第13章工業(yè)機械手

1、1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手第第13章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手 1 1、機械手的組成：、機械手的組成：一、概述一、概述 機械手主要由機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及位執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及位置檢測裝置置檢測裝置等組成，各部分之間的相互關系如下圖示。等組成，各部分之間的相互關系如下圖示。 工業(yè)機械手工業(yè)機械手是能夠模仿人手的部分動作，按給定程序、是能夠模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手（1）執(zhí)行機構：）執(zhí)行機構：包括包括手部、手腕、手臂和立柱

2、手部、手腕、手臂和立柱等等部件，有的還增設行走機構。部件，有的還增設行走機構。手腕：連接手部和手臂手腕：連接手部和手臂手臂：支承手腕和手部手臂：支承手腕和手部立柱：支承手臂立柱：支承手臂驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)控制裝置：控控制裝置：控制驅動系統(tǒng)制驅動系統(tǒng)法蘭盤：外接手法蘭盤：外接手部的機械式接口部的機械式接口1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手（3 3）控制系統(tǒng)：）控制系統(tǒng)：機械手動作的機械手動作的指揮系統(tǒng)指揮系統(tǒng)，用來，用來控制動作的順序、位置、時間、速度和加速度等?？刂苿幼鞯捻樞?、位置、時間、速度和加速度等。 （4 4）位置檢測裝置：）位置檢測裝置：控制執(zhí)行機構的運動位置，控制執(zhí)行機構的運動位置，隨

3、時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，使定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定的位置。執(zhí)行機構以一定的精度達到設定的位置。（2 2）驅動系統(tǒng)：）驅動系統(tǒng)：驅動執(zhí)行機構運動的驅動執(zhí)行機構運動的動力裝置動力裝置，常用液壓、氣動、電力和機械式四種形式。常用液壓、氣動、電力和機械式四種形式。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手2 2、機械手的運動與分類、機械手的運動與分類（1 1）機械手的運動：）機械手的運動：機械手以及其手部所夾持的機械手以及其手部所夾持的工件（或工具）在

4、空間的位置，由臂部、腕部等組成工件（或工具）在空間的位置，由臂部、腕部等組成部件以及整機的各自獨立運動的合成來確定。部件以及整機的各自獨立運動的合成來確定。 機械手通?？蓪崿F(xiàn)的機械手通?？蓪崿F(xiàn)的基本運動基本運動包括有：伸縮、回轉、包括有：伸縮、回轉、擺動、升降夾緊和松開等。擺動、升降夾緊和松開等。 機械手的手臂、手腕、手部及整機主體的運動如機械手的手臂、手腕、手部及整機主體的運動如下圖示：下圖示：1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手手腕運動：回轉手腕運動：回轉F、上下擺動、上下擺動G、左右擺動、左右擺動H手部運動：夾緊、松開手部運動：夾緊、松開整機行走整機行走手臂運動：伸縮手臂運動：伸縮A A、

5、回轉、回轉B B、上下擺動、上下擺動C C、升降運動、升降運動D D1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手（2 2）機械手）機械手的分類：的分類：按用途可分類為通用或專用機械按用途可分類為通用或專用機械手。手。按驅動方式可分類為液壓、氣動、按驅動方式可分類為液壓、氣動、電力和機械驅動機械手。電力和機械驅動機械手。按控制方式可分類為點位、連續(xù)按控制方式可分類為點位、連續(xù)軌跡控制等機械手。軌跡控制等機械手。按運動坐標形式可分類為直角、按運動坐標形式可分類為直角、圓柱、球和關節(jié)坐標四種機械手。圓柱、球和關節(jié)坐標四種機械手。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手直角坐標機械手直角坐標機械手：由三個相互正交的平

