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助力機械手發(fā)展史
機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備，它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。本文參閱了大量的國內外期刊雜志，論述了機械手的發(fā)展歷程、組成和分類，同時對國內外機械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢做了一定的了解。另外，本文還對機械手的常見驅動方式做了一番分析，并預測了它的發(fā)展趨勢。
關鍵詞：機械手；液壓氣壓驅動；發(fā)展
1機械手發(fā)展史
機械手是在機械化，自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。它是機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性（王希敏，1992）。在現(xiàn)代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。（王承義，1995）
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年，美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機械手，是后來國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。
目前，機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(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.機械手的組成分類及驅動
2.1 機械手的組成
一般來說，機械手主要有以下幾部分組成：
1.手部(或稱抓取機構) 包括手指、傳力機構等，主要起抓取和放置物件的作用。
2.傳送機構（或稱臂部） 包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用。
3.驅動部分 它是前兩部分的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓氣壓電力和機四種驅動形式。
4.控制部分 它是機械手動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序（程序）、位置和時間（甚至速度與加速度）等。
5.其它部分 如機體、行走機構、行程檢測裝置和傳感裝置等。（侯沂,劉濤. 2004）
2.2 機械手的分類
機械手從使用范圍、運動坐標形式、驅動方式以及臂力大小四個方面的分類分別為：
1. 按使用范圍分類：
（1）專用機械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機械手”、“曲拐自動車床機械手”、“油泵凸輪軸自動線機械手”等等。這種機械手結構較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產的場合。
（2）通用機械手 指具有可變程序和單獨驅動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機器，而且能自動完成傳送物件或操作某些工其的機械裝置。通用機械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型（李允文，1994）。
2. 按運動坐標型式分類：
（1）直角坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸X、Y、Z三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動)、左右移動(定為沿Y方向的移動)和上下升降(定為沿Z方向的移動)（張軍，馮志輝，2004）；
（2） 圓柱坐標式機械手 手臂可以沿直角坐標軸的X和Z方向移動，又可繞Z軸轉動(定為繞Z軸轉動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉動；
（3）球坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸X方向移動，還可以繞Y軸和Z軸轉動，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動)、上下擺動(定為繞Y軸擺動)和左右轉動(仍定為繞Z軸轉動)；
（4）多關節(jié)式機械手 這種機械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機體的連接(肩部)均為關節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉動。（孫桓等，2006）
3. 按驅動方式分類：
（1）液壓驅動機械手 以壓力油進行驅動；
（2）氣壓驅動機械手 以壓縮空氣進行驅動；
（3）電力驅動機械手 直接用電動機進行驅動；
（4）機械驅動機械手 是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構等傳遞給機械手的一種驅動方式。
4. 按機械手的臂力大小分類：
（1）微型機械手 臂力小于1㎏；
（2）小型機械手 臂力為1－10㎏；
（3）中型機械手 臂力為10－30㎏；
（4）大型機械手 臂力大于30㎏。
2.3 機械手的驅動
如前所述，機械手有四種驅動方式，而當中的液壓與氣壓跟機械和電力相比，具有以下優(yōu)點：
1. 空間布局安裝不受嚴格的空間限制，能構成其它方法難以組成的復雜驅動系統(tǒng)。
2．液壓與氣壓驅動傳遞的運動均勻平穩(wěn)，易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向。
3. 操作控制方便，省力，易于實現(xiàn)自動控制、中遠距離控制、過載保護。與電氣控制、電子控制結合，易于實現(xiàn)自動工作循環(huán)和自動過載保護。
4. 液壓與氣壓元件屬機械工業(yè)基礎件，標準化、系列化和通用化程度較高，有利于縮短設計、制造和降低制造成本。（許福玲,陳堯明.2007）
基于以上幾點，液壓與氣壓驅動在生產中應用最為廣泛。液壓與氣壓作為機械手的兩種常見驅動方式，其發(fā)展也對機械手的應用具有一定的促進作用。液壓與氣壓都是以流體（液壓油液或壓縮空氣）為工作介質進行能量傳遞和控制的。液壓的優(yōu)點是單位質量輸出功率大，因為液壓傳動的動力元件可以采用很高的壓力（一般可達32MPa,個別場合更高），因此，在同等輸出功率下具有體積小、質量輕、運動慣性小、動態(tài)性能好的特點（王懋瑤，2001）。而氣壓傳動的突出優(yōu)點是：介質李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，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械手的結構大，所以一般適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。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，液壓驅動多年來一直以礦物型液壓油為工作介質，然而油壓存在著污染環(huán)境、易燃燒、浪費能源的嚴重問題，一方面有背于當今制造業(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的發(fā)展和應用，(石全，2006)。隨著科學技術的進步和人類環(huán)保、能源危機意識的提高，除了繼續(xù)使用高水基液作為液壓介質外，促使人們重新認識和研究以純水(不含任何添加劑的天然水(含海水和淡水))作為工作介質的“綠色”液壓技術一純水液壓傳動技術，并在近20年來使其不論在理論上還是在應用研究上，都得到了持續(xù)穩(wěn)定地復蘇和發(fā)展（楊爾莊，2006）。
純水液壓傳動具有無污染危害，阻染性與安全性好、溫升小，介質經濟性好，維護監(jiān)測成本較低，黏度對溫度變化不敏感，壓力損失小，發(fā)熱小，傳動效率高，流量穩(wěn)定性好，系統(tǒng)的剛性大等技術優(yōu)勢。雖然純水液壓傳動還存在泄漏與磨損、氣蝕、液壓沖擊、振動和噪聲、材料腐蝕與老化等技術難題，但隨著新工藝、新材料以及新技術的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，終將會得以解決，（張利平，2001）。未來，預計純水液壓將會是主要的發(fā)展熱點和方向。
3. 機械手的應用意義及發(fā)展趨勢
3.1 機械手應用意義
機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經濟的戰(zhàn)略重點之一(張志獻，2002)。新世紀，生產水平及科學技術的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展。現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產工序銜接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴重影響制約了整個生產過程的效率和自動化程度。機械手的應用很好的解決了這一情況，它不存在重復的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故（楊永清等，2008）。
在機械工業(yè)中，機械手的應用具有以下意義：
1.可以提高生產過程的自動化程度
應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產率，降低生產成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。
2.可以改善勞動條件、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合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機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條件。同時，在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，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
應用 機 械 手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產線上目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產。
3.2 機械手的發(fā)展趨勢
目前國內機械于主要用于機床加工、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)生產發(fā)展的需要。所以，在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。
國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，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。國外機械數(shù)的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。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。目前已經取得一定成績。
目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，量產產品達到6軸，負載2KG的產品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應用領域將會突破傳統(tǒng)的機械領域，而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。
