工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手抓設(shè)計(jì)

摘要機(jī)械手是一種機(jī)械裝置，他的工作原理是模仿人類(lèi)的手進(jìn)行一些固定工作的機(jī)械裝置，它雖然跟人類(lèi)的手臂不一樣，但是卻可以做出一些類(lèi)似人手的簡(jiǎn)單動(dòng)作，按照設(shè)計(jì)師事先設(shè)定的工作陳序，來(lái)重復(fù)的進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的工作流程，現(xiàn)在這種技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到好多的工廠里，工人都親切的叫他工業(yè)機(jī)械手。本文在對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先結(jié)合機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了解的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械手常用的坐標(biāo)形式，確認(rèn)本文所采用的結(jié)構(gòu)形式，最終確定機(jī)械手的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞:工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械手；控制系統(tǒng)

目錄TOC\o"1-3"\h\u16696引言 引言機(jī)械手是機(jī)械類(lèi)的一種，是一種模擬人類(lèi)手的各種動(dòng)作來(lái)進(jìn)行各種工作的裝備器材，即使不能跟真的人手一樣靈活，但還是能夠跟人手一樣做出一些比較簡(jiǎn)單的動(dòng)作，依照機(jī)械工程師在之前就已經(jīng)設(shè)計(jì)好的程序，持續(xù)地進(jìn)行一些比較容易的工作，當(dāng)前這種機(jī)械手已經(jīng)被越來(lái)越多的工廠引進(jìn)，給工作人員的工作帶來(lái)了很大的方便，都叫它機(jī)械手臂。機(jī)械手臂研發(fā)開(kāi)拓了現(xiàn)代工業(yè)全自動(dòng)技術(shù)化一片新的天地，而且也開(kāi)始慢慢的代替了人力，也已經(jīng)開(kāi)始成為工廠進(jìn)入全自動(dòng)機(jī)械化的一個(gè)標(biāo)志。當(dāng)今社會(huì)，經(jīng)濟(jì)已經(jīng)開(kāi)始飛速的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有了很大的突破，有些科學(xué)技術(shù)還逐漸演變成了比較獨(dú)立的一種科技，并擁有屬于自己的一片領(lǐng)域，比如說(shuō)最具有代表性的機(jī)械工程。機(jī)械手臂的研發(fā)所要涉及到的技術(shù)還是由很多，比如工程力學(xué)、電氣工程學(xué)以及計(jì)算機(jī)學(xué)等一系列學(xué)科。由此可以看出，雖然說(shuō)工業(yè)全自動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成為了一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，可是整個(gè)研發(fā)與創(chuàng)造的過(guò)程中還是需要很多學(xué)科的技術(shù)進(jìn)行輔助的，可見(jiàn)這門(mén)學(xué)科是屬于綜合性比較強(qiáng)的一門(mén)學(xué)科。機(jī)械手臂作為新興的科技，發(fā)展的時(shí)間并不長(zhǎng)，差不多只有十多年的時(shí)間，不過(guò)雖然發(fā)展的時(shí)間比較短，可是進(jìn)步卻是很大的，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，已經(jīng)擁有了最先進(jìn)的技術(shù)能力，但是這項(xiàng)技術(shù)還是有很大的發(fā)展空間的，隨著科技的不斷增強(qiáng)，機(jī)械手臂的技術(shù)也會(huì)有所提升，會(huì)變得更加靈活，更加智能。從大的方面來(lái)看，機(jī)械手臂其實(shí)就是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行研發(fā)的一個(gè)開(kāi)端，兩者之間最大的相同點(diǎn)就是研發(fā)人員在機(jī)械手臂里和機(jī)器人體內(nèi)都要安裝芯片，通過(guò)設(shè)定好的程序讓芯片發(fā)出命令來(lái)控制機(jī)械手臂與機(jī)器人按照指令做出動(dòng)作，雙方在構(gòu)造與能力中還是都有各自的優(yōu)點(diǎn)的，比如說(shuō)，機(jī)械手臂比機(jī)器人在日常的生產(chǎn)工作中會(huì)有更高的效率，但是機(jī)器人卻比機(jī)械手臂更加的智能，從而可以看出，機(jī)械手臂是為了滿足人類(lèi)生產(chǎn)上的需要，而機(jī)器人是為了滿足人類(lèi)希望機(jī)器能夠更加人性化的需要，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.