6、移：由三個相互正交的平移軸組成。手臂可前后伸縮、上下升降和左軸組成。手臂可前后伸縮、上下升降和左右橫移三個動作。結構簡單右橫移三個動作。結構簡單, ,定位精度高。定位精度高。圓柱坐標機械手：由立柱和一個安裝在立柱上圓柱坐標機械手：由立柱和一個安裝在立柱上的水平臂組成手臂可前后伸縮、上下升降和繞的水平臂組成手臂可前后伸縮、上下升降和繞立柱轉動其結構占據(jù)空間位置小，活動范圍大。立柱轉動其結構占據(jù)空間位置小，活動范圍大。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手球坐標機械手：由回轉機座、俯仰鉸鏈和伸縮臂組成球坐標機械手：由回轉機座、俯仰鉸鏈和伸縮臂組成手臂可前后伸縮、上下和左右擺動。其結構能以簡單手臂可前后

7、伸縮、上下和左右擺動。其結構能以簡單的機構得到較大的工作范圍。的機構得到較大的工作范圍。關節(jié)坐標型機械手：關節(jié)坐標型機械手：由大小兩手臂和立柱等機構組成。由大小兩手臂和立柱等機構組成?？蓪崿F(xiàn)三個方向的旋轉運動。具有動作靈活、運動慣可實現(xiàn)三個方向的旋轉運動。具有動作靈活、運動慣性小、動作范圍大等優(yōu)點。性小、動作范圍大等優(yōu)點。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手運動速度：是反映機械手生產水運動速度：是反映機械手生產水平，影響機械手的運動周期和工平，影響機械手的運動周期和工作效率的參數(shù)。作效率的參數(shù)。行程范圍：對使用性能有較大的影行程范圍：對使用性能有較大的影響。響。定位精度：是衡量機械手工作質定位精

8、度：是衡量機械手工作質量的重要指標。量的重要指標。（3 3）機械手）機械手的主要參數(shù)的主要參數(shù)抓取重量（臂力）：指機械手所能抓取重量（臂力）：指機械手所能抓取或搬運物件的最大重量。是機抓取或搬運物件的最大重量。是機械手械手最基本的參數(shù)最基本的參數(shù)。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手二、手部二、手部 手部是機械手直接抓取和握緊物件或夾持專用手部是機械手直接抓取和握緊物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務的部件。設計手部時，除滿足抓工具執(zhí)行作業(yè)任務的部件。設計手部時，除滿足抓取要求外，還應滿足以下幾點要求：取要求外，還應滿足以下幾點要求：（1 1）手指握力的大小適宜；）手指握力的大小適宜；（2 2）應保證

9、工件能順利進入或脫開手指；）應保證工件能順利進入或脫開手指；（3 3）應具有足夠的強度和剛度，且自身重量輕；）應具有足夠的強度和剛度，且自身重量輕；（4 4）動作迅速、靈活、準確，通用機械手在更換手）動作迅速、靈活、準確，通用機械手在更換手部時方便。部時方便。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手 手部可根據(jù)其手部可根據(jù)其用途和結構用途和結構的不同，分為的不同，分為機械式機械式夾持夾持器、器、吸附式吸附式末端執(zhí)行器和末端執(zhí)行器和專用工具專用工具三類。它被安裝在三類。它被安裝在操作機手腕或手臂的機械接口上。操作機手腕或手臂的機械接口上。1 1、夾持式手部：、夾持式手部：特點：特點：夾持式手部夾持式手

10、部在抓取工件的形狀上有較大的在抓取工件的形狀上有較大的適應性。適應性。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手驅動裝置（雙作用活塞缸）驅動裝置（雙作用活塞缸）傳動機構（連桿機構、鉸鏈連接）傳動機構（連桿機構、鉸鏈連接）手指（或手爪）手指（或手爪）（1 1）結構組成）結構組成1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手指端：指端：手指上直接手指上直接與被夾持工件接觸與被夾持工件接觸的部位，其結構的部位，其結構形狀形狀取決于取決于工件形狀。工件形狀。手部結構按模仿手部結構按模仿人手手指的動作人手手指的動作可分為可分為回轉型、回轉型、移動型移動型等。等。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手 夾持器多為夾持器多為雙指手

