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助力機(jī)械手發(fā)展史
機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。本文參閱了大量的國(guó)內(nèi)外期刊雜志，論述了機(jī)械手的發(fā)展歷程、組成和分類(lèi)，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)做了一定的了解。另外，本文還對(duì)機(jī)械手的常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)方式做了一番分析，并預(yù)測(cè)了它的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；液壓氣壓驅(qū)動(dòng)；發(fā)展
1機(jī)械手發(fā)展史
機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。它是機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)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(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性（王希敏，1992）。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)中，機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。（王承義，1995）
機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年，美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機(jī)械手，是后來(lái)國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
目前，機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)節(jié)。
2.機(jī)械手的組成分類(lèi)及驅(qū)動(dòng)
2.1 機(jī)械手的組成
一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械手主要有以下幾部分組成：
1.手部(或稱(chēng)抓取機(jī)構(gòu)) 包括手指、傳力機(jī)構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用。
2.傳送機(jī)構(gòu)（或稱(chēng)臂部） 包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用。
3.驅(qū)動(dòng)部分 它是前兩部分的動(dòng)力，因此也稱(chēng)動(dòng)力源，常用的有液壓氣壓電力和機(jī)四種驅(qū)動(dòng)形式。
4.控制部分 它是機(jī)械手動(dòng)作的指揮系統(tǒng)，由它來(lái)控制動(dòng)作的順序（程序）、位置和時(shí)間（甚至速度與加速度）等。
5.其它部分 如機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、行程檢測(cè)裝置和傳感裝置等。（侯沂,劉濤. 2004）
2.2 機(jī)械手的分類(lèi)
機(jī)械手從使用范圍、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式、驅(qū)動(dòng)方式以及臂力大小四個(gè)方面的分類(lèi)分別為：
1. 按使用范圍分類(lèi)：
?。?）專(zhuān)用機(jī)械手 一般只有固定的程序，而無(wú)單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機(jī)器或生產(chǎn)線(xiàn)用以自動(dòng)傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機(jī)械手”、“曲拐自動(dòng)車(chē)床機(jī)械手”、“油泵凸輪軸自動(dòng)線(xiàn)機(jī)械手”等等。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，成本較低，適用于動(dòng)作比較簡(jiǎn)單的大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。
?。?）通用機(jī)械手 指具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機(jī)器，而且能自動(dòng)完成傳送物件或操作某些工其的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種。簡(jiǎn)易型只是點(diǎn)位控制，故屬于程序控制類(lèi)型，伺服型可以是點(diǎn)位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類(lèi)型（李允文，1994）。
2. 按運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式分類(lèi)：
?。?）直角坐標(biāo)式機(jī)械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個(gè)方向移動(dòng)，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動(dòng))、左右移動(dòng)(定為沿Y方向的移動(dòng))和上下升降(定為沿Z方向的移動(dòng))（張軍，馮志輝，2004）；
?。?） 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X和Z方向移動(dòng)，又可繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)(定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動(dòng)；
（3）球坐標(biāo)式機(jī)械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X方向移動(dòng)，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動(dòng))、上下擺動(dòng)(定為繞Y軸擺動(dòng))和左右轉(zhuǎn)動(dòng)(仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))；
（4）多關(guān)節(jié)式機(jī)械手 這種機(jī)械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機(jī)體的連接(肩部)均為關(guān)節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對(duì)大臂可繞肘部上下擺動(dòng)，大臂可繞肩部擺動(dòng)多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)。（孫桓等，2006）
3. 按驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)：
?。?）液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
?。?）氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
?。?）電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 直接用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
?。?）機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 是將主機(jī)的動(dòng)力通過(guò)凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳遞給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式。
4. 按機(jī)械手的臂力大小分類(lèi)：
?。?）微型機(jī)械手 臂力小于1㎏；
?。?）小型機(jī)械手 臂力為1－10㎏；
?。?）中型機(jī)械手 臂力為10－30㎏；
?。?）大型機(jī)械手 臂力大于30㎏。
2.3 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)
