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第第13章章 工业机械手工业机械手 1 1、机械手的组成：、机械手的组成：一、概述一、概述 机械手主要由机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统及位执行机构、驱动系统、控制系统及位置检测装置置检测装置等组成，各部分之间的相互关系如下图示。等组成，各部分之间的相互关系如下图示。工业机械手工业机械手是能够模仿人手的部分动作，按给定程序、是能够模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。（1）执行机构：）执行机构：包括包括手部、手腕、手臂和立柱手部、手腕、手臂和立柱等等部件，有的还增设行走机构。部件，有的还增设行走机构。手腕：连接手部和手臂手腕：连接手部和手臂手臂：支承手腕和手部手臂：支承手腕和手部立柱：支承手臂立柱：支承手臂驱动系统驱动系统控制装置：控控制装置：控制驱动系统制驱动系统法兰盘：外接手法兰盘：外接手部的机械式接口部的机械式接口（3 3）控制系统：）控制系统：机械手动作的机械手动作的指挥系统指挥系统，用来，用来控制动作的顺序、位置、时间、速度和加速度等。控制动作的顺序、位置、时间、速度和加速度等。（4 4）位置检测装置：）位置检测装置：控制执行机构的运动位置，控制执行机构的运动位置，随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行机构以一定的精度达到设定的位置。执行机构以一定的精度达到设定的位置。（2 2）驱动系统：）驱动系统：驱动执行机构运动的驱动执行机构运动的动力装置动力装置，常用液压、气动、电力和机械式四种形式。常用液压、气动、电力和机械式四种形式。2 2、机械手的运动与分类、机械手的运动与分类（1 1）机械手的运动：）机械手的运动：机械手以及其手部所夹持的机械手以及其手部所夹持的工件（或工具）在空间的位置，由臂部、腕部等组成工件（或工具）在空间的位置，由臂部、腕部等组成部件以及整机的各自独立运动的合成来确定。部件以及整机的各自独立运动的合成来确定。机械手通常可实现的机械手通常可实现的基本运动基本运动包括有：伸缩、回转、包括有：伸缩、回转、摆动、升降夹紧和松开等。摆动、升降夹紧和松开等。机械手的手臂、手腕、手部及整机主体的运动如机械手的手臂、手腕、手部及整机主体的运动如下图示：下图示：手腕运动：回转手腕运动：回转F、上下摆动、上下摆动G、左右摆动、左右摆动H手部运动：夹紧、松开手部运动：夹紧、松开整机行走整机行走手臂运动：伸缩手臂运动：伸缩A A、回转、回转B B、上下摆动、上下摆动C C、升降运动、升降运动D D（2 2）机械手）机械手的分类：的分类：按用途可分类为通用或专用机械按用途可分类为通用或专用机械手。手。按驱动方式可分类为液压、气动、按驱动方式可分类为液压、气动、电力和机械驱动机械手。电力和机械驱动机械手。按控制方式可分类为点位、连续轨按控制方式可分类为点位、连续轨迹控制等机械手。迹控制等机械手。按运动坐标形式可分类为直角、按运动坐标形式可分类为直角、圆柱、球和关节坐标四种机械手。圆柱、球和关节坐标四种机械手。直角坐标机械手直角坐标机械手：由三个相互正交的平移：由三个相互正交的平移轴组成。手臂可前后伸缩、上下升降和左轴组成。手臂可前后伸缩、上下升降和左右横移三个动作。结构简单右横移三个动作。结构简单,定位精度高。