工業(yè)機(jī)械手概述1.1工業(yè)機(jī)械手簡(jiǎn)介工業(yè)機(jī)械手在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是在機(jī)床工業(yè)生產(chǎn)方面可以作為附加的裝置。特別是自動(dòng)化程度較高的機(jī)床，在生產(chǎn)線上需要傳遞零部件，比如更換刀具等，這些都無(wú)法實(shí)施獨(dú)立的控制，但是在某些操作環(huán)節(jié)必須由人工來(lái)進(jìn)行，還有在原子能部門(mén)特別危險(xiǎn)的物品，只能通過(guò)機(jī)械手進(jìn)行操作，這樣才能夠提升操作的安全性。完整的工業(yè)機(jī)械手由以下四部分組成。1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)：機(jī)械手完成具體動(dòng)作的執(zhí)行單元，一般由關(guān)節(jié)、桿件組成。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依賴(lài)于機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)的功能動(dòng)作。2.驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置：由驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體。驅(qū)動(dòng)器通常有電機(jī)(伺服電機(jī)、變頻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī))、液動(dòng)或氣動(dòng)裝置；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常有滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。3.控制系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)以及控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)，其中會(huì)將信號(hào)對(duì)外輸出，在控制流程方面，設(shè)計(jì)人員會(huì)提前設(shè)置好輸出信號(hào)，然后將信號(hào)傳遞到驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)的具體動(dòng)作。4.智能系統(tǒng)：目前機(jī)械手系統(tǒng)中一個(gè)不夠完善但發(fā)展很快的子系統(tǒng)。它主要有兩種結(jié)構(gòu)組成，分別是決策智能系統(tǒng)以及感知系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)更好的感知系統(tǒng)內(nèi)部由各類(lèi)傳感器實(shí)現(xiàn)，分析決策智能系統(tǒng)由各類(lèi)分析算法實(shí)現(xiàn)。1.2工業(yè)機(jī)械手國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀工業(yè)機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域可以發(fā)揮出不可替代的作用和人手具有類(lèi)似的特點(diǎn)，但是能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)操作，通過(guò)提前設(shè)置相應(yīng)的程序，可以搬運(yùn)物品或者抓取物品，通過(guò)這種操作來(lái)代替人的作用。工業(yè)機(jī)械手大多數(shù)情況下可以應(yīng)用于繁重的體力勞動(dòng)環(huán)節(jié)，并且大量重復(fù)或者單調(diào)，這些如果利用人工將會(huì)產(chǎn)生不好的效果，但是應(yīng)用了工業(yè)機(jī)械手可以極大的解放人的勞動(dòng)力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)，比如在有害環(huán)境下替代了人工操作的麻煩，同時(shí)還能夠優(yōu)化勞動(dòng)條件，提升了工作人員的安全水平，在機(jī)械制造、冶金、輕工業(yè)和原子能等領(lǐng)域都有運(yùn)用。美國(guó)在1940年開(kāi)發(fā)出了原子能實(shí)驗(yàn)技術(shù)，但是為了防止安全事故，美國(guó)使在處理放射性材料時(shí)，通過(guò)機(jī)械手來(lái)搬運(yùn)，這也開(kāi)創(chuàng)了機(jī)械手的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)后期的優(yōu)化，機(jī)械手已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)多種操作，最終走出了實(shí)驗(yàn)室。在工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)也得到了廣泛的使用，比如在高溫環(huán)境下午可以代替人工進(jìn)行工作，存在嚴(yán)重污染的區(qū)域工作人員無(wú)法靠近，所以通過(guò)機(jī)械手可以裝卸材料。