毕业设计—绪论部分 - 图文

1绪论

1.1应用简况及发展趋势

机械手，是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5％。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。

据美国和日本的统计，各工种使用机械手的比重大致如下： 美国：

压 铸????????????????????????30% 冲床上下料???????????????????????20% 锻造机械上下料?????????????????????l5％ 装 配???????????????????????? 5％ 加热炉装炉、出炉???????????????????? 5％ 注塑机模具和制品搬运??????????????????20％

机床上下料??????????????????????? 5％ 日本：

机床卸工件???????????????????????62％ 机床上料????????????????????????58％ 运输带问搬运??????????????????????39％ 压力机上下料??????????????????????27％ 装 配?????????????????????????20％ 包 装?????????????????????????20％

锻造机械上下料?????????????????????12％ 喷 漆????????????????????????11％ 压 铸???????????????????????? 9％ 焊 接???????????????????????? 8％

塑料加工???????????????????????? 7％ 电 镀????????????????????????? 3％ 从上述资料可见：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用对象还会有所变化。如美国制造工程师学会估计，1987年将有15％的装配系统采用机械手手操作，日本则在弧焊、点焊和喷漆作业中大量使用机械手。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。 瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。

在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机

械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。

此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并与计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备有任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部甚至机械手本身的损坏。

1.2目前机械手的种类 1.2.1按用途分类

专用机械手

专用机械手是专为一定设备服务的，简单、实用，目前在生产中运用比较广泛。它一般只能完成一、二种特定的作业，如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序，适应多种作业的需要。

通用机械手

通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的。它能对不同物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动化装置。它的动作程序可以按照工作需要来改变，大都是采用顺序控制系统，如插销板、插件板、穿孔带、穿孔卡、凸轮转鼓、磁芯和磁鼓等。

通用机械手又分简易型、示教再现型和智能机械手、操纵式机械手等几种。 (1)简易型通用机械手是目前国内外应用最多的一种。固定程序采用凸轮转鼓，可变程序则采用插销板或插件板进行控制。 ‘

(2)示教再现型通用机械手，先由人操纵机械手完成必要的动作，由磁带或磁鼓加以记录存贮，然后根据存贮的信息进行动作。故又称之为重复型机械手。

(3)智能机械手具有较高的判断能力，它以光敏元件模拟人的“眼睛”，以声敏元件警拟人的“耳朵”，以热电偶和电阻应变仪模拟人的“皮肤”的冷热感觉和触觉，以电子计算机模拟人的“大脑”。具有以上“视觉”、“听觉”、“触觉”以及能思考的智能机械手(机械人)，目前正处在研究试制阶段，个别已达到实用的阶段。

(4)操纵式机械手在人的操纵之下完成多种复杂动作，其内容可根据需要随时改变。操纵式机械手可以近距离直接操纵，也可以远距离操纵。其特点是适合于人不宜进入的环境中工作，如海底资源开发，宇宙空间探索，以及危险的工作地区。其缺点是结构复杂，成本高。 1.2.2按控制形式分类

点位控制型机械手 ‘

点位控制型机械手的运动轨迹是空间二个点之间的联接。控制点数愈多，性能愈好。它基本能满足于各种要求，结构简单。绝大部分机械手是点位控制型机械手。

连续轨迹控制型机械手 。

这种机械手的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间中作极其复杂的动作。工作性能完善，但控制部分比较复杂。

控制方式分开关式和伺服式两种。

1.2.3按驱动方式分类

按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手。

1.3机械手手臂的功能介绍和分析

手臂是机械手的主要部分，它是支撑手腕、手指和工件并使它们运功的机构，分为无关节臂和有关节臂。目前采用的手臂几乎都是无关节臂。多关节臂还处在研究阶段。

手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。 1.3.1手臂的作用和组成

手臂一般有三个运动——伸缩、旋转和升降。实现旋转、升降运动是由横臂和立柱去完成。手臂的基本作用是将手爪移动到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量等。