11、爪式雙指手爪式。其手爪的運動方式除可分。其手爪的運動方式除可分為為平移型平移型和和回轉型回轉型外，其回轉型手爪又可再分為外，其回轉型手爪又可再分為單支點單支點和雙支點和雙支點；按夾持方式還可分為；按夾持方式還可分為外夾式外夾式和和內撐式內撐式；按驅；按驅動方式可分為動方式可分為電動（電磁）、液壓和氣動式電動（電磁）、液壓和氣動式。單支點回轉型單支點回轉型雙支點回轉型雙支點回轉型平移型平移型內撐式內撐式1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手（2 2）手指夾緊力的計算）手指夾緊力的計算 機械手工作時，為保證手指能可靠的把工件夾牢所機械手工作時，為保證手指能可靠的把工件夾牢所必須的夾緊力計算公式為：必須

12、的夾緊力計算公式為：F FN NKK1 1K K2 2K K3 3G G安全系數(shù)，通常取安全系數(shù)，通常取1.21.22 2工件情況系數(shù)工件情況系數(shù)方位系數(shù)方位系數(shù)被抓取工件的重量被抓取工件的重量 2 2、方位系數(shù)是從考慮手指處于不同位置處夾取工、方位系數(shù)是從考慮手指處于不同位置處夾取工件時，對夾緊力影響的系數(shù)。其值按表件時，對夾緊力影響的系數(shù)。其值按表13.113.1選取。選取。夾緊力夾緊力注：注： 1、工作情況系數(shù)主要考慮慣性力的影響，可按、工作情況系數(shù)主要考慮慣性力的影響，可按K2=1.12.5 或或 K2=1+a/g 估算。估算。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手 手指夾持工件所需的驅動

13、力大小，在同一夾緊力的條手指夾持工件所需的驅動力大小，在同一夾緊力的條件下，隨所采用的傳動機構的不同而不同。但其計算方件下，隨所采用的傳動機構的不同而不同。但其計算方法都是按照具體的傳動機構進行力的分析，根據(jù)力系平法都是按照具體的傳動機構進行力的分析，根據(jù)力系平衡原理進行的。衡原理進行的。（3 3）驅動力的計算）驅動力的計算1）連桿傳動式：）連桿傳動式：回轉型驅動力的計算：回轉型驅動力的計算： 設作用在活塞桿設作用在活塞桿1上的驅動上的驅動力為力為Fp，手指，手指3作用于工件上作用于工件上的夾緊力為的夾緊力為FN。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手)sin(sinsin2sin21baFFFN

14、P 根據(jù)活塞桿受力的平衡條件可得驅動力為：根據(jù)活塞桿受力的平衡條件可得驅動力為：1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手2）滑槽杠桿式）滑槽杠桿式拉桿上下運動拉桿上下運動圓柱銷在兩杠桿圓柱銷在兩杠桿的滑槽中移動的滑槽中移動杠桿繞鉸鏈轉動，帶動杠桿繞鉸鏈轉動，帶動手指實現(xiàn)夾緊或松開手指實現(xiàn)夾緊或松開2cos12baFFPN驅動力與夾緊力的關系為：驅動力與夾緊力的關系為：1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手移動型驅動力的計算：移動型驅動力的計算：1 1）齒輪齒條式）齒輪齒條式2 2）左右旋絲桿平移式）左右旋絲桿平移式夾緊力為驅動力的一半，夾緊力為驅動力的一半，即：即：PNFF5 . 0提供給絲桿的驅動力矩

15、提供給絲桿的驅動力矩M與手部夾緊力的關系為：與手部夾緊力的關系為：tan22dFMN1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手2 2、吸附式手部、吸附式手部 吸附式手部依靠吸附力抓取物料，適用于抓取大平吸附式手部依靠吸附力抓取物料，適用于抓取大平面、易碎、微小等類型的物料。其手部的真空負壓吸盤面、易碎、微小等類型的物料。其手部的真空負壓吸盤或電磁吸盤是兩種常見的吸附力來源或電磁吸盤是兩種常見的吸附力來源。1）真空負壓吸盤）真空負壓吸盤適用：適用：多用于抓多用于抓取薄板及弧形殼取薄板及弧形殼體工件等。體工件等。吸盤中形成的吸盤中形成的真空吸附工件真空吸附工件特點：特點：結構簡單、結構簡單、重量輕、表面吸

