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1 1 绪论 机械手，英文名 指模仿人手和臂的某些动作和功能，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。 工业机械手即在工业生产中所使用的机械手，是一种可编程序的自动机械手。它是在五十年代末出现，近年来迅速发展起来的重要的自动化装置，是实现冬夜自动化的重要手段。目前，在各个生产领域，为了提高生产效率和产品质量，实现安全生产，都采用了各种不同形式，不同功能的机械手。由于机械手的出现，在许多生产工艺中都代替了人工，使工业自动化有了较大的发展，这不仅大大的提高了劳动生产率， 改善了劳动条件，减轻了工人劳动强度，而且使成批生产有了质量技术的保证，就因为如此，机械手的设计开发成了目前工业技术的重要课题。 究背景及发展现状 机械手在工业生产中广泛的应用于机加工，锻压，铸造，冲压，焊接，装配，喷漆，热处理等各个行业，特别是在笨重，高温有毒，放射性，多粉尘等恶劣危险的劳动环境中，机械手由于有显著的优点而备受重视。以下是机械手在工业中的几种典型应用 : 1) 各类半自动车床，有自动加紧、进刀，切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料。装上机 械手，可实现全自动生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用最多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二机床厂的自动循环机械手，沈阳仿形车床机械手，沈阳第三机床厂的 齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面使用已有成熟的经验，国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时旧附上机械手，或为用户自行安装机械手提供条件。 2）注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现全自动生产。 3）冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压 生产自动化。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是 160t 以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂 200t 冲床磁力起动机壳体下料机械手；一是用于多工位冲床用作冲压件工位间步进。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手等。 、焊等如处理方面 在锻造方面，机械手一般用作加热炉，锻压加床或冲床的上下料和工件的传送，其中包括多工位冲床的中间传送。如天津第二锻造厂研究了 用机械手用于精锻机上下料。 在铸造方面，机械手应用较多的是在熔模铸造中，也用于浇铸，造型，制芯及清理工作。美国 厂是使用工业机械手最多的，约 12 万台，主要用于从压型中取出铸件，然后用喷气法清洗铸件表面，该厂使用机械手后铸件质量得到了很大提高，稳定性增强。 2 在焊接方面，这种机械手可分为点焊接机械手和弧焊接机械手。对于点焊接机械手，其手臂能伸缩，俯仰，回转，手腕能摆动，回转，俯仰。至于弧焊接机械手，它的焊炬能作复杂三维曲线运动以调节焊接范围。 采用机械手在旋转体零件（如轴类、盘类、环类等）生产流水线上的机床之间传送工件能够提高生产线的自动化。国内已建成的这类自动线很多， 如沈阳泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的 4 号和 5 号电动机轴加工自动线（轴类），上海拖拉机齿轮厂的齿坯加工自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的汽缸盖加工自动线转为机械手。 4. 在装配方面 工业机械手在装配中的应用，是近几年国内外研究和发展的一个重要方面，特别是在汽车制造业的汽车装配自动化和弹药装配等危险作业上有很大的使用价值。目前装配机械手正由串联结构向并联结构转换。 课题的研究目的及意义 工业机械手具有许多人类无 法比拟的特点，满足了社会化大生产的需要，其主要优点如下： 害的操作。只要根据工作环境进行合理设置，选择适当的材料和结构。机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。工伤事故多的工种，如冲压、压铸、热处理、锻造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中，应推广工业机械手或机器人。 