手臂由以下几部分组成。

1.动作元件，如油缸、气缸、齿条、凸轮等是驱动手臂运动的部件。 2.导向装置，足保证手臂的正确方向及承受由于工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。

3.手臂，起着连接和承受外力的作用。手臂上的零部件如油缸、导向杆、控制件等都安装在手臂上。

此外根据机械手动作和工作的要求，如管路、冷却装置、行程定位装置和自动检测机构等，一般也都装在手臂上。所以手臂的结构、工作范围、承载能力和动作精度都直接影响机械手的工作性能。 1.3.2对设计手臂的要求

1.手臂应承载能力大、刚性好、自重轻。

手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件时动作的平稳性、运动的速度和定位精度。如刚性差则会引起手臂在垂直平面内的弯曲变形和水平面内的侧向扭转变形，手臂就要产生振动或动作时工件卡死无法工作。为此，手臂一般都采用刚性较好的导向杆来加大手臂的刚度，各支承、连接件的刚性也要有一定的要求，以保证能承受所需要的驱动力。

2.手臂的运动速度要适当，惯性要小。

机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍要求来决定，但不宜盲目地追

求高速度。

手臂由静止状态达到正常的运动速度——启动，以及由常速减到停止不动——制动，速度的变化过程为速度特性曲线。

手臂自重轻，其启动和停止的平稳性就好。 3.手臂动作要灵活

手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵活。如在运动臂上加装滚动轴承或用滚珠导轨也能使手臂运动轻快、平稳。此外，对于悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂上的布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩对手臂运动很不利。偏重力矩过大，会引起手臂的振动，在升降时还会发生一种沉头现象，也会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。所以在设计手臂时要尽量使手臂重心通过回转中心，或离回转中心要尽量地近，以减少偏重力矩。对予双臂同时操作的机械手，则应使两臂的布置尽量对称于中心，以达到平衡。

4.位置精度要高

机械手要获得较高的位置精度，除采用先进的控制方法外，在结构上还要注意以下几个问题：

(1)机械手的刚度、偏重力矩、惯性力及缓冲效果都直接影响手臂的位置精度。

(2)加设定位装置和行程检测机构。

(3)合理选择机械手的坐标形式。直角坐标式机械手的位置精度较高，其结构和运动都比较简单、误差也小。而回转运动产生的误差，是放大式的尺寸误差，当转角位置一定时，手臂伸出越长，其误差越大。关节式机械手，因其结构复杂，手端的定位是由各都关节相互转角来确定，其误差是积累误差，因而精度较差，其位置精度也更难保证。

5.通用性强，能适应多种作业；工艺性好，便于维修调整。

以上这几项要求，有时往往相互矛盾，刚性好、载重大，结构，庄往粗大。导向杆也多。增加手臂自重；转动惯量增加，冲击力就大，位置精度就低。因此．在设计手臂时，须根据机械手抓取重量，自由度数、工作范围、运动速度及机械手的整体布局和工作条件等各种因素综合考虑，以达到动作准确、可靠、灵活。结构紧凑、刚度大、自重小，从而保证一定的位置精度和适应快速动作。此外，对用于热加工的机械手，还要考虑热辐射，手臂要较长，以远离热源，并

须装有冷却装置。对用于粉尘作业的机械手还要添装防尘设施。

1.4机械手手部的功能介绍和分析

设计制造夹紧机构——手爪时，首先要从机械手的坐标型式、运行速度和加速度的情况来考虑。其夹紧力的大小则系根据夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化。为扩大机械手的应用范围，还须备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力要限止在一定的范围内，并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然停电造成的被抓物体落下，又需要有自锁结构。夹紧机构本身则应结构简单嘧体积小、重量轻，动作灵活和工作可靠。

手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有传动轴，可把动作传给手腕以转动、伸屈手腕，开闭手指。

机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头。以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般是指真空吸盘或磁性吸盘。

总括机械手的运动，离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、交流伺服马达、直流伺服马达和步进马达等。

具体各动力能源对比如下图

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