16、重量輕、表面吸附力分布均勻。附力分布均勻。橡膠或軟塑料制橡膠或軟塑料制成的碗狀吸附盤成的碗狀吸附盤1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手 采用電磁鐵通采用電磁鐵通過磁場吸力作用過磁場吸力作用吸取工件。吸取工件。2）電磁吸盤）電磁吸盤特點：特點：結構簡單，結構簡單，但只適合于磁性但只適合于磁性材料工件，不能材料工件，不能在高溫下應用。在高溫下應用。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手三、手腕三、手腕 手腕是連接手部和手臂的部件，其作用是手腕是連接手部和手臂的部件，其作用是調整或改變手部的方位。機械手的手腕運動一調整或改變手部的方位。機械手的手腕運動一般設有回轉運動和上下擺動，其結構相對復雜。般設有回轉

17、運動和上下擺動，其結構相對復雜。故，設計時應該注意如下事項：故，設計時應該注意如下事項：（1 1）可以由手臂完成的動作盡量不設置手腕；）可以由手臂完成的動作盡量不設置手腕；（2 2）手腕結構盡可能簡化；）手腕結構盡可能簡化；（3 3）手腕處的結構要求緊湊、重量輕，手）手腕處的結構要求緊湊、重量輕，手腕的驅動裝置多采用分離式腕的驅動裝置多采用分離式。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手1 1、手腕的結構、手腕的結構 手腕動作的運手腕動作的運動形式為一個回動形式為一個回轉運動。實現(xiàn)手轉運動。實現(xiàn)手腕回轉運動的機腕回轉運動的機構最多的為回轉構最多的為回轉油（氣）缸。其油（氣）缸。其結構緊湊，但回結構緊

18、湊，但回轉角度小于轉角度小于360360度，度，并要求嚴格密封。并要求嚴格密封。壓力油進、排油孔進入壓壓力油進、排油孔進入壓力油，驅動回轉葉片回轉力油，驅動回轉葉片回轉固定葉片與回轉葉片側面接觸時停止回轉固定葉片與回轉葉片側面接觸時停止回轉手部的夾持由通向手部的油管手部的夾持由通向手部的油管4進入的壓力油驅動活塞完成進入的壓力油驅動活塞完成1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手2 2、手腕回轉驅動力矩的計算、手腕回轉驅動力矩的計算 手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動。驅手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動。驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服驅動手腕機構時的動手腕回轉時的驅動力矩必須克服驅動手腕

19、機構時的力矩，即手腕啟動時所產生的慣性力矩、摩擦阻力矩力矩，即手腕啟動時所產生的慣性力矩、摩擦阻力矩及由于傳動件的重心與傳動軸線不重合所產生的偏置及由于傳動件的重心與傳動軸線不重合所產生的偏置力矩等。力矩等。手腕轉動所需驅動力矩為：手腕轉動所需驅動力矩為：M（1.11.2)(M摩摩+M偏偏+M慣慣）手腕轉動軸與支承孔等處手腕轉動軸與支承孔等處密封裝置的總摩擦力矩密封裝置的總摩擦力矩轉動零部件重量不通過手腕轉動零部件重量不通過手腕轉動軸線所產生的偏置力矩轉動軸線所產生的偏置力矩慣性力矩慣性力矩1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手四、手臂四、手臂 手臂的作用是把物料運送到工作范圍內的給定位置；手臂的

20、作用是把物料運送到工作范圍內的給定位置；支持手部和手腕，承受物料的重量和手部、手腕、手臂支持手部和手腕，承受物料的重量和手部、手腕、手臂自身重量。自身重量。 手臂一般能夠完成伸縮、回轉、升降或擺動等運動。手臂一般能夠完成伸縮、回轉、升降或擺動等運動。其運動形式有直線、回轉或二者的復合。其運動形式有直線、回轉或二者的復合。手臂常用機構的結構：手臂常用機構的結構：1 1、手臂直線運動機構、手臂直線運動機構 手臂的伸縮、升降及橫向（縱向）移動均屬直線運手臂的伸縮、升降及橫向（縱向）移動均屬直線運動。實現(xiàn)手臂直線運動的常用機構有：活塞缸、齒輪動。實現(xiàn)手臂直線運動的常用機構有：活塞缸、齒輪齒條機構、絲桿