在機(jī)床輔助生產(chǎn)環(huán)節(jié)也能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)，讓零部件可以自主的展開(kāi)操作，上下料環(huán)節(jié)，或者安放刀具等固定的流程，都可以通過(guò)機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著工業(yè)裝配線自動(dòng)化程度的不斷提高，且趨向柔性化發(fā)展方向。自動(dòng)化機(jī)械被越來(lái)越廣泛的被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，但是機(jī)械手同樣面臨較高的成本。這是由于成本較高，所以也會(huì)被工業(yè)生產(chǎn)所重視，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)機(jī)械手的品質(zhì)決定了生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。機(jī)械手已經(jīng)替代了較多的傳統(tǒng)裝備，通過(guò)模仿人手來(lái)完成相關(guān)的動(dòng)作，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的操作對(duì)物體進(jìn)行搬運(yùn)或者抓取以往階段繁重的體力勞動(dòng)，可以通過(guò)機(jī)械手進(jìn)行替代，促進(jìn)了機(jī)械化的生產(chǎn)，在某些特殊狀況下還能代替人工進(jìn)行操作，提高了操作的安全性，現(xiàn)已成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的一種重要手段，并成為機(jī)械加工人員所需掌握的生產(chǎn)工具，所以受到機(jī)械制造、冶金、電子、包裝、塑料、輕工和原子能等眾多行業(yè)人士的關(guān)注。1.3工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)21世紀(jì)，機(jī)器人技術(shù)也獲得了空前的發(fā)展，各國(guó)都在加大力度進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。1、在工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)始大量使用工業(yè)機(jī)器人，能夠有效的提升工作的效率，并且機(jī)器人快速工作還能確保生產(chǎn)的精準(zhǔn)性，并且價(jià)格方面也在逐漸凸顯出優(yōu)勢(shì)。2.生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)了模塊化的趨勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化的組合。3.在工業(yè)機(jī)器人控制發(fā)展領(lǐng)域開(kāi)始逐漸實(shí)現(xiàn)智能化的應(yīng)用，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)控制器展開(kāi)了研究，最終實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化的操作。在當(dāng)前的工業(yè)機(jī)器人研究領(lǐng)域，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備日益變得更加高效，要求控制會(huì)變得更加容易操作，所以大多數(shù)情況下會(huì)優(yōu)先考慮模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)在可靠性方面和維修性方面也具備良好的優(yōu)勢(shì)。4.傳感器接口在機(jī)器人應(yīng)用當(dāng)中地位變得更加明顯。這也是機(jī)器人智能化的重要趨勢(shì)，通過(guò)傳感器技術(shù)的升級(jí)帶動(dòng)機(jī)器人智能化程度的增長(zhǎng)。特別是現(xiàn)階段圍繞著傳感器的融合計(jì)算方式也有相應(yīng)的研究，最終形成了多傳感器融合算法。5.在機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域虛擬顯示技術(shù)同樣有了較快的發(fā)展，并且在程序控制當(dāng)中也發(fā)揮了重要的作用，通過(guò)遙控操作模式操作者遠(yuǎn)離機(jī)器人，同樣可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的操縱。6.機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)向萎縮化，小型機(jī)器人也成為了發(fā)展趨勢(shì)，比如納米機(jī)器人，美國(guó)在世界范圍內(nèi)最早研發(fā)出了納米小型機(jī)器人。7.隨著操作系統(tǒng)的升級(jí)，遙控機(jī)器人也成為了新的選擇，不需要通過(guò)全自動(dòng)化的控制，通過(guò)遙控就能夠完成這些人的操作，通過(guò)局部的自主系統(tǒng)帶動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行，所以智能機(jī)器人可以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)。