工业机器人的机械手零部件改进设计

工业机器人的机械手零部件改进设计

彭程

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摘要 机械手是一种机械装置，他的工作原理是模仿人类的手进行一些固定工作的机械装置，它虽然跟人类的手臂不一样，但是却可以做出一些类似人手的简单动作，按照设计师事先设定的工作陈序，来重复的进行一些简单的工作流程，现在这种技术已经被广泛运用到好多的工厂里，工人都亲切的叫他工业机械手。本文在对机械手臂进行改进设计的时候，首先结合机械手的发展现状进行了解的基础上，结合机械手常用的坐标形式，确认本文所采用的结构形式，最终确定机械手的改进设计方案，并对机械手的控制系统进行改进设计。

关键词:工业机器人；机械手；控制系统

引言

机械手是机械类的一种，是一种模拟人类手的各种动作来进行各种工作的装备器材，即使不能跟真的人手一样灵活，但还是能够跟人手一样做出一些比较简单的动作，依照机械工程师在之前就已经设计好的程序，持续地进行一些比较容易的工作，当前这种机械手已经被越来越多的工厂引进，给工作人员的工作带来了很大的方便，都叫它机械手臂。

机械手臂作为新兴的科技，发展的时间并不长，差不多只有十多年的时间，不过虽然发展的时间比较短，可是进步却是很大的，经过十多年的发展，已经拥有了最先进的技术能力，但是这项技术还是有很大的发展空间的，随着科技的不断增强，机械手臂的技术也会有所提升，会变得更加灵活，更加智能。从大的方面来看，机械手臂其实就是对机器人进行研发的一个开端，两者之间最大的相同点就是研发人员在机械手臂里和机器人体内都要安装芯片，通过设定好的程序让芯片发出命令来控制机械手臂与机器人按照指令做出动作，双方在构造与能力中还是都有各自的优点的，比如说，机械手臂比机器人在日常的生产工作中会有更高的效率，但是机器人却比机械手臂更加的智能，从而可以看出，机械手臂是为了满足人类生产上的需要，而机器人是为了满足人类希望机器能够更加人性化的需要，具有非常重要的现实意义。

1.工业机械手概述

1.1工业机械手简介

工业机械手在多个领域有着广泛的应用，特别是在机床工业生产方面可以作为附加的装置。特别是自动化程度较高的机床，在生产线上需要传递零部件，比如更换刀具等，这些都无法实施独立的控制，但是在某些操作环节必须由人工来进行，还有在原子能部门特别危险的物品，只能通过机械手进行操作，这样才能够提升操作的安全性。

完整的工业机械手由以下四部分组成。1.执行机构：机械手完成具体动作的执行单元，一般由关节、杆件组成。其结构设计依赖于机械手要实现的功能动作。2.驱动传动装置：由驱动器和传动机构组成，通常与执行机构连成一体。驱动器通常有电机(伺服电机、变频电机、步进电机)、液动或气动装置；传动机构通常有滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮轮系。3.控制系统：由计算机以及控制器构成控制系统，其中会将信号对外输出，在控制流程方面，设计人员会提前设置好输出信号，然后将信号传递到驱动传动装置转变为执行机构的具体动作。4.智能系统：目前机械手系统中一个不够完善但发展很快的子系统。它主要有两种结构组成，分别是决策智能系统以及感知系统，为了实现更好的感知系统内部由各类传感器实现，分析决策智能系统由各类分析算法实现。

1.2工业机械手国内外应用现状

工业机械手在工业生产领域可以发挥出不可替代的作用和人手具有类似的特点，但是能够实现自动操作，通过提前设置相应的程序，可以搬运物品或者抓取物品，通过这种操作来代替人的作用。工业机械手大多数情况下可以应用于繁重的体力劳动环节，并且大量重复或者单调，这些如果利用人工将会产生不好的效果，但是应用了工业机械手可以极大的解放人的劳动力实现自动化的生产，比如在有害环境下替代了人工操作的麻烦，同时还能够优化劳动条件，提升了工作人员的安全水平，在机械制造、冶金、轻工业和原子能等领域都有运用。