定位精度高。圆柱坐标机械手：由立柱和一个安装在立柱上圆柱坐标机械手：由立柱和一个安装在立柱上的水平臂组成手臂可前后伸缩、上下升降和绕的水平臂组成手臂可前后伸缩、上下升降和绕立柱转动其结构占据空间位置小，活动范围大。立柱转动其结构占据空间位置小，活动范围大。球坐标机械手：由回转机座、俯仰铰链和伸缩臂组成球坐标机械手：由回转机座、俯仰铰链和伸缩臂组成手臂可前后伸缩、上下和左右摆动。其结构能以简单手臂可前后伸缩、上下和左右摆动。其结构能以简单的机构得到较大的工作范围。的机构得到较大的工作范围。关节坐标型机械手：关节坐标型机械手：由大小两手臂和立柱等机构组成。由大小两手臂和立柱等机构组成。可实现三个方向的旋转运动。具有动作灵活、运动惯可实现三个方向的旋转运动。具有动作灵活、运动惯性小、动作范围大等优点。性小、动作范围大等优点。运动速度：是反映机械手生产水平，运动速度：是反映机械手生产水平，影响机械手的运动周期和工作效率影响机械手的运动周期和工作效率的参数。的参数。行程范围：对使用性能有较大的影行程范围：对使用性能有较大的影响。响。定位精度：是衡量机械手工作质定位精度：是衡量机械手工作质量的重要指标。量的重要指标。（3 3）机械手）机械手的主要参数的主要参数抓取重量（臂力）：指机械手所能抓取重量（臂力）：指机械手所能抓取或搬运物件的最大重量。是机抓取或搬运物件的最大重量。是机械手械手最基本的参数最基本的参数。二、手部二、手部 手部是机械手直接抓取和握紧物件或夹持专用手部是机械手直接抓取和握紧物件或夹持专用工具执行作业任务的部件。设计手部时，除满足抓工具执行作业任务的部件。设计手部时，除满足抓取要求外，还应满足以下几点要求：取要求外，还应满足以下几点要求：（1 1）手指握力的大小适宜；）手指握力的大小适宜；（2 2）应保证工件能顺利进入或脱开手指；）应保证工件能顺利进入或脱开手指；（3 3）应具有足够的强度和刚度，且自身重量轻；）应具有足够的强度和刚度，且自身重量轻；（4 4）动作迅速、灵活、准确，通用机械手在更换手）动作迅速、灵活、准确，通用机械手在更换手部时方便。部时方便。手部可根据其手部可根据其用途和结构用途和结构的不同，分为的不同，分为机械式机械式夹持夹持器、器、吸附式吸附式末端执行器和末端执行器和专用工具专用工具三类。它被安装在操三类。它被安装在操作机手腕或手臂的机械接口上。作机手腕或手臂的机械接口上。1 1、夹持式手部：、夹持式手部：特点：特点：夹持式手部夹持式手部在抓取工件的形状上有较大的在抓取工件的形状上有较大的适应性。适应性。驱动装置（双作用活塞缸）驱动装置（双作用活塞缸）传动机构（连杆机构、铰链连接）传动机构（连杆机构、铰链连接）手指（或手爪）手指（或手爪）（1 1）结构组成）结构组成指端：指端：手指上直接手指上直接与被夹持工件接触与被夹持工件接触的部位，其结构形的部位，其结构形状状取决于取决于工件形状。工件形状。手部结构按模仿人手部结构按模仿人手手指的动作可分手手指的动作可分为为回转型、移动型回转型、移动型等。等。夹持器多为夹持器多为双指手爪式双指手爪式。其手爪的运动方式除可分。其手爪的运动方式除可分为为平移型平移型和和回转型回转型外，其回转型手爪又可再分为外，其回转型手爪又可再分为单支点单支点和双支点和双支点；按夹持方式还可分为；按夹持方式还可分为外夹式外夹式和和内撑式内撑式；按驱；按驱动方式可分为动方式可分为电动（电磁）、液压和气动式电动（电磁）、液压和气动式。