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機械臂的工作原理和分類

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一、機械手的組成及分類

機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統組成。
1、執行機構：包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
① 手部：是機械手與工件接觸的部件。由于與物體接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。由于本課題的工件是圓柱狀棒料，所以采用夾持式。由手指和傳力機構所構成，手指與工件接觸而傳力機構則通過手指夾緊力來完成夾放工件的任務。
② 手腕：是聯接手部和手臂的部件，起調整或改變工件方位的作用。
③ 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。
④ 立柱：是支承手臂的部件。手臂的回轉運動和升降運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱通常為固定不動的。
⑤ 機座：是機械手的基礎部分。機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支承和聯接的作用。
2、驅動系統：機械手的驅動系統是驅動執行運動的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式。
3、控制系統：控制系統是機械手的指揮系統，它控制驅動系統，讓執行機構按規定的要求進行工作，并檢測其正確與否。一般常見的為電器與電子回路控制，計算機控制系統也不斷增多。
工業機械手的分類可以按所承擔的作業的特點、功能、驅動方式和控制方式分類。
1、根據所承擔的作業的特點，工業機械手可分為以下三類：
① 承擔搬運工作的機械手：這種機械手在主要工藝設備運行時，用來完成輔助作業，如裝卸毛坯、工件和工夾具。
② 生產工業用機械手：可用于完成工藝過程中的主要作業，如裝配、焊接、涂漆、彎曲、切斷等。
③ 通用工業機械手：其用途廣泛，可以完成各種工藝作業。
2、按功能分類
① 專用機械手：它是附屬于主機的具有固定程序而無獨立控制系統的機械裝置。專用機械手具有動作少，工作對象單一，結構簡單，實用可靠和造價低等特點，適用于大批大量的自動化生產，如自動機床，自動線的上、下料機械手和“加工中心”附屬的自動換刀機械手。
② 通用機械手：又稱工業機器人。它是一種具有獨立控制系統的機械裝置。具有程序可變、工作范圍大、定位精度高、通用性強的特點，適用于不斷變換品種的中小批量自動化的生產。
③ 示教再現機械手：采用示教法編程的通用機械手。所謂示教，即由人通過手動控制，“拎著”機械手做一遍操作示范，完成全部動作后，其儲存裝置即能記憶下來。機械手可按示范操作的程序行程進行重復的再現工作。
3、按驅動方式分。液壓傳動機械手；氣壓傳動機械手；機械傳動機械手。
4、按控制方式分。a）固定程序機械手：控制系統是一個固定程序的控制器。程序簡單，程序數少，而且是固定的，行程可調但不能任意點定位。b)可編程序機械手：控制系統是一個可變程序控制器。其程序可按需要編排，行程能很方便改變。
二、機械手的定位方式
1.機械擋塊定位
工業用機械手常用的定位方式主要是機械擋塊定位。機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊，當機械手經減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。
若定位前已減速，定位時驅動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復精度。一般可高于±0.5mm，若定位時關閉驅動油路而去掉工作壓力，這時機械手可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低。
2.氣壓定位
氣壓傳動機械手是以空氣為主要動力源，通過氣壓裝置來驅動機械手運動的。其優點是：結構簡單，動作迅速，成本低，動力源環保無污染。缺點是：定位沖擊大，速度穩定性差，抓取力小。因此適用于高速度、小負載的場合。下面以沖床機械手為例，介紹機械手的氣壓定位方式。
沖床就是一臺沖壓式壓力機。在國民生產中，沖壓工藝由于比較傳統機械加工來說有節約材料和能源，效率高，對操作者技術要求不高及通過各種模具應用可以做出機械加工所無法達到的產品這些優點，因而它的用途越來越廣泛。但沖床的人工操作比較危險，工作環境噪音大，危險性高，所以適合使用機械手來實現自動化沖壓。
沖壓機械手最需要解決的問題就是如何將材料精確放到模具內，所以，材料定位方式顯得最為重要。我們通過三個方面來保證材料定位精準：
1）通過氣動裝置不斷拍打材料是之到達精準的工作位置。材料在自動升降機內，左上角是固定的定位邊，右下角有氣動定位裝置，不斷拍打材料。
2）采用伺服電機驅動，重復運動精度是0.08mm，保證連續運動位置的精準。
3）沖壓模具內設置錐形定位柱，材料放到模具后，可以導向，讓位置精準。
3.液壓定位
液壓傳動機械手是以液體壓力為主要動力源，通過液壓裝置來驅動機械手運動的。其優點是：結構緊湊，動作靈敏，運動平穩，抓取力大。缺點是：對密封裝置的要求十分嚴格，由于油溫的敏感性，不宜用于溫度過高或過低的場合，并且成本較高。由于上述不足，通常采用電液伺服閥來實現連續軌跡控制，從而獲得良好的定位精度。
二、機械手的定位誤差的幾個影響因素
機械手定位，要在三維空間里分析。機械手的定位實際上是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的影響因素。主要由以下7個因素：1、定位方式：不同的定位方式影響因素不同。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關。2、定位速度：定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅動系統使運動部件適時減速。3、精度：機械手的制造精度和安裝調速精度對定位精度有直接影響。4、剛度：機械手本身的結構剛度和接觸剛度低時，因易產生振動，定位精度一般較低。5、運動件的重量：運動件的重量包括機械手本身的重量和被抓物的重量。運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。因此，設計時不僅要減小運動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。6、驅動源：液壓、氣壓的壓力波動及電壓、油溫、氣溫的波動都會影響機械手的重復定位精度。因此，采用必要的穩壓及調節油溫措施。如用蓄能器穩定油壓，用加熱器或冷卻器控制油溫，低速時，用溫度、壓力補償流量控制閥控制。7、控制系統：開關控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關。

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