美国在1940年开发出了原子能实验技术，但是为了防止安全事故，美国使在处理放射性材料时，通过机械手来搬运，这也开创了机械手的应用。经过后期的优化，机械手已经可以实现多种操作，最终走出了实验室。在工业生产部门也得到了广泛的使用，比如在高温环境下午可以代替人工进行工作，存在严重污染的区域工作人员无法靠近，所以通过机械手可以装卸材料。在机床辅助生产环节也能够实现自动化的生产，让零部件可以自主的展开操作，上下料环节，或者安放刀具等固定的流程，都可以通过机械手来实现。

2.机械手的改进设计

2.1机械手的总体改进

2.1.1机械手的总体结构类型

对机械手分类的方式一般有很多种，当前还没有一个固定的分类准则，例如既能按照机械手构造的坐标特点进行分类，又能按照机械手的驱动方式进行分类，还能按照机械手的使用方式进行分类，一般情况下，人们都会按照机械手构造的坐标特点进行分类。

如图1.1，机械手按照构造的坐标特点一次被分为了直角坐标型，圆柱坐标型，球坐标型以及关节型。

图1.1工业机械手按结构坐标分类

1直角坐标型

直角坐标型一般也被叫作笛卡尔坐标性以及台架型。这种类型的机械手一般都是有三个线性关节的，是用来确认末端操作器的所在，一般情况下有的机械手还会增加一个旋转关节，这个旋转关节也是用来确认末端操作器的所在的。这种类型的机械手可以独立的在X,Y,Z轴上进行运动，运动的程序也是可以单独进行的，而且程序还是线性的，所以这种类型让计算机能够非常容易的操作，这种机械手在两边都可以进行支撑，而且其工作的进度和定位分辨率可以不因为工作场所的变动而产生改变。

2圆柱坐标型

圆柱坐标机械手是由两个活动的关节以及一个转动的关节来确认零件的定位，通常情况下还会添加一个转动的关节来确认零件的定位。这种类型的机修手能够围绕一个中心轴来转动一个角，工作的内容可以无限的延伸而且计算起来也会比较容易，直线的部分还可以使用液压进行驱动，整个驱动可以输出比较大的动力。

3球坐标型

球坐标型机械手使用的是球坐标系，这种类型的机械手是由一个活动的关节以及两个转动的关节来确认零件的定位，通常情况下还会添加一个转动的关节来确认零件的定位。这种机械手能够围绕中心的轴进行转动，在中心支架周围扩大工作的范围，两个旋转的驱动的设备比较容易密封，波及的范围也比较广。

4关节型

关节型机械手全部的关节都能转动，跟人类的手臂很像，这种机械手也是工业机器人中比较多见的一种机械手，工作的内容也比较繁琐。

2.1.2机械手的总体改进

图1.2机械手工作布局图

在该设计中，按照设计的具体要求，如图2.2所示，机械手需要搬动的部件重量设定的为10KG，而且搬动的直接距离应该为500MM，因此要在让该机械手设计达到要求的前提下，再把机械手的构造设计的更加简单一点，便于缩减成本。通过设计可以得知，设计的机械手在运行的时候只用进行直线的运动，因此手臂的上升和下降以及梁的平行都是两个直线的运动，这时机械手的自由度可以设定为3，坐标为直角坐标，就是X轴Y轴两个移动自由度，这种设计的最大的优势就是：构造简单大方，而且还有很强的精准性。

2.2机械手的手部改进设计

2.2.1手部概述

工业机械手臂的手又叫作末端操作器，是机械手臂用来对物品进行抓住、握住等一些简单的操作的一个零件，末端操作器可以模拟人手进行工作，是非常关键的一个环节，主要也被组装在机械手臂的前面。随着科技的不断发展，工业机械手臂的用途也越来越广，因为工作时的零部件不管是从大小、重量还是从外型都是不一样的，因此工业机械手臂的手必须也要有许多不同的种类，很多工业机械手臂的手的构造都是需要特别定做的，一般比较常见的有这几种：