怕疲劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸认的功能。人在连续工作几小时后，总会感到疲倦和劳累，而机械手只要注意维护、检 修，即能胜任长时间的单调重复劳动。 此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作失误。 活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。 由于机械手在工业自动化和信息化中发挥了以上巨大的作用，世界各国都很重视工业机械手的应用及发展，机械手的应用在我国还处于起步阶段，就显示了许多无法替代的优点，展现了广阔的应用前景。近十几年来，机械手的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。 成 品电动机机体形状很复杂，从毛坯到成品需要很多道加工工序，各道工序及工序之间都要实现机体的移位及定位，这些工序如果全靠人工完成将大大增加工人的劳动强度，不仅使加工质量难以得到保证还增加了劳动的危险性。本课题的研究是为了设计出一种电动机机体加工自动线上用的辅助机械手，该机械手在机体加工自动线能完成下料，转位和翻转等多种功能，提高生产效率，降低劳动强度。 3 课题的研究内容 本次设计的多功能机械手用于电动机座加工自动线上，主要由手爪、小臂、大臂等组成，具备上料、翻转和转位等多种功能，并按该自动线的统一生产 节拍和生产纲领完成以上动作。本机械手为圆柱坐标式机械手，自动线围绕机体布置，具有大手臂旋转、小手臂伸缩、手指伸缩共 2个自由度。其中大手臂旋转是为了将工件从自动线转移到卸料工位上，小臂升降手指伸缩是重复自由度，目的是扩大升降范围，避免小手臂频繁升降；驱动方式为液压驱动，且选用双联叶片泵，系统压力为 机功率为 3有推动大臂旋转油缸、小臂升降油缸、手爪夹紧油缸共 3个液压缸；定位采用机械挡块定位，定位精度为 1用行程控制系统实现点位控制。 本机械手装置应具备如下功能； 1. 具有友好的人机界面，以保证人机通讯、人机互助和人机协同工作。 有连续工作、单周期工作、单步工作、自动返回原点、手动返回原点、手动操作等功能。 一定的容错性。 位、翻转等辅助加工功能。 该机械手在整个电动机座加工自动线都具有一定的适应性。 4 2 机械手的总体设计 体方案的比较与选定 种 坐标形式机械手的比较 按坐标形式分，机械手主要有以下四种不同的类型： 1. 直角坐标式 2. 圆柱坐标式 3. 球坐标式 4. 平面多关节式 根据设计要求，本课题设计的机械手需要在电动机座加工自动线卸料，包括上料，升降，转位，等多种功能。结合设计要求对各种坐标形式的机械手的优缺点作出评析。 如下： 图 这种机械手所有的送放运动均为直线运动，结构简单，直观性好，便于实现一定的精度要求，但本机械手需要在多个工位上完成辅助加工功能，故在相同的动作范围内其所需要的空间位置大，灵 活性差，同时由于手爪部分移动，不利于电液集中配置。 图 线坐标式机械手 图 这是一种回转型机械手，其手臂除了可以伸缩，可以升降外，还可以绕立柱回转。这种机械手与直角坐标式机械手相比，占地面积小而活动范围大，结构亦比较简单，并能达到较高的定位精度。但是，它 5 的手臂的升降受到机械手结构的限制，距离地面总有一定的距离，不能从地面抓取物件，因此不能完成上料的工序。 图 2柱坐标式机械手 1 手部 2腕部 3臂部 图 这种机械手与圆柱坐标式机械手相比，在占有同样大小的空间情况下，可以扩大工作范围，能将手臂伸向地面抓取物件。其缺点是运动的直观性差，结构较复杂，且臂部有两个回转运动，位置精度误差较大。 图 坐标式机 械手 图 这种机械手可以在以臂部最大伸展长度为半径的球体空间范围内任意抓取物件，灵活性大。它与其他坐标形式的机械手相比，所占空间最小。但其运动直观性差，臂部前端的位置由多个回转运动决定，要达到较高的运动精度比 较困难，为此必须提高制造精度，因而使设计和制造均较为复杂。 6 图 关节坐标式机械手 定的两个机械手方案的概述及比较 根据本课题的设计要求，该机械手能够完成上料、升降、转位工件等多种功能， 所以，在这里设计了四个机械手将要到达并完成辅助加工的工位，依次是：上料工位、升降工位、转位工位、再次转位工位（见图 机械手在一个周期内的动作过程如下： 一上料。机械手在运动开始前面向第一工位。开始工作后，机械手的小手臂的升降缸将手部 5下降到取料位置，手部上的定位压盘正卡在工件已加工完的上端止口及其端面上，同时，手指伸缩油缸 1的活塞杆下端连接着带圆锥面得推动杆 6，使内撑式手部的三个手指伸入到工件内的空槽中。 二完成以上动作后，机械手转向第二工位，将工件升起，小手臂 2的油缸上升，将工件提 起到预定的高度。 三接下来，大手臂回转 90度（当前输送带前进到终点发信）。 