8.機(jī)器人的強(qiáng)大功能可以代替人工在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中發(fā)揮應(yīng)有的價(jià)值，機(jī)器人化機(jī)器成為了未來(lái)研究的重點(diǎn)，通過(guò)相應(yīng)的研究可以讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的自動(dòng)化值班，并且在多個(gè)場(chǎng)合能夠適應(yīng)大型散料運(yùn)輸?shù)取?.機(jī)械手的改進(jìn)設(shè)計(jì)2.1機(jī)械手的總體改進(jìn)2.1.1機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)機(jī)械手分類(lèi)的方式一般有很多種，當(dāng)前還沒(méi)有一個(gè)固定的分類(lèi)準(zhǔn)則，例如既能按照機(jī)械手構(gòu)造的坐標(biāo)特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，又能按照機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分類(lèi)，還能按照機(jī)械手的使用方式進(jìn)行分類(lèi)，一般情況下，人們都會(huì)按照機(jī)械手構(gòu)造的坐標(biāo)特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)。如圖1.1，機(jī)械手按照構(gòu)造的坐標(biāo)特點(diǎn)一次被分為了直角坐標(biāo)型，圓柱坐標(biāo)型，球坐標(biāo)型以及關(guān)節(jié)型。圖1.1工業(yè)機(jī)械手按結(jié)構(gòu)坐標(biāo)分類(lèi)1直角坐標(biāo)型直角坐標(biāo)型一般也被叫作笛卡爾坐標(biāo)性以及臺(tái)架型。這種類(lèi)型的機(jī)械手一般都是有三個(gè)線性關(guān)節(jié)的，是用來(lái)確認(rèn)末端操作器的所在，一般情況下有的機(jī)械手還會(huì)增加一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)也是用來(lái)確認(rèn)末端操作器的所在的。這種類(lèi)型的機(jī)械手可以獨(dú)立的在X,Y,Z軸上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的程序也是可以單獨(dú)進(jìn)行的，而且程序還是線性的，所以這種類(lèi)型讓計(jì)算機(jī)能夠非常容易的操作，這種機(jī)械手在兩邊都可以進(jìn)行支撐，而且其工作的進(jìn)度和定位分辨率可以不因?yàn)楣ぷ鲌?chǎng)所的變動(dòng)而產(chǎn)生改變。2圓柱坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)機(jī)械手是由兩個(gè)活動(dòng)的關(guān)節(jié)以及一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)來(lái)確認(rèn)零件的定位，通常情況下還會(huì)添加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)來(lái)確認(rèn)零件的定位。這種類(lèi)型的機(jī)修手能夠圍繞一個(gè)中心軸來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角，工作的內(nèi)容可以無(wú)限的延伸而且計(jì)算起來(lái)也會(huì)比較容易，直線的部分還可以使用液壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)可以輸出比較大的動(dòng)力。3球坐標(biāo)型球坐標(biāo)型機(jī)械手使用的是球坐標(biāo)系，這種類(lèi)型的機(jī)械手是由一個(gè)活動(dòng)的關(guān)節(jié)以及兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)來(lái)確認(rèn)零件的定位，通常情況下還會(huì)添加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)來(lái)確認(rèn)零件的定位。這種機(jī)械手能夠圍繞中心的軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，在中心支架周?chē)鷶U(kuò)大工作的范圍，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)的設(shè)備比較容易密封，波及的范圍也比較廣。4關(guān)節(jié)型關(guān)節(jié)型機(jī)械手全部的關(guān)節(jié)都能轉(zhuǎn)動(dòng)，跟人類(lèi)的手臂很像，這種機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人中比較多見(jiàn)的一種機(jī)械手，工作的內(nèi)容也比較繁瑣。