机电一体化之工业机械手分析Word文档格式.docx

1、北京理工大学自主研发的具有四个自由度的回转关节型气动机械手，该气动机械手由底板、腰、大臂、小臂、手腕组成。哈尔滨工业大学研发了具有六个自由度的关节型气动机械手，这类机械手具有结构小巧、自由度多、柔顺性好等优点，但是该类机械手的抓取力相对来说比较小，因此该类型机械手可以用于抓取一些小型物品，可以用做教学使用，同时也可以用作实验使用。浙江大学的国家级重点实验室-流体传动及控制实验室自主研发的拥有三个自由度的气动比例/伺服机械手，该机械手具有控制精度高、轨迹跟踪性能好等优点，该机械手成功的运用到气动书法机器人上。但是该机械手也存在工作空间小，抓取力较小的缺点，因此限制了它的应用范围，只可用于如娱乐行

2、业等行业，不可用于装卸货物使用等工业行业。随着电子技术和电路集成技术的迅速发展，现代工业机械手将气动技术与电子技术紧密结合，气动机械手的实用性在工业自动化领域里越来越充分的体现了出来，特别是目前国内外一些专家学者正在努力尝试将现代控制理论与智能控制算法与气动工业机械手结合起来，并取得了一定的研究成果，这样无疑将使以后的气动工业机械手具有更高的精度、更加集成化、更加智能化，这就为气动工业机械手全面入住工业自动化领域铺平了道路。（二）工业机械手的组成及分类1工业机械手的组成现代工业机械手一般由控制系统、驱动系统、位置检测系统及执行机构等组成。其系统框图如图1.2所示。控制系统是机械手系统的核心部分

3、，它的主要作用是使得工业机械手能够按照预定的动作正确的完成每一个动作。目前工业机械手的控制系统一般都包括主控系统与定位系统。驱动系统是工业机械手的动力装置，它的主要作用是作为执行机构的驱动源，它由动力源和辅助装置组成。当前市场上的绝大部分工业机械手采用的驱动方式为液压驱动、电力驱动、气压驱动和机械方式驱动。执行机构是工业机械手的最终执行机构，它的作用是完成工件的取送工作，当前市场上大多数工业机械手的执行机构为手抓、夹钳和吸盘。位置检测系统是实现工业机械手精确定位的装置，它的主要作用是实时检测机械手执行机构的具体位置并将机械手的位置信息实时反馈给控制系统，而控制系统根据反馈回来的机械手位置与给定

4、机械手位置进行比较，及时的修正机械手的位置，实现精确定位。2工业机械手的分类关于工业机械手的分类，在国际上尚无统一的分类，在国内暂时按驱动方式、手臂坐标、使用范围对工业机械手进行分类。（1）按驱动方式分类1）液压传动机械手液压传动机械手是以液压的压力作为动力源来驱动执行机构运动的一类机械手。这类机械手的特点是运行平稳、抓取力大、结构紧凑、动作灵敏。但是这类机械手也存在一定的缺点，它对密封装置要求非常高，要求密封装置不能有一点的泄露，否则机械手的工作性能将大大的降低，同时该类型的机械手不宜在过高和温度过低的环境下作业。如果该类型机械手采用电气和液压伺服驱动系统相结合的控制策略，则可以大大的提高机

5、械手的整体性能，还可以实现连续轨迹控制，从而加大该类型机械手的通用性，但是电液伺服阀制造精度相对较高，而且油液过滤要求极其严格，成本也非常高，这就大大的限制了液压传动型机械手的应用。2）气压传动机械手气压传动机械手是以空气的压力作为动力源来驱动执行机构运动的一种机械手。这类机械手的主要特点是:动作迅速、成本较低、抓取力较小、结构简单、介质来源非常方便且无污染。但是，由于空气具有可压缩性，导致该类型机械手的工作速度稳定性比较差，冲击较大，如果气源压力比较低，抓取力一般小于300N，相比之下，该类型的机械手比液压传动机械手的结构大，因此该类型机械手适用于高速度、小负载、高温度和高粉尘的工作环境中进

6、行作业。如图1.3所示。3）电力传动机械手电力传动机械手是以电力作为驱动源来驱动执行机构的一类机械手，一般来说以直流电机、交流电机等各种电机作为驱动源，该类型的机械手的特点是运行速度快、易于控制、控制精度高、结构简单、维护与使用方便。当前这类机械手使用还不是很广泛，但非常有发展前途。4）机械传动机械手机械传动机械手即由机械传动机构（如凸轮、齿轮和齿条、连杆、间歇机构等）驱动执行机构的一类机械手。它是一种专用机械手，它的主要特点是运动精确可靠，主要用于工作主机的上下料。（2）按手臂坐标分类机械手的手臂一般来说具有3个自由度，可采用直角坐标式（前后运动、上下运动、左右运动都是直线）、圆柱坐标式（前

