機(jī)電一體化之工業(yè)機(jī)械手分析

工業(yè)機(jī)械手分析機(jī)械手。專用機(jī)械手的特點(diǎn)是動作較少、工作對象比較單一、結(jié)構(gòu)相對照較簡單、造價低、使用可靠。專用機(jī)械手合用于大批量的自動化生產(chǎn)線，如自動線上的上下料機(jī)械手、各種自動機(jī)床、自動換刀機(jī)械手等。圖1.6給出了應(yīng)用于各種行業(yè)的專用機(jī)械手。(1) (2) (3)圖1.6專用機(jī)械手2）通用機(jī)械手通用機(jī)械手是一種具有可變程序的、具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)且動作靈便多樣的一類機(jī)械手。這種機(jī)械手的動作程序在給定的性能X圍內(nèi)是可變的，通過調(diào)整可使得該類型的機(jī)械手在不同的場合使用，同時它的驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是相互獨(dú)立的。通用機(jī)械手具有定位精度高、工作X圍大、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，于是該類型的機(jī)械手可以合用于要求不斷變換生產(chǎn)品種且要求高精度和高效率的中小型批量生產(chǎn)線。圖1.7給出了應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線的通用機(jī)械手。圖1.7通用機(jī)械手二、工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與工作原理1.工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)械手的種類不少，但按手臂坐標(biāo)類型來分主要有直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、SCARA型等?，F(xiàn)舉例屬于直角坐標(biāo)式的工業(yè)機(jī)械手，具有四個自由度，機(jī)械手主要由機(jī)座和手臂組成，其中機(jī)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(jī)械手的四個自由度包括X、Y、Z三個自由度的直線運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而其最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由真空吸盤來完成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)和運(yùn)動機(jī)構(gòu)包括X自由度上的驅(qū)動機(jī)電、滾珠絲杠，Y、Z自由度和旋轉(zhuǎn)部分驅(qū)動機(jī)構(gòu)-氣缸，吸取工件執(zhí)行機(jī)構(gòu)-真空吸盤，如圖2.1所示。在圖2.1中，機(jī)械手引拔方向由安裝在引拔基座（21）上的引拔汽缸（15）驅(qū)動，汽缸固定而活塞桿可以做相對于引拔方向的伸縮運(yùn)動，從而推動架子沿引拔方向運(yùn)動，導(dǎo)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）上的機(jī)電（11）驅(qū)動，機(jī)電（11）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，從而機(jī)電（11）驅(qū)動絲杠帶動引拔基座（21）沿橫移基座（20）運(yùn)動，導(dǎo)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(qū)動，導(dǎo)軌［16）安裝在上下臂上，滑塊安裝在引拔架上；旋轉(zhuǎn)方向通過旋轉(zhuǎn)氣缸（18）驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)氣缸（18）固定安裝在上下臂上，可實(shí)現(xiàn)90度轉(zhuǎn)角。5151假肉I板圖2.1機(jī)帆手?構(gòu)圖注：11.機(jī)電12.絲杠13.導(dǎo)軌14.引拔導(dǎo)軌15.引拔汽缸16.豎直導(dǎo)軌17.豎直汽缸18.旋轉(zhuǎn)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(jī)座上的步進(jìn)機(jī)電配合滾珠絲杠完成手臂的運(yùn)動，而丫自由度由固定的氣缸完成引拔方向的運(yùn)動，Z自由度方向的運(yùn)動也由氣缸來完成，真空吸盤旋轉(zhuǎn)自由度的運(yùn)動由氣缸來完成，其中真空吸盤旋轉(zhuǎn)部份的結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示。圖2.2機(jī)械手側(cè)姿結(jié)構(gòu)圖3.機(jī)械手的工作原理當(dāng)機(jī)械手采用氣壓驅(qū)動和機(jī)電驅(qū)動相結(jié)合的方式，具有四個自由度，其中X自由度采用機(jī)電驅(qū)動，此外三個自由度采用氣缸驅(qū)動。具體為X自由度由固定安裝在橫移基座上的機(jī)電驅(qū)動，機(jī)電通過聯(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，機(jī)電驅(qū)動絲杠進(jìn)而帶動引拔基座沿橫移基座運(yùn)動，導(dǎo)軌安裝在橫移基座上，滑塊安裝在引拔基座上。丫自由度由水安全裝在引拔基座上的氣缸驅(qū)動，氣缸固定而活塞桿可做相對于引拔方向的伸縮運(yùn)動，從而推動引拔架沿X方憧憬返運(yùn)動，導(dǎo)軌安裝在引拔基座上，滑塊安裝在引拔架上。Z自由度通過豎直安裝在引拔架上的氣缸驅(qū)動，導(dǎo)軌安裝在上下臂上，滑塊安裝在引拔架上。第四個自由度通過氣缸驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，氣缸固定安裝在上下臂上，可實(shí)現(xiàn)90°轉(zhuǎn)角。