机械手的原理

关键词：直线模组、长行程直线模组、机械手

工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。

实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常 出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。

一、机械手的组成及分类

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统组成。

1、执行机构：包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

① 手部：是机械手与工件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。

② 手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。

③ 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。

④ 立柱：是支承手臂的部件。手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的。

⑤ 机座：是机械手的基础部分。机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支承和联接的作用。

2、驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。

3、控制系统：控制系统是机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行机构按规定的要求进行工作，并检测其正确与否。一般常见的为电器与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。

工业机械手的分类可以按所承担的作业的特点、功能、驱动方式和控制方式分类。

1、根据所承担的作业的特点，工业机械手可分为以下三类：

① 承担搬运工作的机械手：这种机械手在主要工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。

② 生产工业用机械手：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等。

③ 通用工业机械手：其用途广泛，可以完成各种工艺作业。

2、按功能分类

① 专用机械手：它是附属于主机的具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少，工作对象单一，结构简单，实用可靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。

② 通用机械手：又称工业机器人。它是一种具有独立控制系统的机械装置。具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强的特点，适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。

③ 示教再现机械手：采用示教法编程的通用机械手。所谓示教，即由人通过手动控制，“拎着”机械手做一遍操作示范，完成全部动作后，其储存装置即能记忆下来。机械手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作。

3、 按驱动方式分。液压传动机械手；气压传动机械手；机械传动机械手。

4、按控制方式分。a）固定程序机械手：控制系统是一个固定程序的控制器。程序简单，程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。b)可编程序机械手：控制系统是一个可变程序控制器。其程序可按需要编排，行程能很方便改变。

二、机械手的定位方式

1.机械挡块定位

工业用机械手常用的定位方式主要是机械挡块定位。机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块，当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。

若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于±0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。

2.气压定位

气压传动机械手是以空气为主要动力源，通过气压装置来驱动机械手运动的。其优点是：结构简单，动作迅速，成本低，动力源环保无污染。缺点是：定位冲击大，速度稳定性差，抓取力小。因此适用于高速度、小负载的场合。下面以冲床机械手为例，介绍机械手的气压定位方式。

冲床就是一台冲压式压力机。在国民生产中，冲压工艺由于比较传统机械加工来说有节约材料和能源，效率高，对操作者技术要求不高及通过各种模具应用可以做出机械加工所无法达到的产品这些优点，因而它的用途越来越广泛。但冲床的人工操作比较危险，工作环境噪音大，危险性高，所以适合使用机械手来实现自动化冲压。

冲压机械手最需要解决的问题就是如何将材料精确放到模具内，所以，材料定位方式显得最为重要。我们通过三个方面来保证材料定位精准：

1）通过气动装置不断拍打材料是之到达精准的工作位置。材料在自动升降机内，左上角是固定的定位边，右下角有气动定位装置，不断拍打材料。

2）采用伺服电机驱动，重复运动精度是0.08mm，保证连续运动位置的精准。

3）冲压模具内设置锥形定位柱，材料放到模具后，可以导向，让位置精准。

3.液压定位

液压传动机械手是以液体压力为主要动力源，通过液压装置来驱动机械手运动的。其优点是：结构紧凑，动作灵敏，运动平稳，抓取力大。缺点是：对密封装置的要求十分严格，由于油温的敏感性，不宜用于温度过高或过低的场合，并且成本较高。由于上述不足，通常采用电液伺服阀来实现连续轨迹控制，从而获得良好的定位精度。

二、机械手的定位误差的几个影响因素

机械手定位，要在三维空间里分析。机械手的定位实际上是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的影响因素。主要由以下7个因素：1、定位方式：不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。2、定位速度：定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。3、精度：机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。4、刚度：机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。5、运动件的重量：运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量。运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。6、驱动源：液压、气压的压力波动及电压、油温、气温的波动都会影响机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节油温措施。如用蓄能器稳定油压，用加热器或冷却器控制油温，低速时，用温度、压力补偿流量控制阀控制。7、控制系统：开关控制、电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关。