一、介紹
在現(xiàn)今的生活上,科技日新月益的進展之下,機械人手臂與有人類的手臂最大區(qū)別就在于靈活度與耐力度。也就是機械手的最大優(yōu)勢可以重復(fù)的做同一動作在機械正常情況下永遠也不會覺得累!機械手臂的應(yīng)用也將會越來越廣泛,機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備,作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力。工業(yè)機械手機器人的一個重要分支。
按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式。特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè),構(gòu)造和性能上兼有人和機械手機器各自的優(yōu)點。
二、構(gòu)成
機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件(或工具)的部件,根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式,如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu),使手部完成各種轉(zhuǎn)動(擺動)、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作,改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式,稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體,需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多,機械手的靈活性越大,通用性越廣,其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2~3個自由度??刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制,來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息,形成穩(wěn)定的
閉環(huán)控制??刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構(gòu)成,通過對其編程實現(xiàn)所要功能。
三、執(zhí)行機構(gòu)
機械手的執(zhí)行機構(gòu)分為手部、手臂、軀干;
1、手部
手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔中裝有傳動軸,可把運用傳給手腕,以轉(zhuǎn)動、伸曲手腕、開閉手指。
機械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指,分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)3種。手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等,其中以二指用的最多??筛鶕?jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和大小的夾頭以適應(yīng)操作的需要。所謂沒有手指的手部,一般都是指
真空吸盤或磁性吸盤。
2、手臂
手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件,并運送到所需的位置上。為了使機械手能夠正確地工作,手臂的3個自由度都要精確地定位。
3、軀干軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構(gòu)的支架 。
四、驅(qū)動機構(gòu)
機械手所用的驅(qū)動機構(gòu)主要有4種:液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。
1、液壓驅(qū)動式
液壓驅(qū)動式機械手通常由液動機(各種油缸、油馬達)、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動系統(tǒng),由驅(qū)動機械手執(zhí)行機構(gòu)進行工作。通常它的具有很大的抓舉能力(高達幾百千克以上),其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐震動、防爆性好,但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能,否則漏油將污染環(huán)境。
2、氣壓驅(qū)動式
其驅(qū)動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成,其特點是氣源方便、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便。但難以進行速度控制,氣壓不可太高,故抓舉能力較低。
3、電氣驅(qū)動式電力驅(qū)動是機械手使用得最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便,響應(yīng)快,驅(qū)動力較大(關(guān)節(jié)型的持重已達400kg),信號檢測、傳動、處理方便,并可采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機一般采用
步進電機,
直流伺服電機(AC)為主要的驅(qū)動方式。由于電機速度高,通常須采用減速機構(gòu)(如
諧波傳動、RV擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多桿機構(gòu)等)。有些機械手已開始采用無減速機構(gòu)的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速電機進行直接驅(qū)動(DD)這既可使機構(gòu)簡化,又可提高控制精度。
4、機械驅(qū)動式
機械驅(qū)動只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)來實現(xiàn)規(guī)定的動作。其特點是動作確實可靠,工作速度高,成本低,但不易于調(diào)整。其他還有采用混合驅(qū)動,即液-氣或電-液混合驅(qū)動。
五、控制系統(tǒng)
機械手控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度、加減速度等。機械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種。
控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求,設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲,然后再根據(jù)規(guī)定的程序,控制機械手進行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。分離存儲是將各種控制因素的信息分別存儲于兩種以上的
存儲裝置中,如順序信息存儲于插銷板、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi);位置信息存儲于時間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等;集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲于一種存儲裝置內(nèi),如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合,即連續(xù)控制的情況下使用。
其中插銷板使用于需要迅速改變程序的場合。換一種程序只需抽換一種插銷板限可,而同一插件又可以反復(fù)使用;穿孔帶容納的程序長度可不受限制,但如果發(fā)生錯誤時就要全部更換;穿孔卡的信息容量有限,但便于更換、保存,可重復(fù)使用;磁蕊和磁鼓僅適用于存儲容量較大的場合。至于選擇哪一種控制元件,則根據(jù)動作的復(fù)雜程序和精確程序來確定。對動作復(fù)雜的機械手,采用求教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機械手采用
數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)以插銷板用的最多,其次是凸輪轉(zhuǎn)鼓。它裝有許多凸輪,每一個凸輪分配給一個運動軸,轉(zhuǎn)鼓運動一周便完成一個循環(huán)。
六、分類
機械手的種類,按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手;按適用范圍可分為專用機械手和
通用機械手兩種;按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置,如在
自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件,在
加工中心中更換刀具等,一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱,如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力,改善熱、累等勞動條件。
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。
七、優(yōu)勢
機械手可以減省工人、提高效率、降低成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)、安全性好、提升工廠形象。
多關(guān)節(jié)機械手的優(yōu)點是:動作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取靠近機座的工件,并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作.隨著生產(chǎn)的需要,對多關(guān)節(jié)手臂的靈活性,定位精度及作業(yè)空間等提出越來越高的要求。多關(guān)節(jié)手臂也突破了傳統(tǒng)的概念,其關(guān)節(jié)數(shù)量可以從三個到十幾個甚至更多,其外形也不局限于像人的手臂,而根據(jù)不同的場合有所變化,多關(guān)節(jié)手臂的優(yōu)良性能是單關(guān)節(jié)機械手所不能比擬的 [2] 。
八、應(yīng)用前景
隨著網(wǎng)絡(luò)技巧的發(fā)展,機械手的聯(lián)網(wǎng)操作問題也是以后發(fā)展的方向。工業(yè)機器人是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機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器各自的優(yōu)點,尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力,在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
九、市場需求
機械手是在機械化,自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中,機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中,機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi),迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù),它更加促進了機械手的發(fā)展,使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然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,機械手已受到許多部門的重視,并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。我國塑料機械已成為機械制造業(yè)發(fā)展最快的行業(yè)之一,年需求量在不斷的加大。我國塑料機械產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展主要有以下兩個大因素:一是對高技術(shù)含量裝備的需求所帶來的
設(shè)備更新及陳舊設(shè)備的淘汰;二是海內(nèi)塑料加工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,對塑料機械的需求旺盛。