1.夹钳式取料手2.吸附式取料手3.专用操作器及转换器4.仿生多指灵巧手。

2.2.2手部的改进方案

在该设计中，需要搬起的东西是曲轴，曲轴是相对于比较小的零部件，因此在搬运曲轴的时候要使用使用夹钳式取料手。

夹钳式取料手是工业机械手中最比较常见的一种末端操作器，一般都使用在对部件进行组装的流水线上，夹钳式取料手主要是由手抓、驱动、连接和元件构成的，工作的原理跟钳子类似。

1.手指的改进方案

手指就是夹钳式取料手和工作零件进行接触的一个部位。手的放开与紧握都是利用手指的打开和关闭来完成的。工业机械手臂的手指通常有两个手指，特殊的工业机械手臂的手指一般会有三个或者更多的手指，这些手指的外形一般都由被夹的物品的外形来决定的。

在该设计中，被夹的物品是圆柱形状的，因此一般会使用V形的，V形手指的优势就在于夹物品时更加的稳固，不会轻易滑落，外形如图1.3。

2.传动机构设计

传动机构的原理是把运动以及动力传送给手指，让手指通过指令的传递来实现抓紧以及放松的一种机构。这种机构依照手指抓紧以及放松的特点又被分为回转型手指以及移动型手指。

该设计使用的就是回转型的传动结构，从图1.3中可以看出，整个外形是由一个插销把驱动杠杆和连杆相连，驱动杠杆在做直线来回工作的时候，是根据推进两个杠杆的手指，让这两个手指分别围绕着某一个支点进行来回旋转的工作，在旋转的时候，会带动手指进行放松与抓紧的动作。因为传动机构中涉及的部件比较多，因此定位的准确性不太高。

图1.3机械手手指

2.3机械手的手臂改进设计

2.3.1手臂概述

手臂就是工业机械手臂执行过程中最关键的一个部位，手臂的功能就是把抓起来的部件送到特定的区域，通常情况下，工业机械手臂有三个自由的动作，分别是手臂的伸长和缩短、左旋转和右旋转以及上升和下降。工业机械手臂所有的工作动作一般都是由驱动机构以及不同种类的传动机构来完成的，因此，工业机械手臂除了要承担被抓取零部件的重量还要承担末端执行器以及手臂自己的重量。手臂的组成、运动的区域、灵敏性和抓取物品的重量都能关系到工业机械手臂的能力。

2.3.2手臂的改进方案

工业机械手臂垂直手臂的上升和下降以及水平手臂的延伸和收缩都是一种直线运动的工作。直线运动的原理就是利用了气动传动、液压传动和电机传动这三种传动让滚珠丝杠进行运动。在设计中要顾虑到搬运物品的大小以及重量，在前文中提到过该设计中机械手需要搬动的部件重量设定的为10KG，已经算比较中间的重量了，这个时候就要顾虑到工业机械手臂的承受能力了，与此同时还要顾及到手臂的安全性能以及手臂的质量。根据多方面的考虑，

两个手臂的驱动都使用的是液压驱动，通过液压缸直接进行驱动，液压缸不仅仅是驱动的元件还是执行的运动件，初次之外就不再设计多余的执行件了，由液压缸来进行直线的运动，操作起来也比较简单，这种方式更容易让计算机进行操控。

液压系统具有很强的驱动作用，所以驱动作用以及构造的力度都非常容易成为现实，重要的环节就是工业机械手臂在工作时的稳固性以及质量的好坏。从中可以得知工业机械手臂在设计的时候要保证液压缸的直径要大一些，其次再对质量进行审核。

与此同时，按照管控与相关工作的需求，工业机械手臂的构造也不能过大，要是只利用加大液压缸的直径来让强度增强，是不可能达到强度的需求的。所以，在对其进行设计的时候还要根据需求再添加一些导杆的机构，机械手的垂直手臂还添加了两个导杆，这两个导杆的功能就是要加大强度，利用增加的两个导杆，可以有效的提升工业机械手臂的稳固性。