单支点回转型单支点回转型双支点回转型双支点回转型平移型平移型内撑式内撑式（2 2）手指夹紧力的计算）手指夹紧力的计算 机械手工作时，为保证手指能可靠的把工件夹牢所机械手工作时，为保证手指能可靠的把工件夹牢所必须的夹紧力计算公式为：必须的夹紧力计算公式为：F FN NKK1 1K K2 2K K3 3G G安全系数，通常取安全系数，通常取1.21.22 2工件情况系数工件情况系数方位系数方位系数被抓取工件的重量被抓取工件的重量 2 2、方位系数是从考虑手指处于不同位置处夹取工件、方位系数是从考虑手指处于不同位置处夹取工件时，对夹紧力影响的系数。其值按表时，对夹紧力影响的系数。其值按表13.113.1选取。选取。夹紧力夹紧力注：注：1、工作情况系数主要考虑惯性力的影响，可按、工作情况系数主要考虑惯性力的影响，可按K2=1.12.5 或或 K2=1+a/g 估算。估算。手指夹持工件所需的驱动力大小，在同一夹紧力的条手指夹持工件所需的驱动力大小，在同一夹紧力的条件下，随所采用的传动机构的不同而不同。但其计算方件下，随所采用的传动机构的不同而不同。但其计算方法都是按照具体的传动机构进行力的分析，根据力系平法都是按照具体的传动机构进行力的分析，根据力系平衡原理进行的。衡原理进行的。（3 3）驱动力的计算）驱动力的计算1）连杆传动式：）连杆传动式：回转型驱动力的计算：回转型驱动力的计算：设作用在活塞杆设作用在活塞杆1上的驱动上的驱动力为力为Fp，手指，手指3作用于工件上作用于工件上的夹紧力为的夹紧力为FN。根据活塞杆受力的平衡条件可得驱动力为：根据活塞杆受力的平衡条件可得驱动力为：2）滑槽杠杆式）滑槽杠杆式拉杆上下运动拉杆上下运动圆柱销在两杠杆圆柱销在两杠杆的滑槽中移动的滑槽中移动杠杆绕铰链转动，带动杠杆绕铰链转动，带动手指实现夹紧或松开手指实现夹紧或松开驱动力与夹紧力的关系为：驱动力与夹紧力的关系为：移动型驱动力的计算：移动型驱动力的计算：1 1）齿轮齿条式）齿轮齿条式2 2）左右旋丝杆平移式）左右旋丝杆平移式夹紧力为驱动力的一半，夹紧力为驱动力的一半，即：即：提供给丝杆的驱动力矩提供给丝杆的驱动力矩M与手部夹紧力的关系为：与手部夹紧力的关系为：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，适用于抓取大平吸附式手部依靠吸附力抓取物料，适用于抓取大平面、易碎、微小等类型的物料。其手部的真空负压吸盘面、易碎、微小等类型的物料。其手部的真空负压吸盘或电磁吸盘是两种常见的吸附力来源或电磁吸盘是两种常见的吸附力来源。1）真空负压吸盘）真空负压吸盘适用：适用：多用于抓多用于抓取薄板及弧形壳取薄板及弧形壳体工件等。体工件等。吸盘中形成的吸盘中形成的真空吸附工件真空吸附工件特点：特点：结构简单、结构简单、重量轻、表面吸重量轻、表面吸附力分布均匀。附力分布均匀。橡胶或软塑料制橡胶或软塑料制成的碗状吸附盘成的碗状吸附盘 采用电磁铁通采用电磁铁通过磁场吸力作用吸过磁场吸力作用吸取工件。取工件。2）电磁吸盘）电磁吸盘特点：特点：结构简单，结构简单，但只适合于磁性但只适合于磁性材料工件，不能材料工件，不能在高温下应用。在高温下应用。三、手腕三、手腕 手腕是连接手部和手臂的部件，其作用是手腕是连接手部和手臂的部件，其作用是调整或改变手部的方位。机械手的手腕运动一调整或改变手部的方位。机械手的手腕运动一般设有回转运动和上下摆动，其结构相对复杂。般设有回转运动和上下摆动，其结构相对复杂。