整個機(jī)械手系統(tǒng)的運(yùn)動流程為：系統(tǒng)通過光電傳感器檢測到工件到達(dá)預(yù)定位置需要取工件時，機(jī)械手自原點(diǎn)先按照動作順序抓取工件，再回到原點(diǎn)，等待下一次命令輸入。一、緒論（一）工業(yè)機(jī)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(jìn)步，工業(yè)機(jī)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(jī)器人為當(dāng)前應(yīng)用最多的示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它由機(jī)器手控制器與示教盒構(gòu)成，機(jī)器人可以按預(yù)先引導(dǎo)的動作一一記錄下信息，并根據(jù)記錄的信息重復(fù)再現(xiàn)執(zhí)行；第二代工業(yè)機(jī)器人為感知型機(jī)器人，這種機(jī)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(jìn)一步調(diào)整的能力，目前已進(jìn)入應(yīng)用階段；第三代工業(yè)機(jī)器人為智能機(jī)器人，這種機(jī)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(jù)變化后的環(huán)境而成功地完成既定的任務(wù)，目前，這種機(jī)器人仍處于研究與開辟階段。工業(yè)機(jī)器人是目前機(jī)器人領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一類機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車與汽車零部件創(chuàng)造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電器行業(yè)等領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、電焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人與搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量使用。在創(chuàng)造業(yè)中，特別是在汽車行業(yè)，如在毛坯創(chuàng)造、機(jī)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(jī)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(shù)的領(lǐng)域，投入也是相當(dāng)大，也是率先廣泛應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的領(lǐng)域;從汽車行業(yè)應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，可以看出整個工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展前景是非常好的。.國外工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀目前，工業(yè)機(jī)械手廣泛應(yīng)用于各種創(chuàng)造行業(yè)中，如電器創(chuàng)造行業(yè)、汽車創(chuàng)造行業(yè)、塑料加工行業(yè)、通用機(jī)械創(chuàng)造行業(yè)、以與金屬加工行業(yè)等都使用了工業(yè)機(jī)械手。隨著社會生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)械手的功能和性能將進(jìn)一步得到改善和提高，因此，工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V。（1〕工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動方式發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)在的工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動方式大多采用機(jī)電驅(qū)動。機(jī)電驅(qū)動的工業(yè)機(jī)械手具有精度高、驅(qū)動力大、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，同時采用機(jī)電驅(qū)動必須使用減速機(jī)構(gòu)，因此采用機(jī)電驅(qū)動方式的機(jī)械手會大大高于其他方式驅(qū)動機(jī)械手的成本，于是大大的限制了機(jī)電驅(qū)動機(jī)械手的應(yīng)用。隨著氣動技術(shù)的高速發(fā)展，又由于氣壓驅(qū)動具有其他驅(qū)動方式?jīng)]有的一些優(yōu)點(diǎn)，如成本低、高性價比、無污染、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)等，于是越來越多的工業(yè)機(jī)械手采用氣動控制，于是氣動技術(shù)也得到了迅速得發(fā)展。(2)工業(yè)機(jī)械手定位精度發(fā)展現(xiàn)狀在氣動技術(shù)發(fā)展初期，由于技術(shù)的不成熟，利用氣壓驅(qū)動的工業(yè)機(jī)械手的定位精度很低，更無法實(shí)現(xiàn)在任意位置的起停，只能靠氣缸兩個終點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jīng)由氣缸的行程確定，同樣無法實(shí)現(xiàn)機(jī)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(yù)先確定的兩個定位位置之間的距離，則需要此外再設(shè)計一個多位氣缸，這樣就會導(dǎo)致氣缸的滑塊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)更加復(fù)雜，所以早期的氣動工業(yè)機(jī)械手不能實(shí)現(xiàn)任意位置的定位，因此大大限制氣動工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展。