常用工業(yè)機(jī)械手概述

1、一、 概述工業(yè)機(jī)械手是能夠模仿人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能夠更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但是它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲倦、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已收到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到應(yīng)用。1、 機(jī)械手的組成：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)工件執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2、、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及位置檢測(cè)裝置等組成，各部分之間的相互關(guān)系如下圖1-1所示：位置檢測(cè)裝置圖1-11） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手臂、手腕等直接作用在被操作物品上的一系列機(jī)械裝置；2） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，常用液壓、氣動(dòng)、電力和機(jī)械四種形式；3） 控制系統(tǒng)：大到帶操作系統(tǒng)的大型控制系統(tǒng)，小到單片機(jī)內(nèi)核或PLC控制的單機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以控制動(dòng)作的順序、位置、時(shí)間、速度和加速度等；4） 傳感器檢測(cè)裝置：控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定的位置。二、 簡(jiǎn)單機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)單

3、機(jī)械手運(yùn)動(dòng):機(jī)械手以及其手部所夾持的工件（或工具）在空間的位置，由臂部、腕部等組成部件以及整機(jī)的各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的合成來確定。機(jī)械手通?？蓪?shí)現(xiàn)的基本運(yùn)動(dòng)包括：伸縮、旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)、升降夾緊和松開等，下面是幾種常見的簡(jiǎn)單機(jī)械手模型：圖2-11、 直角坐標(biāo)機(jī)械手如圖2-1所示，由三個(gè)相互正交的平移軸組成。手臂可前后伸縮、上下升降和左右橫移三個(gè)動(dòng)作。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高。2、 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手如圖2-2所示，有立柱和一個(gè)安裝在立柱上的水平臂組成手臂，可前后伸縮、上下升降和繞立柱轉(zhuǎn)動(dòng)其結(jié)構(gòu)占據(jù)空間位置小，活動(dòng)范圍大。圖2-23、 球坐標(biāo)機(jī)械手如圖2-3所示，由回轉(zhuǎn)機(jī)座、俯仰鉸鏈和伸縮臂組成手臂可前后伸縮、上下和

4、左右擺動(dòng)。其結(jié)構(gòu)能以簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)得到較大的工作范圍。圖2-34、 多關(guān)節(jié)式機(jī)械手如圖2-4所示，由大小兩手臂和立柱等機(jī)構(gòu)組成，可實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。具有動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、動(dòng)作范圍大等優(yōu)點(diǎn)。圖2-4三、手部結(jié)構(gòu)手部是機(jī)械手直接抓取和握緊物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的部件。設(shè)計(jì)手部時(shí)，除滿足抓取要求外，手部握力大小需適宜，保證工件能順利進(jìn)入或脫開，自身重量輕且有足夠的強(qiáng)度和任性，動(dòng)作迅速靈活準(zhǔn)確，適合更換。1、 夾持式機(jī)械手夾具的夾持式是最常見的一種方式，按手指夾持工件的部位可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種；按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型

5、)，其中以雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。四種結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-1所示。圖3-12、 吸附式1）真空負(fù)壓吸盤如圖3-2所示，圖中反饋了三種形成負(fù)壓的不同的方法。圖3-22）電磁吸盤采用電磁鐵通過磁場(chǎng)吸力作用吸取工件。其外形結(jié)構(gòu)有矩形和圓形兩種，介于電磁吸盤基本都是運(yùn)用于行吊系列，不做詳細(xì)介紹。3、專用工具四、電氣控制1、控制框架圖4-1現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是20世紀(jì)80年代末、90年代初國(guó)際上發(fā)展形成的，用于過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而

6、且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級(jí)基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡(jiǎn)單、容錯(cuò)能力強(qiáng)、安全性好、成本低的特點(diǎn)：具有一定的時(shí)間確定性和較高的實(shí)時(shí)性要求，還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)。由于上述特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。圖4-1只是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種組態(tài)方式，實(shí)際應(yīng)用中各種現(xiàn)場(chǎng)總線有各種不同形式的應(yīng)用。目前主流的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線有ethercat總線、powerlink總線、cclink總線、profibus總線、Devicenet總線、CAN總線等。2、控制核心部件1） 專業(yè)控制

7、器這類控制器主控制器主要由ARM主控板、DSP算法板、FPGA位控板組成，控制軸數(shù)（自由度數(shù)），具有高速運(yùn)動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)總線接口，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡示教和在線示教，具備遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷功能，還可以根據(jù)用戶的使用需要進(jìn)行軟件的修改處理。工業(yè)PC和嵌入式控制器控制系統(tǒng)從最初的CCS(計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng))，到第二代DCS(分散控制系統(tǒng))，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到FCS(現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng))，這個(gè)技術(shù)的發(fā)展離不開工業(yè)控制器的飛速發(fā)展。專業(yè)控制器的計(jì)算速度與處理速度可以達(dá)到us級(jí)別，在對(duì)通過總線采集到的信號(hào)處理的時(shí)候有先天性的優(yōu)勢(shì)，加上計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，軟PLC的發(fā)展更使得現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的很多研究成果能容易的應(yīng)用到PLC

8、控制技術(shù)上去。2） 交流伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)圖4-1 圖4-2如圖4-1和圖4-2所示，現(xiàn)有的伺服系統(tǒng)大多采用優(yōu)化的電磁設(shè)計(jì)，電磁噪聲低、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高。低速特性好、過載能力強(qiáng)、高轉(zhuǎn)矩慣量比、快速響應(yīng)能力強(qiáng)。可監(jiān)視電機(jī)狀態(tài)，異常狀態(tài)檢測(cè)和保護(hù)，好多驅(qū)動(dòng)器都支持國(guó)際主流總線接口，組態(tài)非常方便。配合強(qiáng)大的專業(yè)控制器和運(yùn)動(dòng)軟件包，能靈活控制機(jī)械手走出各種曲線路徑。3） 機(jī)械手傳感器圖4-3如圖4-3所示，機(jī)器人傳感器可分為兩個(gè)部分，即內(nèi)部狀態(tài)傳感器和外部狀態(tài)傳感器。內(nèi)部傳感器有編碼器、光柵尺等；外部狀態(tài)傳感器有CCD攝像頭，光電、溫度傳感器，超聲波傳感器，電阻應(yīng)變片等能反應(yīng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傳感器。當(dāng)然，機(jī)器人制造中的傳感器顯然要求更高，對(duì)傳感器的選型要求也就相應(yīng)升高。五、 總結(jié)工業(yè)機(jī)械手技術(shù)是集機(jī)械、結(jié)構(gòu)、電氣控制、仿真、計(jì)算機(jī)軟硬件等領(lǐng)域的綜合性技術(shù)，同時(shí)，機(jī)械手又是一門通用的技術(shù)，合理的系統(tǒng)配置又能將機(jī)械手運(yùn)用到各個(gè)行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中。如分撿、焊