2.1.2機(jī)械手的總體改進(jìn)圖1.2機(jī)械手工作布局圖在該設(shè)計(jì)中，按照設(shè)計(jì)的具體要求，如圖2.2所示，機(jī)械手需要搬動(dòng)的部件重量設(shè)定的為10KG，而且搬動(dòng)的直接距離應(yīng)該為500MM，因此要在讓該機(jī)械手設(shè)計(jì)達(dá)到要求的前提下，再把機(jī)械手的構(gòu)造設(shè)計(jì)的更加簡(jiǎn)單一點(diǎn)，便于縮減成本。通過(guò)設(shè)計(jì)可以得知，設(shè)計(jì)的機(jī)械手在運(yùn)行的時(shí)候只用進(jìn)行直線的運(yùn)動(dòng)，因此手臂的上升和下降以及梁的平行都是兩個(gè)直線的運(yùn)動(dòng)，這時(shí)機(jī)械手的自由度可以設(shè)定為3，坐標(biāo)為直角坐標(biāo)，就是X軸Y軸兩個(gè)移動(dòng)自由度，這種設(shè)計(jì)的最大的優(yōu)勢(shì)就是：構(gòu)造簡(jiǎn)單大方，而且還有很強(qiáng)的精準(zhǔn)性。2.2機(jī)械手的手部改進(jìn)設(shè)計(jì)2.2.1手部概述工業(yè)機(jī)械手臂的手又叫作末端操作器，是機(jī)械手臂用來(lái)對(duì)物品進(jìn)行抓住、握住等一些簡(jiǎn)單的操作的一個(gè)零件，末端操作器可以模擬人手進(jìn)行工作，是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，主要也被組裝在機(jī)械手臂的前面。隨著科技的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手臂的用途也越來(lái)越廣，因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)的零部件不管是從大小、重量還是從外型都是不一樣的，因此工業(yè)機(jī)械手臂的手必須也要有許多不同的種類(lèi)，很多工業(yè)機(jī)械手臂的手的構(gòu)造都是需要特別定做的，一般比較常見(jiàn)的有這幾種：1.夾鉗式取料手2.吸附式取料手3.專(zhuān)用操作器及轉(zhuǎn)換器4.仿生多指靈巧手。2.2.2手部的改進(jìn)方案在該設(shè)計(jì)中，需要搬起的東西是曲軸，曲軸是相對(duì)于比較小的零部件，因此在搬運(yùn)曲軸的時(shí)候要使用使用夾鉗式取料手。夾鉗式取料手是工業(yè)機(jī)械手中最比較常見(jiàn)的一種末端操作器，一般都使用在對(duì)部件進(jìn)行組裝的流水線上，夾鉗式取料手主要是由手抓、驅(qū)動(dòng)、連接和元件構(gòu)成的，工作的原理跟鉗子類(lèi)似。1.手指的改進(jìn)方案手指就是夾鉗式取料手和工作零件進(jìn)行接觸的一個(gè)部位。手的放開(kāi)與緊握都是利用手指的打開(kāi)和關(guān)閉來(lái)完成的。工業(yè)機(jī)械手臂的手指通常有兩個(gè)手指，特殊的工業(yè)機(jī)械手臂的手指一般會(huì)有三個(gè)或者更多的手指，這些手指的外形一般都由被夾的物品的外形來(lái)決定的。在該設(shè)計(jì)中，被夾的物品是圓柱形狀的，因此一般會(huì)使用V形的，V形手指的優(yōu)勢(shì)就在于夾物品時(shí)更加的穩(wěn)固，不會(huì)輕易滑落，外形如圖1.3。2.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理是把運(yùn)動(dòng)以及動(dòng)力傳送給手指，讓手指通過(guò)指令的傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)抓緊以及放松的一種機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)依照手指抓緊以及放松的特點(diǎn)又被分為回轉(zhuǎn)型手指以及移動(dòng)型手指。該設(shè)計(jì)使用的就是回轉(zhuǎn)型的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，從圖1.3中可以看出，整個(gè)外形是由一個(gè)插銷(xiāo)把驅(qū)動(dòng)杠桿和連桿相連，驅(qū)動(dòng)杠桿在做直線來(lái)回工作的時(shí)候，是根據(jù)推進(jìn)兩個(gè)杠桿的手指，讓這兩個(gè)手指分別圍繞著某一個(gè)支點(diǎn)進(jìn)行來(lái)回旋轉(zhuǎn)的工作，在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，會(huì)帶動(dòng)手指進(jìn)行放松與抓緊的動(dòng)作。因?yàn)閭鲃?dòng)機(jī)構(gòu)中涉及的部件比較多，因此定位的準(zhǔn)確性不太高。圖1.3機(jī)械手手指2.3機(jī)械手的手臂改進(jìn)設(shè)計(jì)2.3.1手臂概述手臂就是工業(yè)機(jī)械手臂執(zhí)行過(guò)程中最關(guān)鍵的一個(gè)部位，手臂的功能就是把抓起來(lái)的部件送到特定的區(qū)域，通常情況下，工業(yè)機(jī)械手臂有三個(gè)自由的動(dòng)作，分別是手臂的伸長(zhǎng)和縮短、左旋轉(zhuǎn)和右旋轉(zhuǎn)以及上升和下降。