工業機械手的設計

摘 要：隨著工業自動化發展的需要，機械手在工業應用中越來越重要，如電器制造行業、汽車制造行業、塑料加工行業、通用機械制造行業以及金屬加工行業等，都使用了工業機械手工業生產上應用的機械手。由于使用場合和工作要求的不同， 其結構型式亦各不相同， 技術復雜程度也有很大差別。但它們都有類似人的手臂、手腕和手的部分動作及功能； 一般都能按預定程序， 自動地、重復循環地進行工作。文中介紹了我國工業機械手目前的發展現狀，機械手在各方面的應用，機械手各部位設計分析及注重的問題等。

關鍵詞：機械手；液壓系統；設計；方案

工業機械手是一種機械技術與電子技術相結合的高技術產品。采用工業機械手是提高產品質量與勞動生產率，實現生產過程自動化， 改善勞動條件， 減輕勞動強度的一種有效手段。它是一種模仿人體上肢的部分功能， 按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術裝備。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業的準確性和環境中完成作業的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發展空間。

一、工業機械手的發展現狀

1.驅動方式發展現狀。現在的工業機械手驅動方式，大多采用電機驅動。電機驅動的工業機械手，具有精度高、驅動力大、響應快等優點。同時采用電機驅動，必須使用減速機構，因此，采用電機驅動方式的機械手的成本，會大大高于其他方式驅動的，因而限制了電機驅動機械手的應用。隨著氣動技術的高速發展，又由于氣壓驅動具有其他驅動方式所沒有的一些優點，如成本低、高性價比、無污染、結構簡單、抗干擾能力強等，因而越來越多的工業機械手，采用氣動控制，因而氣動技術也得到了迅速發展。

2.定位精度發展現狀。在氣動技術發展初期，由于技術的不成熟，利用氣壓驅動的工業機械手的定位精度很低，更無法實現在任意位置的起停，只能靠氣缸兩個終點位置來實現定位，或者采用多位氣缸，而多位氣缸的定位長度，也已經由氣缸的行程確定，同樣無法實現機械手在任意位置的起停。如果要多加一個定位位置，或者是要改變預先確定的兩個定位位置之間的距離，則需要另外再設計一個多位氣缸，這樣就會導致氣缸的滑塊導向機構更加復雜。所以，早期的氣動工業機械手不能實現任意位置的。定位，因此限制氣動工業機械手的發展。

二、機械手的應用

機械手在工業生產中的應用， 幾乎遍及各行各業。歸納起來， 大致有如下幾個方面。

1.合單機實現自動化

生產上出現的許多高效專用加工設備（如各種專用機床等）， 如果工件的裝卸等輔助作業， 繼續由人工操作，不僅會增加工人勞動強度， 同時亦不能充分發揮專用設備的效能， 必然會影響勞動生產率的提高。若采用機械手代替人工上、下料， 則可改變上述不相適應的情況， 實現單機自動化生產， 并為實現多機床看管提供了條件， 如： 自動機床及其上下料機械手、沖壓機械手、注塑機及其取料機械手等。

2. 高溫作業自動化

在高溫環境下作業（如熱處理、鑄造和鍛造等）， 工人的勞動強度大， 勞動條件差， 采用機械手操作， 更具有現實意義， 如汽車鋼板彈簧淬火機械手、壓鑄機用澆鑄機械手等。

3.組成自動生產線

在單機自動化的基礎上， 若采用機械手自動裝卸和輸送工件， 可使一些單機連接成自動生產線。目前在軸類和盤類工件的生產線上， 采用機械手來實現自動化生產尤為廣泛。如： 軸類加工自動生產線及其上下料機械手、盤類加工自動生產線及其機械手、齒輪加工機床的上下料機械手等。

4.進行特殊作業

在現代科學技術中， 原子能的應用、海底資源的開發、星際探索等等都已為人們所熟悉。但放射性輻射， 或海底、宇宙等環境， 常常是人體不能直接接觸或難以接近的， 采用遙控機械手代替人們進行這種作業， 既能完成這些特殊作業， 又能長時間地安全地進行工作， 成為人類向新的自然領域進軍的一種有效手段。總之， 工業機械手的應用在工業生產中是多方面的，為了使機械手能發揮它的更多的作用， 還應注意發展其它的輔助設備與之配合。隨著機械手技術的進一步提高， 它的適應性將會更強， 應用面也將更廣。

5. 操作工具

用機械手握持工具， 在高溫、粉塵及有害氣體環境下進行自動化操作， 可以使人脫離惡劣的勞動條件， 并減輕勞動強度， 提高勞動生產率和保證產品質量， 如汽車車身等薄鋼板的點焊工藝、自動噴漆或自動噴丸清砂工作等。

三、機械手各部位設計分析及注重的問題

1.手部設計： ①需有足夠的夾緊力； ②大小要滿足工件尺寸變化的需要； ③應能保證工件的準確定位； ④結構盡量緊湊， 減輕重量， 以利于臂部設計； ⑤夾緊力的計算應充分考慮安全系數、工況系數和方位系數的影響。

2.腕部設計： ①腕部的轉動多采用擺動缸或活塞缸驅動； ②結構盡量緊湊， 以減輕重量； ③轉動的靈活性及密封性； ④考慮通用手部油路的配置； ⑤腕部回轉時的驅動力矩： M = K （Mm + Mp + Mg ） ， K為驅動缸密封的摩擦損失（范圍為1.1～ 1.2） ；Mm 為腕部轉動支撐處的摩擦阻力矩； Mp 為克服工作重心偏置所需的力矩； Mg 為克服腕部起動的慣性力矩。

3.機身設計： ①要有足夠的剛度和穩定性； ②升降運動要求靈活，升降立柱的導套長度不宜過短， 否則可能產生卡死現象， 一般要有導向裝置； ③結構布置要合理， 便于裝修； ④升降時活塞油缸的驅動力： P= Fm + Fg ± w， w 為運動部件（包括手部、腕部和工件） 的總重量；⑤回轉運動時的驅動力矩： M= 1. 3（Mm + Mg ） ， 因不是等加速運動， 所以最大驅動力要比理論值大一些， 取1. 3倍。

4.臂部設計： ①要求剛度好， 常用鋼管作手臂， 工字鋼和槽鋼作支撐； ②要求重量輕、偏重力矩小、慣量小； ③導向性好， 其結構根據手臂的安裝形式、抓取重量和運動形成等因素確定； ④手臂伸縮運動的驅動力計算： P = Fm + Fg ， Fm 為導軌支承間的摩擦阻力、活塞與缸壁及密封處的摩擦阻力； Fg 為起動過程的慣性力。

四、結語

工業機械手可以代替人手的繁重勞動， 顯著減輕工人的勞動強度， 改善勞動條件，提高勞動生產率和生產自動化水平。隨著工業技術的不斷發展， 相信會涌現出一些重型、快速、定位精度高的機械手， 來實現更多、更先進的自動化生產， 希望上述工業機械手設計中的幾點體會能為創造出新技術、新設備提供一些幫助。

參考文獻：

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