三自由机械手结构设计[5]

轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真

三自由度机械手的结构设计

一、 引言

随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。 随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。机械手能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。

在自动化装配电镀生产线上,机械手能将单个或多个工件快速的从一个位置准确地抓取移动到目标位置。机械手的应用大大提高了生产效率,也更容易实现自动化控制,同时其还能使操作人员免受电镀环境对于人身健康的影响。目前应用较多的机械手有二自由度机械手和三自由度机械手。

1.1机械手概述

机械手也被称为自动手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。随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。

1.1.1三自由度机械手的基本形式

三自由度机械手又称3D机械人,能够实现三个自由度方向（水平、垂直和旋转）的抓取或放置物品,具有操作范围大,灵活性好,应用广泛等特点。机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本文的三自由度机械手属于混合式机械手,它综合了电动式和气动式机械手的优点,达到了简便操作和精确定位的目的。它有这两种基本的形式摇臂式自动取料机械手和横行式自动取料机械手

（1）摇臂式自动取料机械手

典型的摇臂式自动取料机械手,其运动由X,Y两个相互垂直方向的直线运动与一个摆动运动组合而成摇臂式自动取料机械手一般为小型机械手。 这种机械手的运动过程如下: (1)动作1当执行下降取料命令后,机械手抓取装置沿Z轴方向垂直下降,如图1中轨迹1所示,抓取动作可以通过吸盘、气动手指和杠杆机构等完成; (2)动作2抓取镀件的机械手沿Z轴反方向运行到原点,如图中轨迹2所示; (3)动作3机械手绕Z轴旋转一定角度为下一次运动做准备,如图中轨迹3所示; (4)动作4机械手沿X轴方向将镀件运行到释放点上方,再通过Z轴的下降运动将镀件释放到指定地点; (5)动作5机械手沿上述轨迹反方向运动到原点,开始下一个循环。 根据控制要求,旋转运动和X轴方向的直线运动可以同时进行。

（2）横行式自动取料机械手

典型的横行式自动取料机械手,其运动由X,Y,Z3个相互垂直方向的直线运动组合而成,也称为三自由度平移机械手。 (1)运动形式 横行式自动取料机械手的手臂结构与摇臂式机械手的手臂结构是类似的,所不同的是横行式自动取料机械手的运动全部为直线运动,在结构上更具有代表性,如图3所示。横行式自动取料机械手的结构分为X轴、Y轴、Z轴3部分,主要在空间运动距离较大的场合使用;而摇臂式机械手则将其中一个直线运动用更简单的摆动运动所代替。 (2)运动过程分析 这种机械手在结构上主要是将X轴、Y轴、轴(主手、副手)、底座等4部分采用模块化的方式通过直线导轨机构搭接而成,其中X轴、Y轴、Z轴在相互垂直的方向上进行搭接连接。直线导轨机构不仅是运动导向部件,各部分结构的连接也是通过直线导轨机构来实现的。 这种机械手的运动过程如下:

动作1当执行下降取料命令后,机械手抓取装置沿Z轴方向垂直下降,,抓取装置包括吸盘、气动手指和杠杆机构等; 动作2机械手抓取镀件后沿Z轴反向回到原点,; 动作3机械手抓取镀件沿Y轴方向移动,; 动作4根据运动需要,机械手抓取镀件沿X轴方向移动,实现跨距转移,; 动作5当镀件运行到释放点上方

时,机械手执行下降命令沿轨迹5下降至释放点释放镀件,完成一次镀件的转移;

动作6、动作7、动作8这几个动作沿上述运动轨迹反向运行,回到原点位置,进人待料状态,等待下一次取料循环。 这种横向移动,根据控制和运行的要求,X轴、Y轴、Z轴的运动可以同时进行。

机械手实例

1.2机械手的组成和分类

1.2.1机械手的组成

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。

1.2.2机械手的分类

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人

1.3 国内外发展状况

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。

1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。

1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的

摘要

随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计计算过程 。

首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体座标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。

文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。

最后使用软件对机械手的手部实现运动仿真。

关键词：机械手；运动仿真；液压传动；液压缸；

目录

（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。

第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing

system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。

1.3工业机械手在生产中的应用

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛5广泛。

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。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%。从这里可以看出，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。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。

1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线

一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永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号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（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，也有采用机械多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。