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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(文獻(xiàn)綜述) 第 5 頁 氣動機(jī)械手 摘要 機(jī)械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實力和科學(xué)技術(shù)水平的要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點之一。生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展帶動了整個機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展。現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化，自動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)工序接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強(qiáng)度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴(yán)重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。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。 隨著工業(yè)機(jī)械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術(shù)自身的一些優(yōu)點，氣動機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。 本文就氣動機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景作了簡單概述。 關(guān)鍵詞：氣動技術(shù)，氣動機(jī)械手，應(yīng)用與發(fā)展 前言 近20年來，氣動技術(shù)的運用領(lǐng)域快速拓寬，特別是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機(jī)械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動技術(shù)從開關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究。 1.一般機(jī)械手的組成 1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成及相互關(guān)系如下圖： （1） 手部 手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉(zhuǎn)動軸，可把動作傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸屈手腕，開閉手指。 機(jī)械手手部的機(jī)構(gòu)系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)，固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕?jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作需要。 （2） 手臂 手臂有無關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分 本課所做的機(jī)械手的手臂采用無關(guān)節(jié)臂 手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的三個自由度都需要精確的定位。 總括機(jī)械手的運動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此，它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線油缸、擺動油缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服油馬達(dá)、直流伺服馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)等。 軀干是安裝手臂、動力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。 1.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機(jī)械驅(qū)動用的較少。 液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用4-6 個大氣壓，個別的達(dá)到 8-10 個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。 電氣驅(qū)動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機(jī)作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運動則用電動機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動機(jī)。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。 電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護(hù)，使用方便。驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。 機(jī)械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。 1.3 控制系統(tǒng) 機(jī)械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動作時間和加速度等。 控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多的地被應(yīng)用。 2.氣動機(jī)械手的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前國內(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、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時，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、計算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時要提高速度，減少沖擊，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、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計算機(jī)連用，逐步成為整個機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 國外機(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，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢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，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。 從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看，近30多年來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。20世紀(jì)70年代，液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為9:1，而30多年后的今天，在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本等國家，該比例已達(dá)到6:4，甚至接近5:5。我國的氣動行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從20世紀(jì)80年代中期開始，氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá)20%以上，高于中國機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，氣動技術(shù)已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。 3.氣動機(jī)械手的發(fā)展要求 氣動技術(shù)是以空氣壓縮機(jī)為動力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞或信號傳遞的工程技術(shù)，是實現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動控制的重要手段之一。在氣動機(jī)械手的發(fā)展研究中有幾個主要的方向和要求。 3.1重復(fù)精度要求 精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機(jī)器人定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機(jī)誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機(jī)器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以及氣動伺服技術(shù)走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 3.2模塊化設(shè)計要求 有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的氣動機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的氣動機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運動自如。由于模塊化氣動機(jī)械手的驅(qū)動部件采用了特殊設(shè)計的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強(qiáng)度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機(jī)械手的一個重要特點。模塊化氣動機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是氣動機(jī)械手的一個重要的發(fā)展方向。智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動機(jī)械手和氣動機(jī)器人的性能起到了十分重要的支持作用。因為智能閥島本來就是模塊化的設(shè)備，特別是緊湊型CP閥島，它對分散上的集中控制起了十分重要的作用，特別對機(jī)械手中的移動模塊。 3.3無油化工作要求 為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求，不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料（如燒結(jié)金屬石墨材料）的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 3.4機(jī)電氣一體化要求 由“可編程序控制器-傳感器-氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動元件，使氣動技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機(jī)械手、氣動控制越來越離不開PLC，而閥島技術(shù)的發(fā)展，又使PLC在氣動機(jī)械手、氣動控制中變得更加得心應(yīng)手。 4.氣動機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀 氣動機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作”’。而氣動機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護(hù)、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等優(yōu)點。所以，氣動機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等。 現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動機(jī)械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機(jī)械手。高頻率的點焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個工序過程的高度自動化，堪稱是最有代表性的氣動機(jī)械手應(yīng)用之一。 在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標(biāo)位置。對加速度限制十分嚴(yán)格的芯片搬運系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸。 氣動機(jī)械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機(jī)械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機(jī)械手，牛奶盒裝箱氣動機(jī)械手等。 此外，氣動系統(tǒng)、氣動機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如：氣動自動調(diào)節(jié)病床，Robodoc機(jī)器人，da?Vinci外科手術(shù)機(jī)器人等。 運用中存在的問題： 1.氣動機(jī)械手以壓縮空氣為動力，其工作速度的穩(wěn)定性較差，結(jié)構(gòu)剛度也不強(qiáng)，響應(yīng)速度也受影響； 2.氣動機(jī)械手因為空氣的可壓縮性，定位精度較難保證，難以準(zhǔn)確控制； 3.氣動元件在工作過程中的噪音較大，并且難以消除； 4.氣動機(jī)械手的效率不高； 5.其他氣動元件常見問題。 結(jié)束語 氣動技術(shù)經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程，隨著氣動伺服技術(shù)走出實驗室，氣動技術(shù)及氣動機(jī)械手迎來了嶄新的春天。目前在世界上日本、美國和歐盟氣動技術(shù)、氣動機(jī)械手方面最為領(lǐng)先。我國對氣動技術(shù)和氣動機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的氣動機(jī)械手奠定了堅實的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。由于氣動機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護(hù)、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等諸多獨特的優(yōu)點，氣動機(jī)械手將越來越廣泛地進(jìn)人工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。 參考文獻(xiàn) 1.徐炳輝．氣動手冊[M] ．上?？茖W(xué)技術(shù)出版社．2005. 2.明仁雄等．液壓與氣動傳動 [M] ．國防工業(yè)出版社．2003. 3.黃純穎、于曉紅、唐進(jìn)元等編著．機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計[M] ．北京：高等教育出版社．2006.51 ~238. 4.陸鑫盛、周洪．氣動自動化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[M] ．上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社．1999. 5.孫恒、陳作模、葛文杰．機(jī)械原理[M] ．北京：高等教育出版社．2006.5~21. 陶湘廳、袁銳波、羅景氣．動機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[OL] ．中國傳動網(wǎng)．2008. 6.吳宗澤．機(jī)械零件設(shè)計手冊 [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2004：188~199. 7.陳新元、張安龍．裝配線機(jī)械手電氣混合控制[J] ．液壓與氣動．2007（3）。 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