如前所述，機(jī)械手有四種驅(qū)動(dòng)方式，而當(dāng)中的液壓與氣壓跟機(jī)械和電力相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1. 空間布局安裝不受?chē)?yán)格的空間限制，能構(gòu)成其它方法難以組成的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
2．液壓與氣壓驅(qū)動(dòng)傳遞的運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁的換向。
3. 操作控制方便，省力，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、中遠(yuǎn)距離控制、過(guò)載保護(hù)。與電氣控制、電子控制結(jié)合，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工作循環(huán)和自動(dòng)過(guò)載保護(hù)。
4. 液壓與氣壓元件屬機(jī)械工業(yè)基礎(chǔ)件，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化程度較高，有利于縮短設(shè)計(jì)、制造和降低制造成本。（許福玲,陳堯明.2007）
基于以上幾點(diǎn)，液壓與氣壓驅(qū)動(dòng)在生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。液壓與氣壓作為機(jī)械手的兩種常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)方式，其發(fā)展也對(duì)機(jī)械手的應(yīng)用具有一定的促進(jìn)作用。液壓與氣壓都是以流體（液壓油液或壓縮空氣）為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和控制的。液壓的優(yōu)點(diǎn)是單位質(zhì)量輸出功率大，因?yàn)橐簤簜鲃?dòng)的動(dòng)力元件可以采用很高的壓力（一般可達(dá)32MPa,個(gè)別場(chǎng)合更高），因此，在同等輸出功率下具有體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)動(dòng)慣性小、動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)（王懋瑤，2001）。而氣壓傳動(dòng)的突出優(yōu)點(diǎn)是：介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且起源壓力較低，因此，氣壓機(jī)械手抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以一般適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。相比之下，液壓一般用于低速，重載和低污染的環(huán)境下。（淘湘廳,袁銳波. 2007）
眾所周知，液壓驅(qū)動(dòng)多年來(lái)一直以礦物型液壓油為工作介質(zhì)，然而油壓存在著污染環(huán)境、易燃燒、浪費(fèi)能源的嚴(yán)重問(wèn)題，一方面有背于當(dāng)今制造業(yè)環(huán)保、節(jié)能的發(fā)展方向，另一方面在一定程度上限制了液壓技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，(石全，2006)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類(lèi)環(huán)保、能源危機(jī)意識(shí)的提高，除了繼續(xù)使用高水基液作為液壓介質(zhì)外，促使人們重新認(rèn)識(shí)和研究以純水(不含任何添加劑的天然水(含海水和淡水))作為工作介質(zhì)的“綠色”液壓技術(shù)一純水液壓傳動(dòng)技術(shù)，并在近20年來(lái)使其不論在理論上還是在應(yīng)用研究上，都得到了持續(xù)穩(wěn)定地復(fù)蘇和發(fā)展（楊爾莊，2006）。
純水液壓傳動(dòng)具有無(wú)污染危害，阻染性與安全性好、溫升小，介質(zhì)經(jīng)濟(jì)性好，維護(hù)監(jiān)測(cè)成本較低，黏度對(duì)溫度變化不敏感，壓力損失小，發(fā)熱小，傳動(dòng)效率高，流量穩(wěn)定性好，系統(tǒng)的剛性大等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。雖然純水液壓傳動(dòng)還存在泄漏與磨損、氣蝕、液壓沖擊、振動(dòng)和噪聲、材料腐蝕與老化等技術(shù)難題，但隨著新工藝、新材料以及新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，終將會(huì)得以解決，（張利平，2001）。未來(lái)，預(yù)計(jì)純水液壓將會(huì)是主要的發(fā)展熱點(diǎn)和方向。
3. 機(jī)械手的應(yīng)用意義及發(fā)展趨勢(shì)
3.1 機(jī)械手應(yīng)用意義
機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的裝備部，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國(guó)都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國(guó)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一(張志獻(xiàn)，2002)。新世紀(jì)，生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展帶動(dòng)了整個(gè)機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化，自動(dòng)化已成為突出的主題。然而在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來(lái)，不僅費(fèi)時(shí)而且效率不高。同時(shí)人的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴(yán)重影響制約了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的效率和自動(dòng)化程度。機(jī)械手的應(yīng)用很好的解決了這一情況，它不存在重復(fù)的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故（楊永清等，2008）。
在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用具有以下意義：
1.可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度
應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。
2.可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故
在高 溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。同時(shí)，在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
3.可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
應(yīng)用 機(jī) 械 手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。
3.2 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)
目前國(guó)內(nèi)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專(zhuān)用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。
國(guó)外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。國(guó)外機(jī)械數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。
目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。定位精度可以滿(mǎn)足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。