四然后小手臂下降到工件准确地放到转载装置前输送带的适当位置上。 完成一个周期的动作后，机械手转向第一工位，处于“回到原点”状态。这时，第一工位的专机已经完成加工处于“等候上料”状态，机械手在第一工位再次完成上料后转向第二工位，这时，在第一工位加工完毕的机体已经顺着自动线传至第二工位，机械手将其转位使其完成第二工位的加工。在连续工作状态中机械手的动作过程如上所述依次循环。 总结上述各种形式的机械手，在满足设计要求的 前提下设计出以下两种方案。 7 方 案一：外形图及运动简图如下： 图 案一外形图 图 案一运动简图 这是一种屈伸型机械手，该机械手具有与人体上肢相类似的结构。臂部由大臂和小臂两个部分组成。除了大臂本身具有回转和俯仰运动外，小臂相对于大臂也可以俯仰，通过大臂和小臂的俯仰来实现手臂的伸缩，通过机身的 回转来实现使手臂面向不同的工位。该机械手有 图 5个自由度，其中： 身绕机座回转 臂的俯仰 臂的俯仰 腕的俯仰 腕的回转 这种机械手采用直线式流水线，待加工的电动机座从流水线上依次流A,B,C,械手通过机身的回转依次停在四个工位，分别完成下料、转位、翻转、再次转位四个辅助加工动作。通过大臂、小臂和手腕的俯仰使机械手到达四个工位点，通过手腕的俯仰和翻转使手爪能够有正确的夹持姿态。 方案二：外形图及运动简图如下，见下图 8 图 案二外形图 图 案二运动简图 这是一种圆柱坐标坐标式机械手。该机械手由机座、机身（即立柱）、大臂、小臂、手腕和手爪组成。有 自由度（立柱升降自由度 3是重复自由度），其中： 9 手臂回转 指伸缩 手臂升降 本机械手为圆柱坐标式机械手，自动线围绕机体布置，具有大手臂旋转、小手臂伸缩、手指伸缩共 2个自由度。其中大 手臂旋转是为了将工件从自动线转移到卸料工位上，小臂升降手指伸缩是重复自由度，目的是扩大升降范围，避免小手臂频繁升降；驱动方式为液压驱动，且选用双联叶片泵，系统压力为 机功率为 3有推动大臂旋转油缸、小臂升降油缸、手爪夹紧油缸共 3个液压缸；定位采用机械挡块定位，定位精度为 1用行程控制系统实现点位控制。 该机械手的工作流程图如下： 小手臂下降大手臂转出小手臂下降手指伸出小手臂升起大手臂转入（上料）（下料）原位手指缩回小手臂上升图 案二的工作流程图 该 机械手由电动机驱动回转缸里的小齿轮，小齿轮通过与大齿轮啮合来驱动大手臂回转；由直动式液压缸推动小臂升降；由直动式液压缸推动手指夹紧与放松。 在工作中，自动流水线环绕机座两旁布置，机械手在一个工位完成辅助加工后，缩回手臂，大手臂依次回转到下一工位，伸出手臂完成相应的功能。 两种方案通过流水线的不同布置都能使手爪到达指定的工位并且都能够实现所要求的功能，手爪都具有足够的自由度，能从正确的方位夹持电动机座体。两种方案都具有电液集中，占地面积小，可以从地面上抓取工件的优点。所不同的是：方案一通过腰部的回转、大臂的 俯仰及小臂的俯仰来使手爪到达正确的工 10 位，而方案二是通过大手臂回转、小手臂的升降和手指伸缩来使手爪到达正确的工位。 但是，方案一运动直观性差，结构复杂。首先 ,臂部位置由多个回转运动决定，手臂在俯仰时底部回转角度的误差容易在手臂端部造成误差扩大，通过大臂、小臂、手腕的回转误差累积，最终容易使手爪位置与指定位置有较大偏差。其次，越靠近机身的俯仰运动所需要的驱动力越大，使整个系统各液压缸工作压力相差很大，不易配置液压驱动系统且回转缸出力不大。再次，方案一的手臂有多种屈伸状态，则需要很多的定位装置，而回转液压缸内空 间狭小，不宜布置过多的机械挡块。如果改采用连续轨迹控制的机械手，成本太高。所以在第二种方案中回转缸里大小齿轮的啮合来促使手臂回转，通过行程挡铁与形成开关来实现对回转的控制。 综上所述，本课题采用第二种方案。 11 1 of is to of a or of is in is a It is in in of is an to At in of in to to a of of of in of of of an at in in in of is a in 1. In of 1) of be in in of 38 in of in an to or of 2) as 3) be in 60t as 00t 12 as 2. In as In an or up of of of In is in is of 2 to of In be to As be to 3. in by as on is of of as , so of to is as 4. In in of is at in an in is to of by to he of of to of as 1. in As as a on in or of as 13 a of be of or 2. of be of
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