2.4机械手的驱动系统改进

2.4.1驱动系统概述

工业机械手臂的驱动依照动力可以归纳为三个种类，分别是液压、气动以及电力。按照相关条件的需求也可以讲液压、气动以及电动这三个种类融合成一个驱动。这三个种类的驱动的特征有：

1.液压驱动系统

随着科学技术的进步，液压技术已经有了很好的发展，具有很多优势，比如强劲的动力、力量和惯量之间的比例大、灵敏性高以及可以进行直接的驱动等一些特征。这些特征有利于承载能力巨大以及惯量巨大的环境中运行的工业机械手臂。可是，液压驱动系统在工作的时候还需要把电能换成液压能，在对速度进行调节的时候还要使用节流的方式来降低速度，这样以来工作的能力就比电动的驱动低很多，而且液压驱动系统如果出现了液体泄漏的现象，会对环境造成很大的污染。

2.气动驱动系统

气动驱动系统运行的速度是很快的，这个系统的构造也比较简洁大方，修理的时候也会很便捷，定价也不高，该系统可以用在中型和小型负荷的工业机械手臂上。不足的地方就是因为不容易实行伺服操控，因此只能用在程序操控的工业机械手臂上。

3.电动驱动系统

因为惯量不高等一些优点，使得电动驱动系统被很多工业机械手臂使用，而且电动驱动系统的优点还有很多，比如：在使用电动驱动系统的时候不用对能量进行转换，在使用的时候会感到非常的便捷，还没有很大分贝的噪音，操控起来也非常的灵敏。很多的电机在组装的时候都需要组装一个传动机构，结合这一系列的优点就让电动驱动系统被原来越多的电动驱动系统使用。

2.4.2驱动系统的选择原则

在对工业机械手臂进行设计的时候，如要想要安装驱动系统，就要按照工业机械手臂的使用范围、工作需求、工业机械手臂的真实能力、维修的困难度和性价比这一些条件进行综合的思考。对各种驱动系统的优点以及缺点进行汇总，再选择出最适合工业机械手臂的一种驱动系统，选择的标准大致有：1.对物品进行搬运的时候一般使用的就是点位操控，需要搬运非常重的物品的时候，工业机械手臂就会选择使用液压驱动系统，搬运不太重的物品的时候，工业机械手臂就会选择使用电动驱动系统，搬运比较轻的物品的时候，就可以选择使用气动驱动系统。2.一些工业机械手臂是用在电焊以及一些喷涂上的，这就需要使用点位以及轨迹操控的能力，这种情况下就要使用伺服驱动。电焊和喷涂的一些工业机械手臂只能使用液压或者电动系统。搬运物品比较重的情况下，这些工业机械手臂就要使用液压驱动系统。

2.4.3机器人液压驱动系统

液压驱动系统在上世纪60年代初全球第一台工业机械手臂起就已经开始使用了，越来越多的工业机械手臂开始使用液压系统。当前，搬运物品重量属于中等的工业机械手臂都在使用电动驱动系统，可是从便捷性以及性价比的角度考虑，还是搬运物品非常重以及喷涂性的工业机械手臂都在使用液压系统的比较多。

液压系统在工业机械手臂的使用原理是利用电动转换为液压的一种元件把转换讯息的功率扩大，操控起液压动力系统中的各项功能，然后再对工业机械手臂的动作进行操控。液压系统通常都是使用的液压缸或者马达，持续啊旋转的液压马达确实不怎么经常使用。在工业机械手臂的使用中，普通功率的液压驱动都是用节流的方式来调节速度的，而大功率的液压驱动使用的则是使用容积调节速度。

2.4.4驱动系统的设计方案

根据该设计的内容，对设计的理念以及设计工作的具体实现方式进行过多方面的考虑以后可以得出。工业机械手臂的手臂要使用液压缸，手抓的部位要使用液压柱塞和中间的驱动杆合作，通过合作可以让手指实现放开与紧握。