21、螺母機構和活塞連桿機構等。齒條機構、絲桿螺母機構和活塞連桿機構等。1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手活塞桿活塞桿3左移的同時帶動齒輪左移的同時帶動齒輪2和運動齒條和運動齒條1左移左移齒輪齒輪2在移動時在移動時固定齒條固定齒條4 4迫使其在上滾動，并將此運動迫使其在上滾動，并將此運動又傳給運動齒條又傳給運動齒條1 1，使手臂的行程和速度為活塞桿的兩倍，使手臂的行程和速度為活塞桿的兩倍齒輪齒輪2 2與固定與固定齒條齒條4 4嚙合嚙合1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手2 2、手臂回轉運動機構、手臂回轉運動機構 常用的實現(xiàn)回轉運動的機構有葉片式回轉缸、常用的實現(xiàn)回轉運動的機構有葉片式回轉缸、連桿機構、

22、齒輪傳動和鏈輪傳動機構等。連桿機構、齒輪傳動和鏈輪傳動機構等。手臂的上下擺動由鉸接活塞油缸和連桿機構實現(xiàn)手臂的上下擺動由鉸接活塞油缸和連桿機構實現(xiàn)活塞桿活塞桿2帶動手臂帶動手臂3分別繞軸心分別繞軸心O作順或逆作順或逆時針的時針的90度轉動，實現(xiàn)其兩臂的上下擺動度轉動，實現(xiàn)其兩臂的上下擺動當活塞油缸左當活塞油缸左腔通入壓力油腔通入壓力油1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手3 3、手臂復合運動機構、手臂復合運動機構 復合運動的手臂動作程序一般是固定不可調的。復合運動的手臂動作程序一般是固定不可調的。采用復合運動的手臂可在簡化結構、驅動系統(tǒng)和控制采用復合運動的手臂可在簡化結構、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的同時

23、，增加工作的可靠性。系統(tǒng)的同時，增加工作的可靠性。 實現(xiàn)復合運動的常用機械傳動機構有齒輪機構、實現(xiàn)復合運動的常用機械傳動機構有齒輪機構、凸輪機構和連桿機構等。凸輪機構和連桿機構等。 圖圖12.18所示為一專用機械手采用凸輪機構，在齒輪所示為一專用機械手采用凸輪機構，在齒輪齒條傳動下完成將工件從料道中取出后轉送入機床主齒條傳動下完成將工件從料道中取出后轉送入機床主軸上卡盤，完成上料動作的示意。軸上卡盤，完成上料動作的示意。 1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手1、臂部結構組成、臂部結構組成齒輪齒輪4和凸輪和凸輪5固連固連為整體并空套在軸為整體并空套在軸上，實現(xiàn)繞軸回轉上，實現(xiàn)繞軸回轉凸輪凸輪6和手臂和手臂9固接固接在同一軸上，可實在同一軸上，可實現(xiàn)擺動和軸向移動現(xiàn)擺動和軸向移動彈簧使兩個圓彈簧使兩個圓柱凸輪始終保柱凸輪始終保持緊密接觸持緊密接觸2、動作路線、動作路線油缸工作油缸工作,齒齒條活塞桿伸出條活塞桿伸出齒輪齒輪4與凸輪與凸輪5、6和臂和臂9順時針回轉順時針回轉銷受擋鐵限銷受擋鐵限制不再回轉制不再回轉時，凸輪時，凸輪5迫迫使使6向后移動向后移動手部進入料手部進入料道提取工件道提取工件1313章章 工業(yè)機械手工業(yè)機械手手臂運動的驅動力計算手臂運動