工業(yè)機(jī)械手臂所有的工作動(dòng)作一般都是由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及不同種類(lèi)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成的，因此，工業(yè)機(jī)械手臂除了要承擔(dān)被抓取零部件的重量還要承擔(dān)末端執(zhí)行器以及手臂自己的重量。手臂的組成、運(yùn)動(dòng)的區(qū)域、靈敏性和抓取物品的重量都能關(guān)系到工業(yè)機(jī)械手臂的能力。2.3.2手臂的改進(jìn)方案工業(yè)機(jī)械手臂垂直手臂的上升和下降以及水平手臂的延伸和收縮都是一種直線運(yùn)動(dòng)的工作。直線運(yùn)動(dòng)的原理就是利用了氣動(dòng)傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和電機(jī)傳動(dòng)這三種傳動(dòng)讓滾珠絲杠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在設(shè)計(jì)中要顧慮到搬運(yùn)物品的大小以及重量，在前文中提到過(guò)該設(shè)計(jì)中機(jī)械手需要搬動(dòng)的部件重量設(shè)定的為10KG，已經(jīng)算比較中間的重量了，這個(gè)時(shí)候就要顧慮到工業(yè)機(jī)械手臂的承受能力了，與此同時(shí)還要顧及到手臂的安全性能以及手臂的質(zhì)量。根據(jù)多方面的考慮，兩個(gè)手臂的驅(qū)動(dòng)都使用的是液壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)液壓缸直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，液壓缸不僅僅是驅(qū)動(dòng)的元件還是執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)件，初次之外就不再設(shè)計(jì)多余的執(zhí)行件了，由液壓缸來(lái)進(jìn)行直線的運(yùn)動(dòng)，操作起來(lái)也比較簡(jiǎn)單，這種方式更容易讓計(jì)算機(jī)進(jìn)行操控。液壓系統(tǒng)具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)作用，所以驅(qū)動(dòng)作用以及構(gòu)造的力度都非常容易成為現(xiàn)實(shí)，重要的環(huán)節(jié)就是工業(yè)機(jī)械手臂在工作時(shí)的穩(wěn)固性以及質(zhì)量的好壞。從中可以得知工業(yè)機(jī)械手臂在設(shè)計(jì)的時(shí)候要保證液壓缸的直徑要大一些，其次再對(duì)質(zhì)量進(jìn)行審核。與此同時(shí)，按照管控與相關(guān)工作的需求，工業(yè)機(jī)械手臂的構(gòu)造也不能過(guò)大，要是只利用加大液壓缸的直徑來(lái)讓強(qiáng)度增強(qiáng)，是不可能達(dá)到強(qiáng)度的需求的。所以，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候還要根據(jù)需求再添加一些導(dǎo)桿的機(jī)構(gòu)，機(jī)械手的垂直手臂還添加了兩個(gè)導(dǎo)桿，這兩個(gè)導(dǎo)桿的功能就是要加大強(qiáng)度，利用增加的兩個(gè)導(dǎo)桿，可以有效的提升工業(yè)機(jī)械手臂的穩(wěn)固性。2.4機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)2.4.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述工業(yè)機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)依照動(dòng)力可以歸納為三個(gè)種類(lèi)，分別是液壓、氣動(dòng)以及電力。按照相關(guān)條件的需求也可以講液壓、氣動(dòng)以及電動(dòng)這三個(gè)種類(lèi)融合成一個(gè)驅(qū)動(dòng)。這三個(gè)種類(lèi)的驅(qū)動(dòng)的特征有：1.液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，液壓技術(shù)已經(jīng)有了很好的發(fā)展，具有很多優(yōu)勢(shì)，比如強(qiáng)勁的動(dòng)力、力量和慣量之間的比例大、靈敏性高以及可以進(jìn)行直接的驅(qū)動(dòng)等一些特征。這些特征有利于承載能力巨大以及慣量巨大的環(huán)境中運(yùn)行的工業(yè)機(jī)械手臂?？墒?，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工作的時(shí)候還需要把電能換成液壓能，在對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)候還要使用節(jié)流的方式來(lái)降低速度，這樣以來(lái)工作的能力就比電動(dòng)的驅(qū)動(dòng)低很多，而且液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如果出現(xiàn)了液體泄漏的現(xiàn)象，會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的污染。