3.机械手控制系统的改进

3.1机械手控制系统硬件改进

机械手臂在工作的时候有很多的动作，比如大臂在工作中可以自由的进行延伸与收缩，小臂在工作中可以自由的进行上升与下降，手爪在工作中可以自由的进行松开与紧握。大臂与小臂的工作都使用的液压驱动，液压缸也受电磁阀的操控，小臂在升降的时候是被双线圈的两种电磁阀来操控的，比如说，当下降电磁阀被通上电了以后，这时候手爪就开始下降了；当下降的电磁阀不通电的时候，手抓就会暂停动作。同样的道理，往上升的电磁阀被通上电了以后，手抓就开始上升，当上升的电磁阀不通电的时候，手爪就会暂停上升。大臂的延伸与收缩主要就是由电液伺服阀等一系列机构进行掌控。

手抓的握紧和松开，都是利用的柱塞缸以及齿轮。柱塞缸一般就是由单层线圈的电磁阀来进行操控的，线圈在没有电的情况下，柱塞缸就不会启动，线圈有电的情况下，柱塞缸才会开始工作。

3.2机械手操作面板布置

根据图3.2可以看出，机械手臂的操作一般有手动与自动两种方式。

手动操作：根据图3.2所示，如果想要手臂进行上升或者下降的动作，就要按一下相应的只是开关，这个时候手臂就会根据指令上升或者下降，同样的道理，根据控制面板想让机械手臂做出什么样的动作，就按哪一个开关。

图3.2操作面板示意图

自动操作：找到原点，然后按一下开关键，这个时候机械手臂的动作都是已经设定好了，会自动进行操作。

3.3控制器的选型

工业机械手臂的系统对硬件的要求都非常严格，因为会牵扯到系统质量的好坏，对与控制器的选择也要格外的细心，要选择性价比最高的一款——PLC，当前我国使用最多的还是德国西门子公司生产的S7-200型PLC。

图3.3SIEMENSSIMATICS7-200PLC

3.4控制系统原理分析

工业机械手臂在工作的时候，各种步骤与功能都会有比较严格的要求，因此在对工业机械手臂进行操控的时候，小臂和手爪使用液压驱动系统以外，大臂的操作也需要闭环伺服进行操控。

为了让PLC的I/O点数变得更少，就要把伺服的放大器中传感系统传送到输送的一端，把自己设定好的各种信号通过对比再变成控制的信号发到PID进行调节，这时驱动电液伺服阀会确定液压缸的位置。然后PLC会把上位机的输入信号转变为电压的信号，再把电压的信号传送如伺服的放大器中，这时伺服的放大器就进行闭环对比，从而就形成了模拟的一个控制系统。由图4-4可以看出，这种方式大大减轻了工作的压力。

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图3.4水平手臂伺服定位控制原理图

3.5PLC外部接线设计

为了让小臂的液压缸能够达到伺服确定位置的需求，德国西门子生产的PLC，早已考虑到了这个问题，因此在设备中还添加了用于模拟量输入的模块，该模拟量使用的是-10V~+10V输入输出，每个输入输出的线路如图3.5。

图3.5PLC硬件接线图

4.总结与展望

这项毕业的设计，是把在大学四年中学到的专业课程全部都投入进去中的一项设计，这项设计是个拥有特殊功能以及可以满足各种需求的一种两轴物料机械手，这项设计充分显示了学生在机械工程专业和电气自动化专业中学到的知识、动手的能力、设计时付出的努力以及对待设计的态度，这项设计也是充分表现出了概念与实际操作的完美结合。在近五个月的设计中，经过资料的整理、设计理念的确定、数据的分析、设计方案的确立以及写论文等一些程序，会让学生在四年的大学里对自己学到的知识能有更深的领悟，与此同时对设计的工程也会有更多的见解，所以，在毕业的设计中可以达到学生想要的目标。

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