機(jī)械手的發(fā)展史

1、機(jī)械手發(fā)展概述機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高 生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。1 機(jī)械手發(fā)展史機(jī)械手是在機(jī)械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。它是機(jī)器 人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。在現(xiàn)代生產(chǎn) 過程中，機(jī)械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中， 機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣 靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量 比人手力大的特點，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到

2、 了應(yīng)用。機(jī)械手首先是從美國開始研制的。19581958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺 機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī) 構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。19621962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又 試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為 UnimateUnimate （即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔， 臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系 統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手 就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年，美國機(jī)械 制造公司也實驗成功一種叫 VewrsatranVewrsatran 機(jī)械手。 該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采

3、用液壓驅(qū) 動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十 年代初的機(jī)械手，是后來國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的 基礎(chǔ)。19781978 年美國 UnimateUnimate 公司和斯坦福大學(xué)，Unimate-VicarmUnimate-Vicarm 型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)， 定位誤差小于土 1 1 毫米。聯(lián)邦德國 KnKaKnKa 公司還生產(chǎn)一種點焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制目前，機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主 要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控 制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種

4、傳感器，把感 覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨立完成工作中過 程中的任務(wù)。它與電子計算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系， 并逐步發(fā)展成為柔性制造系 統(tǒng) FMSFMS 和柔性制造單元 FMCFMC 中的重要一環(huán)節(jié)。2.2.機(jī)械手的組成分類及驅(qū)動2.1機(jī)械手的組成一般來說，機(jī)械手主要有以下幾部分組成：1.1.手部（或稱抓取機(jī)構(gòu)）包括手指、傳力機(jī)構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用。2 2 傳送機(jī)構(gòu)（或稱臂部）包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用。3.3. 驅(qū)動部分它是前兩部分的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓氣壓電力和機(jī)四種驅(qū)動形式。4.4. 控制部分它是機(jī)械手動作的指揮系統(tǒng)

5、，由它來控制動作的順序（程序）、位置和時間（甚至速度與加速度）等。5.5. 其它部分如機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、行程檢測裝置和傳感裝置等。2.2機(jī)械手的分類機(jī)械手從使用范圍、運動坐標(biāo)形式、驅(qū)動方式以及臂力大小四個方面的分類 分別為：1.1.按使用范圍分類：（1 1）專用機(jī)械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于 某種機(jī)器或生產(chǎn)線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機(jī)械 手” “曲拐自動車床機(jī)械手”、“油泵凸輪軸自動線機(jī)械手”等等。這種機(jī)械手結(jié) 構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。（2 2）通用機(jī)械手 指具有可變程序和單獨驅(qū)動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種 機(jī)器，

6、而且能自動完成傳送物件或操作某些工其的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定 位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬 于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù) 字控制類型。2.2.按運動坐標(biāo)型式分類:（3 3）球坐標(biāo)式機(jī)械手臂部可以沿直角坐標(biāo)軸 X X 方向移動，還可以繞 Y Ytt 和 Z Z 軸轉(zhuǎn)動，亦即手臂可以前后伸縮（沿 X X 方向移動）、上下擺動（定為繞 Y Ytt 擺動）和左 右轉(zhuǎn)動（仍定為繞 Z Z 軸轉(zhuǎn)動）；（4 4）多關(guān)節(jié)式機(jī)械手這種機(jī)械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大 臂的連接（肘部）以及大臂和機(jī)體的連接（肩部）均為關(guān)

7、節(jié)（鉸鏈）式連接，亦即小臂 對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動。3.3.按 驅(qū)動方式分類：（1 1）直角坐標(biāo)式機(jī)械手三個方向移動，亦即臂部可以動） 、左右移動（定為沿 Y Y 方向 方向的移動）；（2 2） 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 方向移動，又可繞 Z Z 軸轉(zhuǎn)動（定 前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)臂部可以沿直角坐標(biāo)軸 X X、Y Y、Z Z 前后伸縮 （定為沿 X X 方向的移 的移動）和上下升降（定為沿 Z Z手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的 X X 和 Z Z 為繞 Z Z 軸轉(zhuǎn)動），亦即臂部可以 動；2.3機(jī)械手的驅(qū)動如前所述，機(jī)械手有四種驅(qū)動方式，而當(dāng)中的液壓與氣壓跟機(jī)械和

8、電力相比， 具有以下優(yōu)點：1.1.空間布局安裝不受嚴(yán)格的空間限制，能構(gòu)成其它方法難以組成的復(fù)雜驅(qū) 動系統(tǒng)。2 2 液壓與氣壓驅(qū)動傳遞的運動均勻平穩(wěn)，易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁 的換向。3.3.操作控制方便，省力，易于實現(xiàn)自動控制、中遠(yuǎn)距離控制、過載保護(hù)。 與電氣控制、電子控制結(jié)合，易于實現(xiàn)自動工作循環(huán)和自動過載保護(hù)。4 4 液壓與氣壓元件屬機(jī)械工業(yè)基礎(chǔ)件， 標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化程度較高， 有利于縮短設(shè)計、制造和降低制造成本。基于以上幾點，液壓與氣壓驅(qū)動在生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。液壓與氣壓作為機(jī) 械手的兩種常見驅(qū)動方式，其發(fā)展也對機(jī)械手的應(yīng)用具有一定的促進(jìn)作用。 液壓 與氣壓都是以流體(1)(1