故，设计时应该注意如下事项：故，设计时应该注意如下事项：（1 1）可以由手臂完成的动作尽量不设置手腕；）可以由手臂完成的动作尽量不设置手腕；（2 2）手腕结构尽可能简化；）手腕结构尽可能简化；（3 3）手腕处的结构要求紧凑、重量轻，手）手腕处的结构要求紧凑、重量轻，手腕的驱动装置多采用分离式腕的驱动装置多采用分离式。1 1、手腕的结构、手腕的结构 手腕动作的运手腕动作的运动形式为一个回动形式为一个回转运动。实现手转运动。实现手腕回转运动的机腕回转运动的机构最多的为回转构最多的为回转油（气）缸。其油（气）缸。其结构紧凑，但回结构紧凑，但回转角度小于转角度小于360360度，度，并要求严格密封。并要求严格密封。压力油进、排油孔进入压压力油进、排油孔进入压力油，驱动回转叶片回转力油，驱动回转叶片回转固定叶片与回转叶片侧面接触时停止回转固定叶片与回转叶片侧面接触时停止回转手部的夹持由通向手部的油管手部的夹持由通向手部的油管4进入的压力油驱动活塞完成进入的压力油驱动活塞完成2 2、手腕回转驱动力矩的计算、手腕回转驱动力矩的计算 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动。驱动手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动。驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服驱动手腕机构时的力手腕回转时的驱动力矩必须克服驱动手腕机构时的力矩，即手腕启动时所产生的惯性力矩、摩擦阻力矩及矩，即手腕启动时所产生的惯性力矩、摩擦阻力矩及由于传动件的重心与传动轴线不重合所产生的偏置力由于传动件的重心与传动轴线不重合所产生的偏置力矩等。矩等。手腕转动所需驱动力矩为：手腕转动所需驱动力矩为：M（1.11.2)(M摩摩+M偏偏+M惯惯）手腕转动轴与支承孔等处手腕转动轴与支承孔等处密封装置的总摩擦力矩密封装置的总摩擦力矩转动零部件重量不通过手腕转动零部件重量不通过手腕转动轴线所产生的偏置力矩转动轴线所产生的偏置力矩惯性力矩惯性力矩四、手臂四、手臂 手臂的作用是把物料运送到工作范围内的给定位置；手臂的作用是把物料运送到工作范围内的给定位置；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。手臂一般能够完成伸缩、回转、升降或摆动等运动。手臂一般能够完成伸缩、回转、升降或摆动等运动。其运动形式有直线、回转或二者的复合。其运动形式有直线、回转或二者的复合。手臂常用机构的结构：手臂常用机构的结构：1 1、手臂直线运动机构、手臂直线运动机构 手臂的伸缩、升降及横向（纵向）移动均属直线运手臂的伸缩、升降及横向（纵向）移动均属直线运动。实现手臂直线运动的常用机构有：活塞缸、齿轮动。实现手臂直线运动的常用机构有：活塞缸、齿轮齿条机构、丝杆螺母机构和活塞连杆机构等。齿条机构、丝杆螺母机构和活塞连杆机构等。活塞杆活塞杆3左移的同时带动齿轮左移的同时带动齿轮2和运动齿条和运动齿条1左移左移齿轮齿轮2在移动时在移动时固定齿条固定齿条4 4迫使其在上滚动，并将此运动迫使其在上滚动，并将此运动又传给运动齿条又传给运动齿条1 1，使手臂的行程和速度为活塞杆的两倍，使手臂的行程和速度为活塞杆的两倍齿轮齿轮2 2与固定与固定齿条齿条4 4啮合啮合2 2、手臂回转运动机构、手臂回转运动机构 常用的实现回转运动的机构有叶片式回转缸、常用的实现回转运动的机构有叶片式回转缸、连杆机构、齿轮传动和链轮传动机构等。连杆机构、齿轮传动和链轮传动机构等。