浅谈机械手及其应用与发展概况

浅谈机械手及其应用与发展前景

摘要：在现代工业生产中，生产过程的机械化，自动化已经成为突出的主题。而有效地应用机械手，则是发展机械行业的必然趋势。本文将在介绍机械手结构组成及工作原理的基础上，概述其应用及发展前景。

关键词：机械手组成及原理；机械手应用；发展前景

0 前言

随着现代化工业的不断发展，生产过程机械化及自动化水平的提升是一个必然的方向。而机械手凭借其自身显著的特点，例如：应用机械手可以减轻劳动强度、提高产品质量、改善劳动条件，避免人身事故的发生，在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、和有放射性以及毒性污染的恶劣环境中，应用机械手可以部分或全部地替代人来安全地完成作业，有节奏地进行生产等。机械手在机械加工行业中得到了广泛的应用，并且其有效应用大大提高了生产效率，可节省劳动力成本达50%以上。

1机械手结构组成及其工作原理

机械手是一种能按给定的程序或要求，自动地完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分地替代人的手工劳动。较高级形式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。

机械手主要由抓取机构、传送机构、驱动部分、控制机构以及行程检测装置、传感装置等部分组成。其各部分之间的相互关系如下图1所示。

图1 机械手的组成及其相互关系

机械手的各部分机构有着明确的分工与密切的合作，这之中，（1）抓取机构主要起抓取和放置物件的作用，它包括了手指与传力机构等；（2）传送机构可以改变物件的方位；而（3）驱动部分则是负责为（1）、（2）两机构提供动力，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动等形式；（4）控制部分是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序、位置、时间等。（5）对机械手各运动行程进行检测和控制；（6）传感装置中装了某种传感器，是手指具有敏感性和自控性，用于检测物件与（1）接触情况以及物件是否滑落等。

机械手按照其适用范围可以分为专用机械手和通用机械手两类，前者结构简单成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产场合。而后者则因为程序可变以及具有单独驱动的控制系统，能够自动地实现对物件的传送以及某些工件的操作、且采用了圆柱坐标和球坐标相结合的形式，与专用机械手相比，通用机械手作用范围扩大，占据了一定的优势。机械手的驱动方式有四种，即液压驱动、气压驱动、电力驱动以及机械驱动，其中，电力驱动采用较少，而机械驱动则一般用于简易机械手，因此，液压驱动和气压驱动方式占据了较大比例。气压驱动有着相对简单的结构、压缩气源——空气易得到、造价较低、能达到较高速度，而气动元件的生产与应用也在逐步扩大。液压驱动伺服系统响应快，且重量轻、体积小、动作平稳、有着良好的控制性能、能在极低的速度下输出较大的力，并且由于液压元件的标准化、系列化、通用化得以实现，使液压系统的设计、制造变得比较方便。本文以四自由度液压驱动通用机械手为例，对机械手的工作原理进行简要介绍。如下图2所示，即为该种液压通用机械手的结构原理图。

1—手臂上下升降油缸2—手臂上下摆动油缸3—手臂左右转动油缸4—手臂上下摆动机械反馈装置5—防尘罩6—手腕回转及手指握紧油缸7—手臂前后伸缩机械反馈装置8—手臂前后伸缩油缸9—手臂上下摆动回转油缸10—手腕上下摆动机械反馈装置11—电气控制装置12—液压装置

图2 机械手结构原理图

在该种机械手中，主要可以归为机械、液压、电气控制系统等三个部分。机械部分包括手部、驱动及传送机构、位置反馈装置和机体等，如图2所示，机械手的手臂前后伸缩、上下升降、左右转动、上下摆动分别由直线油缸（8）、直线油缸（1）、回转油缸（3）、以及铰接直线油缸（4）带动实现。对于机械手的手腕上下摆动则是由回转油缸（9）带动与该部分结构相对应的齿轮，再通过链条将运动传送到手腕摆动轴（图中未画出）来实现。而机械手的手指握紧部分通过杠杆手指和单向作用式握紧油缸（6）的配合来输出相应的运动。上述各个油缸的控制是通过步进电动机带动随动阀按照输入信号来改变通往油缸油液的方向和流量，由于油缸输出与随动阀之间采用刚性反馈联系，能不断消除输入与输出之间的误差，从而可进行较为准确的定位。最后，对步进电动机的控制则由电气控制系统（11）实现，该简易数字控制系统采用集成电路，共可对步进电机实现手动、自动以及联动等三种控制方式。通过以上几个部分的密切配合，机械手的各种运动得以准确无误地实现。

2 机械手的应用概况

目前，国内机械行业中，机械手有着较广泛的应用。大致可归为以下一些方面：

（一）热加工方面

热加工是高温、危险的体力劳动，采用机械手操作可以实现高效率和安全工作，如对少量、低速以及人力不能胜任的作业的实现。在锻造工业中，机械手的应用能进一步发挥锻造设备的生产能力，安装了机械手的锻造操作机可实现锻造过程自动化，取代了人工喂料等操作。在铸造、熔炼方面，对机械手的应用则有压铸机的上下料机械手，上下箱、合箱、浇注机械手，以及铸件表面清理机械手等。机械手与造型机配合组成的铸造生产自动线，大大提高了铸造生产效率以及产品质量。

（二）冷加工方面

冷加工方面的机械手主要用于一些配件及零件加工时的上下料以及刀具安装的过程，将其应用于一些数控机床和加工生产线以及自动线上，成为了设备、机床上下工序联接的重要手段。如在盘类、轴类、螺栓等零件的加工机床上配置机械手代替手工上下料，在轴瓦、柴油机摇臂、平斜铁等加工生产自动线上采用臂式机械手作为联接工序、运送工件的重要设备。（三）在装、拆、修方面

众所周知，拆修装是铁路工业系统体力劳动较重的部门，采用机械手可以拆装三通阀、分解制动缸、组装轮对、清除石棉等，大大减低了劳动强度。机械手也广泛应用在喷漆、电镀等方面，采用机械手可对物件进行涂漆等。在采用机械手进行装配方面也是应用的一大热点，与传感装置、计算机的配合能对零件方位进行确定，能达到镶装的目的。

3 机械手的发展方向及前景

自上个世纪六十年代初期问世以来，机械手历经了将近50年的发展，成为了制造业生产自动化中十分重要的机电设备。而面对各种技术的飞跃发展，机械手势必还会在目前的基础上继续进步，使其应用范围得到进一步地拓宽。首先，伴随着现代控制技术和微电子技术的发展,机械手重复精度有了提高，机械手定位的准确性能得到增强，从而使得机械手可以按照作业环境的不同进行准确的定位与移动。其次，实现机械手的更多功能可以依循的一点是让其具有可重构化的机械结构，即我们所说的模块化，通过拼装所得的机械手可能具有的功能是：根据实际作业需要启动所需的模块，从而实现所对应的功能，让同一机械手具有不同的功能，增大了其应用范围。再者，随着低碳理念的深入人心，任何的工业发展都应建立在环保节能的基础之上，因此，机械手的发展也必将以无污染、节能为前提，如一些新型材料的出现，可以制造无润滑元件应用于气动机械手当中，不仅使系统简化，且有着稳定的摩擦性能以及较长的寿命。值得重视的是，随着机电一体化的发展，控制系统将向基于PC机的开放型控制器的方向发展，并且，随着传感器作用的日益加重，由“可编程控制器、传感