伺服技術(shù)的浮現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了氣缸在任意位置定位，世界上各國都相繼開辟出了可在任意位置實(shí)現(xiàn)起停的氣動工業(yè)機(jī)械手，且定位精度可以達(dá)到±0.5mm,如日本SMC公司、德國FESTO公司等。氣動伺服技術(shù)的浮現(xiàn)，大大提高了氣動機(jī)械手的定位精度，實(shí)現(xiàn)了氣動機(jī)械手在任意位置的定位，擴(kuò)大了氣動機(jī)械手在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用X圍。現(xiàn)代氣動工業(yè)機(jī)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(jī)械手普遍集成為了電氣接口溫和管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，這樣就使得機(jī)械手的運(yùn)動更加協(xié)調(diào)，更具穩(wěn)定性，同時現(xiàn)代氣動工業(yè)機(jī)械手的傳動部件大多采用量身設(shè)計的滾珠軸承，這使得工業(yè)氣動機(jī)械手具有更高的剛性、更高的強(qiáng)度、更好的精度和更好的導(dǎo)向精度。因此現(xiàn)代氣動工業(yè)機(jī)械手更重要的一個特點(diǎn)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(jī)械手，由于采用了模塊化的組裝結(jié)構(gòu)，因此可以組成不少種類型的氣動工業(yè)機(jī)械手，如滑塊型氣動機(jī)械手、立柱型氣動機(jī)械手、門架型氣動機(jī)械手與其他類型的工業(yè)機(jī)械手，如圖1.1所示。因此模塊化的工業(yè)機(jī)械手使得工業(yè)氣動機(jī)械手組裝更加方便、動作更加靈便、定位精度更高，主要用于普通的工業(yè)送取料自動線上。此外，歐洲的德國和英國開辟的應(yīng)用于各種工業(yè)傳送系統(tǒng)上的氣動機(jī)械手，如Bergerlahr■公司研制的坐標(biāo)式氣動機(jī)械手、德國Bosch公司研制的Scara型氣動機(jī)械手等，如圖1.1所示。(4)(5)圖1.1國外機(jī)械手.國內(nèi)工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)的一些機(jī)構(gòu)和高校從20世紀(jì)90年代開始對工業(yè)機(jī)械手開始進(jìn)行研究，比較具有代表性的是理工大學(xué)、XX工業(yè)大學(xué)、XX理工大學(xué)SMC氣動技術(shù)中心和XX大學(xué)的流體傳動和控制重點(diǎn)實(shí)驗室。XX理工大學(xué)研制的氣動自動化創(chuàng)造系統(tǒng)，這套系統(tǒng)由包裝、裝配、標(biāo)貼、加工、成品存取等子系統(tǒng)構(gòu)成。在每一個子系統(tǒng)自主工作的前提下實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成控制，同時實(shí)現(xiàn)了配置自動化物流，這套系統(tǒng)實(shí)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(shè)計了一個關(guān)節(jié)型氣動機(jī)械手，這個關(guān)節(jié)型氣動機(jī)械手主要實(shí)現(xiàn)的功能是貨物的搬運(yùn)和貨物的翻轉(zhuǎn)，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(yùn)動，可以摹擬人的關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)貨物的挪移、翻轉(zhuǎn)和抓取等動作。理工大學(xué)自主研發(fā)的具有四個自由度的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)型氣動機(jī)械手，該氣動機(jī)械手由底板、腰、大臂、小臂、手腕組成。XX工業(yè)大學(xué)研發(fā)了具有六個自由度的關(guān)節(jié)型氣動機(jī)械手，這種機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)小巧、自由度多、柔順性好等優(yōu)點(diǎn)，但是該類機(jī)械手的抓取力相對來說比較小，因此該類型機(jī)械手可以用于抓取一些小型物品，可以用做教學(xué)使用，同時也可以用作實(shí)驗使用。XX大學(xué)的國家級重點(diǎn)實(shí)驗室-流體傳動與控制實(shí)驗室自主研發(fā)的擁有三個自由度的氣動比例/伺服機(jī)械手，該機(jī)械手具有控制精度高、軌跡跟蹤性能好等優(yōu)點(diǎn)，該機(jī)械手成功的運(yùn)用到氣動書法機(jī)器人上。但是該機(jī)械手也存在工作空間小，抓取力較小的缺點(diǎn)，因此限制了它的應(yīng)用X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(shù)和電路集成技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手將氣動技術(shù)與電子技術(shù)密切結(jié)合，氣動機(jī)械手的實(shí)用性在工業(yè)自動化領(lǐng)域里越來越充分的體現(xiàn)了出來，特殊是目前國內(nèi)外一些專家學(xué)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(jī)械手結(jié)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(jī)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(jī)械手全面入住工業(yè)自動化領(lǐng)域鋪平了道路。