7、后运动、上下运动都是直线运动，左右运动为旋转运动）、球坐标式（前后运动为伸缩运动、上下运动为摆动运动和左右运动为旋转运动）和关节式（手臂能作任意的屈伸运动）四种方式，如图1.5所示。（3）按用途分类1）专用机械手专用机械手是附属于主机的且具有一定的程序同时没有独立的控制系统的一类机械手。专用机械手的特点是动作较少、工作对象比较单一、结构相对比较简单、造价低、使用可靠。专用机械手适用于大批量的自动化生产线，如自动线上的上下料机械手、各种自动机床、自动换刀机械手等。图1.6给出了应用于各种行业的专用机械手。2）通用机械手通用机械手是一种具有可变程序的、具有独立的控制系统且动作灵活多样的一类机械手。

8、这类机械手的动作程序在给定的性能范围内是可变的，通过调整可使得该类型的机械手在不同的场合使用，同时它的驱动系统和控制系统是相互独立的。通用机械手具有定位精度高、工作范围大、通用性强等优点，因而该类型的机械手可以适用于要求不断变换生产品种且要求高精度和高效率的中小型批量生产线。图1.7给出了应用于自动化生产线的通用机械手。图1.7 通用机械手二、工业机械手的结构及工作原理1工业机械手的机械结构机械手的种类很多，但按手臂坐标类型来分主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、SCARA型等。现举例属于直角坐标式的工业机械手，具有四个自由度，机械手主要由机座和手臂组成，其中机座主要起支撑手臂

9、的作用，而手臂主要完成工件的取送工作。机械手的四个自由度包括X、Y、Z三个自由度的直线运动、旋转自由度的旋转运动，而其最终的执行机构由真空吸盘来完成。执行机构和运动机构包括X自由度上的驱动电机、滚珠丝杠，Y、Z自由度和旋转部分驱动机构-气缸，吸取工件执行机构-真空吸盘，如图2.1所示。在图2.1中，机械手引拔方向由安装在引拔基座（21）上的引拔汽缸（15）驱动，汽缸固定而活塞杆可以做相对于引拔方向的伸缩运动，从而推动架子沿引拔方向运动，导轨（13）安装在引拔基座（21）上，滑块安装在架子上；横移方向由安装在横移基座（20）上的电机（11）驱动，电机（11）通过联轴器与丝杠（12）相连，引拔基座

10、（11）固联到与丝杠配合的螺母上，从而电机（11）驱动丝杠带动引拔基座（21）沿横移基座（20）运动，导轨（13）安装在横移基座（20）上，滑块安装在引拔基座（21）上；竖直方向通过竖直安装在引拔架上的气缸（17）驱动，导轨（16）安装在上下臂上，滑块安装在引拔架上；旋转方向通过旋转气缸（18）驱动连杆机构实现，旋转气缸（18）固定安装在上下臂上，可实现90度转角。注：11.电机12.丝杠13.导轨14.引拔导轨15.引拔汽缸16.竖直导轨17.竖直汽缸18.旋转汽缸19.真空吸盘20.横移基座21.引拔基座22.基座。首先，X自由度由固定在机座上的步进电机配合滚珠丝杠完成手臂的运动，而Y自由

11、度由固定的气缸完成引拔方向的运动，Z自由度方向的运动也由气缸来完成，真空吸盘旋转自由度的运动由气缸来完成，其中真空吸盘旋转部分的结构图如图2.2所示。3机械手的工作原理当机械手采用气压驱动和电机驱动相结合的方式，具有四个自由度，其中X自由度采用电机驱动，另外三个自由度采用气缸驱动。具体为X自由度由固定安装在横移基座上的电机驱动，电机通过联轴器与丝杠相连，引拔基座固联到与丝杠配合的螺母上。从而，电机驱动丝杠进而带动引拔基座沿横移基座运动，导轨安装在横移基座上，滑块安装在引拔基座上。Y自由度由水平安装在引拔基座上的气缸驱动，气缸固定而活塞杆可做相对于引拔方向的伸缩运动，从而推动引拔架沿X方向往返运动，导轨安装在引拔基座上，滑块安装在引拔架上。Z自由度通过竖直安装在引拔架上的气缸驱动，导轨安装在上下臂上，滑块安装在引拔架上。第四个自由度通过气缸驱动连杆机构实现，气缸固定安装在上下臂上，可实现90转角。整个机械手系统的运动流程为：系统通过光电传感器检测到工件到达预定位置需要取工件时，机械手自原点先按照动作顺序抓取工件，再回到原点，等待下一次命令输入。