9、) 液壓驅(qū)動機(jī)械手(2)(2) 氣壓驅(qū)動機(jī)械手以壓力油進(jìn)行驅(qū)動；以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動;(3)(3) 電力驅(qū)動機(jī)械手(4)(4) 機(jī)械驅(qū)動機(jī)械手直接用電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動；是將主機(jī)的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳遞給機(jī)械手的一種驅(qū)動方式。4.4.按機(jī)械手的臂力大小分類:(1)(1) 微型機(jī)械手(2)(2) 小型機(jī)械手(3)(3) 中型機(jī)械手(4)(4) 大型機(jī)械手臂力小于 1 1 kg； 臂力為 1 1 10kg10kg； 臂力為 1010 30kg30kg；臂力大于 3030kg。（液壓油液或壓縮空氣）為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和控制的。 液壓的優(yōu)點是單位質(zhì)量輸出功率大， 因為液壓傳動的動力元件可

10、以采用很高的壓 力（一般可達(dá) 32MPa32MPa 個別場合更高），因此，在同等輸出功率下具有體積小、質(zhì) 量輕、運動慣性小、動態(tài)性能好的特點。而氣壓傳動的突出優(yōu)點是：介質(zhì)李源極 為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可 壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且起源壓力較低，因此，氣壓 機(jī)械手抓重一般在 3030 公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以一般適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。相比之下，液壓 一般用于低速，重載和低污染的環(huán)境下。眾所周知， 液壓驅(qū)動多年來一直以礦物型液壓油為工作介質(zhì)， 然而油壓存在 著污染環(huán)境、易燃燒、

11、浪費能源的嚴(yán)重問題，一方面有背于當(dāng)今制造業(yè)環(huán)保、節(jié) 能的發(fā)展方向，另一方面在一定程度上限制了液壓技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用， 。隨著科 學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類環(huán)保、能源危機(jī)意識的提高， 除了繼續(xù)使用高水基液作為液 壓介質(zhì)外，促使人們重新認(rèn)識和研究以純水 （ 不含任何添加劑的天然水 （ 含海水和 淡水） 作為工作介質(zhì)的“綠色”液壓技術(shù)一純水液壓傳動技術(shù)，并在近 2020 年來 使其不論在理論上還是在應(yīng)用研究上，都得到了持續(xù)穩(wěn)定地復(fù)蘇和發(fā)展。純水液壓傳動具有無污染危害， 阻染性與安全性好、 溫升小，介質(zhì)經(jīng)濟(jì)性好， 維護(hù)監(jiān)測成本較低， 黏度對溫度變化不敏感， 壓力損失小， 發(fā)熱小，傳動效率高， 流量穩(wěn)定性好，系統(tǒng)

12、的剛性大等技術(shù)優(yōu)勢。雖然純水液壓傳動還存在泄漏與磨損、氣蝕、液壓沖擊、振動和噪聲、材料腐蝕與老化等技術(shù)難題，但隨著新工藝、新 材料以及新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和發(fā)展， 終將會得以解決。 未來， 預(yù)計純水液壓將會 是主要的發(fā)展熱點和方向。3. 機(jī)械手的應(yīng)用意義及發(fā)展趨勢3.1機(jī)械手應(yīng)用意義機(jī)械工業(yè)是國民的裝備部， 是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消 費品的產(chǎn)業(yè)。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實力和科學(xué)技術(shù)水平的 重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點之一。 新世紀(jì)，生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展帶動了整個機(jī)械工業(yè)的快速發(fā) 展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化，

13、自動化已成為突出的主題。然而在機(jī)械工 業(yè)中，加工、 裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。 單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起 來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強(qiáng)度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷 害。 顯然， 這嚴(yán)重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機(jī)械手的應(yīng)用 很好的解決了這一情況， 它不存在重復(fù)的偶然失誤， 也能有效的避免了人身事故。在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用具有以下意義：1.可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度 應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化程度， 從而可以提高勞動生產(chǎn)率， 降低生產(chǎn)成本， 加快實現(xiàn)工業(yè) 生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。2.可以改善勞動條

14、件、避免人身事故在高 溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒 性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)， 大大地改善了工人的勞動 條件。同時， 在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中， 以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工 作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3.可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用 機(jī) 械 手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由 于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作， 這是減少人力的另一個側(cè)面。 因此，在自動化機(jī) 床和綜合加工自動生產(chǎn)線上目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手， 以減少人力和更準(zhǔn)確地

15、控制 生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。3.2機(jī)械手的發(fā)展趨勢目前國內(nèi)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性 能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用 專用機(jī)械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、 計算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以 便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、 記憶再現(xiàn)型， 以及具有 觸覺、視覺等性能的機(jī)械手， 并考慮與計算機(jī)連用， 逐步成為整個機(jī)械制造系統(tǒng) 中的一個基本單元。國外機(jī)械手在

16、機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、 橫鍛壓力機(jī)的上下料， 以及點焊、 噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來 完成規(guī)定的操作。國外機(jī)械數(shù)的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。 使 它具有一定的傳感能力， 能反饋外界條件的變化， 作相應(yīng)的變更。 如位置發(fā)生稍 許偏差時， 即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。 目前已經(jīng)取 得一定成績。目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化， 高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。 定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達(dá)到3M/S,3M/S,量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到 6 6 軸，負(fù)載 2KG2KG 的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破 100KG100KG 更重要的是將機(jī)械手、柔性制 造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人