用是實時檢測機械手執(zhí)行機構的具體位置并將機械手的位置信息實時反饋給控制系統(tǒng)

11、，而控制系統(tǒng)根據反饋回來的機械手位置與給定機械手位置進行比較，及時的修正機械手的位置，實現(xiàn)精確定位。2工業(yè)機械手的分類關于工業(yè)機械手的分類，在國際上尚無統(tǒng)一的分類，在國內暫時按驅動方式、手臂坐標、使用范圍對工業(yè)機械手進行分類。（1）按驅動方式分類1)液壓傳動機械手液壓傳動機械手是以液壓的壓力作為動力源來驅動執(zhí)行機構運動的一類機械手。這類機械手的特點是運行平穩(wěn)、抓取力大、結構緊湊、動作靈敏。但是這類機械手也存在一定的缺點，它對密封裝置要求非常高，要求密封裝置不能有一點的泄露，否則機械手的工作性能將大大的降低，同時該類型的機械手不宜在過高和溫度過低的環(huán)境下作業(yè)。如果該類型機械手采用電氣和液壓伺服驅

12、動系統(tǒng)相結合的控制策略，則可以大大的提高機械手的整體性能，還可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，從而加大該類型機械手的通用性，但是電液伺服閥制造精度相對較高，而且油液過濾要求極其嚴格，成本也非常高，這就大大的限制了液壓傳動型機械手的應用。2)氣壓傳動機械手氣壓傳動機械手是以空氣的壓力作為動力源來驅動執(zhí)行機構運動的一種機械手。這類機械手的主要特點是:動作迅速、成本較低、抓取力較小、結構簡單、介質來源非常方便且無污染。但是，由于空氣具有可壓縮性，導致該類型機械手的工作速度穩(wěn)定性比較差，沖擊較大，如果氣源壓力比較低，抓取力一般小于300N，相比之下，該類型的機械手比液壓傳動機械手的結構大，因此該類型機械手適用于高

13、速度、小負載、高溫度和高粉塵的工作環(huán)境中進行作業(yè)。如圖1.3所示。3)電力傳動機械手電力傳動機械手是以電力作為驅動源來驅動執(zhí)行機構的一類機械手，一般來說以直流電機、交流電機等各種電機作為驅動源，該類型的機械手的特點是運行速度快、易于控制、控制精度高、結構簡單、維護與使用方便。當前這類機械手使用還不是很廣泛，但非常有發(fā)展前途。4)機械傳動機械手機械傳動機械手即由機械傳動機構（如凸輪、齒輪和齒條、連桿、間歇機構等）驅動執(zhí)行機構的一類機械手。它是一種專用機械手，它的主要特點是運動精確可靠，主要用于工作主機的上下料。（2）按手臂坐標分類機械手的手臂一般來說具有3個自由度，可采用直角坐標式（前后運動、上

14、下運動、左右運動都是直線）、圓柱坐標式（前后運動、上下運動都是直線運動，左右運動為旋轉運動）、球坐標式（前后運動為伸縮運動、上下運動為擺動運動和左右運動為旋轉運動）和關節(jié)式（手臂能作任意的屈伸運動）四種方式，如圖1.5所示。（3）按用途分類1)專用機械手專用機械手是附屬于主機的且具有一定的程序同時沒有獨立的控制系統(tǒng)的一類機械手。專用機械手的特點是動作較少、工作對象比較單一、結構相對比較簡單、造價低、使用可靠。專用機械手適用于大批量的自動化生產線，如自動線上的上下料機械手、各種自動機床、自動換刀機械手等。圖1.6給出了應用于各種行業(yè)的專用機械手。2)通用機械手通用機械手是一種具有可變程序的、具有

15、獨立的控制系統(tǒng)且動作靈活多樣的一類機械手。這類機械手的動作程序在給定的性能范圍內是可變的，通過調整可使得該類型的機械手在不同的場合使用，同時它的驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是相互獨立的。通用機械手具有定位精度高、工作范圍大、通用性強等優(yōu)點，因而該類型的機械手可以適用于要求不斷變換生產品種且要求高精度和高效率的中小型批量生產線。圖1.7給出了應用于自動化生產線的通用機械手。圖1.7 通用機械手二、工業(yè)機械手的結構及工作原理1工業(yè)機械手的機械結構機械手的種類很多，但按手臂坐標類型來分主要有直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式、關節(jié)坐標式、SCARA型等。現(xiàn)舉例屬于直角坐標式的工業(yè)機械手，具有四個自由度，機械手主

16、要由機座和手臂組成，其中機座主要起支撐手臂的作用，而手臂主要完成工件的取送工作。機械手的四個自由度包括X、Y、Z三個自由度的直線運動、旋轉自由度的旋轉運動，而其最終的執(zhí)行機構由真空吸盤來完成。執(zhí)行機構和運動機構包括X自由度上的驅動電機、滾珠絲杠，Y、Z自由度和旋轉部分驅動機構-氣缸，吸取工件執(zhí)行機構-真空吸盤，如圖2.1所示。在圖2.1中，機械手引拔方向由安裝在引拔基座（21）上的引拔汽缸（15）驅動，汽缸固定而活塞桿可以做相對于引拔方向的伸縮運動，從而推動架子沿引拔方向運動，導軌（13）安裝在引拔基座（21）上，滑塊安裝在架子上；橫移方向由安裝在橫移基座（20）上的電機（11）驅動，電機（1

17、1）通過聯(lián)軸器與絲杠（12）相連，引拔基座（11）固聯(lián)到與絲杠配合的螺母上，從而電機（11）驅動絲杠帶動引拔基座（21）沿橫移基座（20）運動，導軌（13）安裝在橫移基座（20）上，滑塊安裝在引拔基座（21）上；豎直方向通過豎直安裝在引拔架上的氣缸（17）驅動，導軌（16）安裝在上下臂上，滑塊安裝在引拔架上；旋轉方向通過旋轉氣缸（18）驅動連桿機構實現(xiàn)，旋轉氣缸（18）固定安裝在上下臂上，可實現(xiàn)90度轉角。注：11.電機12.絲杠13.導軌14.引拔導軌15.引拔汽缸16.豎直導軌17.豎直汽缸18.旋轉汽缸19.真空吸盤20.橫移基座21.引拔基座22.基座。首先，X自由度由固定在機座上的步進電機配合滾珠絲杠完成手臂的運動，而Y自由度由固定的氣缸完成引拔方向的運動，Z自由度方向的運動也由氣缸來完成，真空吸盤旋轉自由度的運動由氣缸來完成，其中真空吸盤旋轉部分的結構圖如圖2.2所示。3機械手的工作原理當機械手采用氣壓驅動和電機驅動相結合的方式，具有四個自由度，其中X自由度采用電機驅動，另外三個自由度采用氣缸驅動。具體為X自由度由固定安裝在橫移基座上的電機驅動，電機通過聯(lián)軸器與絲杠相連，引拔基座固聯(lián)到與絲杠配合的螺母上。從而，電機驅動絲杠