手臂的上下摆动由铰接活塞油缸和连杆机构实现手臂的上下摆动由铰接活塞油缸和连杆机构实现活塞杆活塞杆2带动手臂带动手臂3分别绕轴心分别绕轴心O作顺或逆作顺或逆时针的时针的90度转动，实现其两臂的上下摆动度转动，实现其两臂的上下摆动当活塞油缸左当活塞油缸左腔通入压力油腔通入压力油3 3、手臂复合运动机构、手臂复合运动机构 复合运动的手臂动作程序一般是固定不可调的。采复合运动的手臂动作程序一般是固定不可调的。采用复合运动的手臂可在简化结构、驱动系统和控制系统用复合运动的手臂可在简化结构、驱动系统和控制系统的同时，增加工作的可靠性。的同时，增加工作的可靠性。实现复合运动的常用机械传动机构有齿轮机构、实现复合运动的常用机械传动机构有齿轮机构、凸轮机构和连杆机构等。凸轮机构和连杆机构等。图图12.18所示为一专用机械手采用凸轮机构，在齿轮所示为一专用机械手采用凸轮机构，在齿轮齿条传动下完成将工件从料道中取出后转送入机床主齿条传动下完成将工件从料道中取出后转送入机床主轴上卡盘，完成上料动作的示意。轴上卡盘，完成上料动作的示意。1、臂部结构组成、臂部结构组成齿轮齿轮4和凸轮和凸轮5固连固连为整体并空套在轴为整体并空套在轴上，实现绕轴回转上，实现绕轴回转凸轮凸轮6和手臂和手臂9固接固接在同一轴上，可实在同一轴上，可实现摆动和轴向移动现摆动和轴向移动弹簧使两个圆弹簧使两个圆柱凸轮始终保柱凸轮始终保持紧密接触持紧密接触2、动作路线、动作路线油缸工作油缸工作,齿齿条活塞杆伸出条活塞杆伸出齿轮齿轮4与凸轮与凸轮5、6和臂和臂9顺时针回转顺时针回转销受挡铁限销受挡铁限制不再回转制不再回转时，凸轮时，凸轮5迫迫使使6向后移动向后移动手部进入料手部进入料道提取工件道提取工件手臂运动的驱动力计算手臂运动的驱动力计算1 1、手臂水平伸缩运动时的驱动力计算、手臂水平伸缩运动时的驱动力计算 驱动力应克服手臂在前伸（或缩回）起动时的惯性驱动力应克服手臂在前伸（或缩回）起动时的惯性力、手臂运动件表面之间和密封装置处的摩擦力。力、手臂运动件表面之间和密封装置处的摩擦力。F F驱驱 =F=F摩摩+F+F惯惯2 2、手臂回转运动时的驱动力矩计算、手臂回转运动时的驱动力矩计算 驱动手臂回转的力矩驱动手臂回转的力矩M驱驱应与手臂起动时的惯性力应与手臂起动时的惯性力矩矩M惯惯及各回转部件支承处、密封装置处的摩擦力矩及各回转部件支承处、密封装置处的摩擦力矩M封封相平衡。相平衡。M M驱驱=1.3=1.3（M M摩摩+M+M惯惯）应应 用用 实实 例例销销1被弹簧被弹簧2顶出锁住活动销顶出锁住活动销4，使刀，使刀具固定在手爪中，实现刀具的抓取。具固定在手爪中，实现刀具的抓取。手臂绕垂直轴转动手臂绕垂直轴转动60度时，锁度时，锁紧销紧销1被挡块压下，活动销被挡块压下，活动销4活活动，实现放下刀具，进行换刀动，实现放下刀具，进行换刀活动销活动销4将刀具顶靠在固定爪将刀具顶靠在固定爪5中中自动换刀过程：自动换刀过程：下工步加工所需刀下工步加工所需刀具进入换刀位置具进入换刀位置换刀位置上的刀座转动换刀位置上的刀座转动90度，垂直向下，主轴箱上度，垂直向下，主轴箱上升，机械手转动升，机械手转动60度，分别抓住主轴和刀座中刀具度，分别抓住主轴和刀座中刀具刀具自动夹紧机构松开刀具自动夹紧机构松开时机械手下移拔出刀具时机械手下移拔出刀具机械手转动机械手转动180180度后上移，度后上移，刀具分别插入主轴和刀座刀具分别插入主轴和刀座机械手回转机械手回转60度复位，刀座度复位，刀座向上旋转向上旋转90度至水平位置度至水平位置