2.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的速度是很快的，這個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造也比較簡(jiǎn)潔大方，修理的時(shí)候也會(huì)很便捷，定價(jià)也不高，該系統(tǒng)可以用在中型和小型負(fù)荷的工業(yè)機(jī)械手臂上。不足的地方就是因?yàn)椴蝗菀讓?shí)行伺服操控，因此只能用在程序操控的工業(yè)機(jī)械手臂上。3.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因?yàn)閼T量不高等一些優(yōu)點(diǎn)，使得電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被很多工業(yè)機(jī)械手臂使用，而且電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)還有很多，比如：在使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)候不用對(duì)能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在使用的時(shí)候會(huì)感到非常的便捷，還沒(méi)有很大分貝的噪音，操控起來(lái)也非常的靈敏。很多的電機(jī)在組裝的時(shí)候都需要組裝一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)合這一系列的優(yōu)點(diǎn)就讓電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被原來(lái)越多的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用。2.4.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則在對(duì)工業(yè)機(jī)械手臂進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，如要想要安裝驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，就要按照工業(yè)機(jī)械手臂的使用范圍、工作需求、工業(yè)機(jī)械手臂的真實(shí)能力、維修的困難度和性價(jià)比這一些條件進(jìn)行綜合的思考。對(duì)各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)進(jìn)行匯總，再選擇出最適合工業(yè)機(jī)械手臂的一種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，選擇的標(biāo)準(zhǔn)大致有：1.對(duì)物品進(jìn)行搬運(yùn)的時(shí)候一般使用的就是點(diǎn)位操控，需要搬運(yùn)非常重的物品的時(shí)候，工業(yè)機(jī)械手臂就會(huì)選擇使用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，搬運(yùn)不太重的物品的時(shí)候，工業(yè)機(jī)械手臂就會(huì)選擇使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，搬運(yùn)比較輕的物品的時(shí)候，就可以選擇使用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2.一些工業(yè)機(jī)械手臂是用在電焊以及一些噴涂上的，這就需要使用點(diǎn)位以及軌跡操控的能力，這種情況下就要使用伺服驅(qū)動(dòng)。電焊和噴涂的一些工業(yè)機(jī)械手臂只能使用液壓或者電動(dòng)系統(tǒng)。搬運(yùn)物品比較重的情況下，這些工業(yè)機(jī)械手臂就要使用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2.4.3機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在上世紀(jì)60年代初全球第一臺(tái)工業(yè)機(jī)械手臂起就已經(jīng)開(kāi)始使用了，越來(lái)越多的工業(yè)機(jī)械手臂開(kāi)始使用液壓系統(tǒng)。當(dāng)前，搬運(yùn)物品重量屬于中等的工業(yè)機(jī)械手臂都在使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可是從便捷性以及性價(jià)比的角度考慮，還是搬運(yùn)物品非常重以及噴涂性的工業(yè)機(jī)械手臂都在使用液壓系統(tǒng)的比較多。液壓系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)械手臂的使用原理是利用電動(dòng)轉(zhuǎn)換為液壓的一種元件把轉(zhuǎn)換訊息的功率擴(kuò)大，操控起液壓動(dòng)力系統(tǒng)中的各項(xiàng)功能，然后再對(duì)工業(yè)機(jī)械手臂的動(dòng)作進(jìn)行操控。