（二）工業(yè)機(jī)械手的組成與分類.工業(yè)機(jī)械手的組成現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手普通由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、位置檢測系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。其系統(tǒng)框圖如圖1.2所示。圖1.2工業(yè)取料機(jī)械手組成圖控制系統(tǒng)是機(jī)械手系統(tǒng)的核心部份，它的主要作用是使得工業(yè)機(jī)械手能夠按照預(yù)定的動作正確的完成每一個動作。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)普通都包括主控系統(tǒng)與定位系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)械手的動力裝置，它的主要作用是作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動源，它由動力源和輔助裝置組成。當(dāng)前市場上的絕大部份工業(yè)機(jī)械手采用的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動、電力驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和機(jī)械方式驅(qū)動。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的作用是完成工件的取送工作，當(dāng)前市場上大多數(shù)工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為手抓、夾鉗和吸盤。位置檢測系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手精確定位的裝置，它的主要作用是實(shí)時檢測機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體位置并將機(jī)械手的位置信息實(shí)時反饋給控制系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)根據(jù)反饋回來的機(jī)械手位置與給定機(jī)械手位置進(jìn)行比較，與時的修正機(jī)械手的位置，實(shí)現(xiàn)精確定位。.工業(yè)機(jī)械手的分類關(guān)于工業(yè)機(jī)械手的分類，在國際上尚無統(tǒng)一的分類，在國內(nèi)暫時按驅(qū)動方式、手臂坐標(biāo)、使用X圍對工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行分類。(1)按驅(qū)動方式分類1)液壓傳動機(jī)械手液壓傳動機(jī)械手是以液壓的壓力作為動力源來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的一類機(jī)械手。這種機(jī)械手的特點(diǎn)是運(yùn)行平穩(wěn)、抓取力大、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但是這種機(jī)械手也存在一定的缺點(diǎn)，它對密封裝置要求非常高，要求密封裝置不能有一點(diǎn)的泄露，否則機(jī)械手的工作性能將大大的降低，同時該類型的機(jī)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(jī)械手采用電氣和液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合的控制策略，則可以大大的提高機(jī)械手的整體性能，還可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，從而加大該類型機(jī)械手的通用性，但是電液伺服閥創(chuàng)造精度相對較高，而且油液過濾要求極其嚴(yán)格，成本也非常高，這就大大的限制了液壓傳動型機(jī)械手的應(yīng)用。2)氣壓傳動機(jī)械手氣壓傳動機(jī)械手是以空氣的壓力作為動力源來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的一種機(jī)械手。這種機(jī)械手的主要特點(diǎn)是:動作迅速、成本較低、抓取力較小、結(jié)構(gòu)簡單、介質(zhì)來源非常方便且無污染。但是，由于空氣具有可壓縮性，導(dǎo)致該類型機(jī)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，抓取力普通小于300N,相比之下，該類型的機(jī)械手比液壓傳動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，因此該類型機(jī)械手合用于高速度、小負(fù)載、高溫度和高粉塵的工作環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。如圖1.3所示。圖1.3氣壓驅(qū)動機(jī)械手3）電力傳動機(jī)械手電力傳動機(jī)械手是以電力作為驅(qū)動源來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一類機(jī)械手，普通來說以直流機(jī)電、交流機(jī)電等各種機(jī)電作為驅(qū)動源，該類型的機(jī)械手的特點(diǎn)是運(yùn)行速度快、易于控制、控制精度高、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)與使用方便。當(dāng)前這種機(jī)械手使用還不是很廣泛，但非常有發(fā)展前途。2jfjDukLLDi4ATBn-300圖1.4電氣傳動機(jī)械手4）機(jī)械傳動機(jī)械手機(jī)械傳動機(jī)械手即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)〔如凸