液壓系統(tǒng)通常都是使用的液壓缸或者馬達(dá)，持續(xù)啊旋轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)確實(shí)不怎么經(jīng)常使用。在工業(yè)機(jī)械手臂的使用中，普通功率的液壓驅(qū)動(dòng)都是用節(jié)流的方式來(lái)調(diào)節(jié)速度的，而大功率的液壓驅(qū)動(dòng)使用的則是使用容積調(diào)節(jié)速度。2.4.4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案根據(jù)該設(shè)計(jì)的內(nèi)容，對(duì)設(shè)計(jì)的理念以及設(shè)計(jì)工作的具體實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行過(guò)多方面的考慮以后可以得出。工業(yè)機(jī)械手臂的手臂要使用液壓缸，手抓的部位要使用液壓柱塞和中間的驅(qū)動(dòng)桿合作，通過(guò)合作可以讓手指實(shí)現(xiàn)放開(kāi)與緊握。3.機(jī)械手控制系統(tǒng)的改進(jìn)3.1機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件改進(jìn)機(jī)械手臂在工作的時(shí)候有很多的動(dòng)作，比如大臂在工作中可以自由的進(jìn)行延伸與收縮，小臂在工作中可以自由的進(jìn)行上升與下降，手爪在工作中可以自由的進(jìn)行松開(kāi)與緊握。大臂與小臂的工作都使用的液壓驅(qū)動(dòng)，液壓缸也受電磁閥的操控，小臂在升降的時(shí)候是被雙線圈的兩種電磁閥來(lái)操控的，比如說(shuō)，當(dāng)下降電磁閥被通上電了以后，這時(shí)候手爪就開(kāi)始下降了；當(dāng)下降的電磁閥不通電的時(shí)候，手抓就會(huì)暫停動(dòng)作。同樣的道理，往上升的電磁閥被通上電了以后，手抓就開(kāi)始上升，當(dāng)上升的電磁閥不通電的時(shí)候，手爪就會(huì)暫停上升。大臂的延伸與收縮主要就是由電液伺服閥等一系列機(jī)構(gòu)進(jìn)行掌控。手抓的握緊和松開(kāi)，都是利用的柱塞缸以及齒輪。柱塞缸一般就是由單層線圈的電磁閥來(lái)進(jìn)行操控的，線圈在沒(méi)有電的情況下，柱塞缸就不會(huì)啟動(dòng)，線圈有電的情況下，柱塞缸才會(huì)開(kāi)始工作。3.2機(jī)械手操作面板布置根據(jù)圖3.2可以看出，機(jī)械手臂的操作一般有手動(dòng)與自動(dòng)兩種方式。手動(dòng)操作：根據(jù)圖3.2所示，如果想要手臂進(jìn)行上升或者下降的動(dòng)作，就要按一下相應(yīng)的只是開(kāi)關(guān)，這個(gè)時(shí)候手臂就會(huì)根據(jù)指令上升或者下降，同樣的道理，根據(jù)控制面板想讓機(jī)械手臂做出什么樣的動(dòng)作，就按哪一個(gè)開(kāi)關(guān)。圖3.2操作面板示意圖自動(dòng)操作：找到原點(diǎn)，然后按一下開(kāi)關(guān)鍵，這個(gè)時(shí)候機(jī)械手臂的動(dòng)作都是已經(jīng)設(shè)定好了，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行操作。3.3控制器的選型工業(yè)機(jī)械手臂的系統(tǒng)對(duì)硬件的要求都非常嚴(yán)格，因?yàn)闀?huì)牽扯到系統(tǒng)質(zhì)量的好壞，對(duì)與控制器的選擇也要格外的細(xì)心，要選擇性價(jià)比最高的一款——PLC，當(dāng)前我國(guó)使用最多的還是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-200型PLC。圖3.3SIEMENSSIMATICS7-200PLC3.4控制系統(tǒng)原理分析工業(yè)機(jī)械手臂在工作的時(shí)候，各種步驟與功能都會(huì)有比較嚴(yán)格的要求，因此在對(duì)工業(yè)機(jī)械手臂進(jìn)行操控的時(shí)候，小臂和手爪使用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以外，大臂的操作也需要閉環(huán)伺服進(jìn)行操控。為了讓PLC的I/O點(diǎn)數(shù)變得更少，就要把伺服的放大器中傳感系統(tǒng)傳送到輸送的一端，把自己設(shè)定好的各種信號(hào)通過(guò)對(duì)比再變成控制的信號(hào)發(fā)到PID進(jìn)行調(diào)節(jié)，這時(shí)驅(qū)動(dòng)電液伺服閥會(huì)確定液壓缸的位置。然后PLC會(huì)把上位機(jī)的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱男盘?hào)，再把電壓的信號(hào)傳送如伺服的放大器中，這時(shí)伺服的放大器就進(jìn)行閉環(huán)對(duì)比，從而就形成了模擬的一個(gè)控制系統(tǒng)。由圖4-4可以看出，這種方式大大減輕了工作的壓力。`圖3.4水平手臂伺服定位控制原理圖3.5PLC外部接線設(shè)計(jì)為了讓小臂的液壓缸能夠達(dá)到伺服確定位置的需求，德國(guó)西門(mén)子生產(chǎn)的PLC，早已考慮到了這個(gè)問(wèn)題，因此在設(shè)備中還添加了用于模擬量輸入的模塊，該模擬量使用的是-10V~+10