3個自由度機械手設計
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- 3個自由度機械手設計機械工業是國民的裝備部，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。不論是傳統產業，還是新興產業，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經濟各部門技術進步和經濟效益有很大的和直接的影響。機械工業的規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，世界各國都把發展機械工業作為發展本國經濟的戰略重點之一。
工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。工業機械手的是工業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任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。
機械手是在機械化，自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。在現代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械人的研制和生產已成為高技術鄰域內，迅速發殿起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。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。
機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。
機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環境中工作。
1.1 機械手的分類
機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業，先是通過操作機來完成特定的作業，后來發展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動；除少數以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。
在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機器人。本課題所做的機械手是屬于第三類機械手。
1、簡史
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯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，控制系統是示教形的。
1962年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統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展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產工業機械手。
1962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也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業機械手發展的基礎。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯合研制一種Unimate-Vicarm型工業機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業，定位誤差小于±1毫米。聯邦德國機械制造業是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業。
聯邦德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節式結構和程序控制。
日本是工業機械手發展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。
前蘇聯自六十年代開始發展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產，一半是進口。
目前，工業機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；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，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，是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系，并逐步發展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環。
2、 應用簡況
現代工業中，生產過程的機械化，自動化已成為突出的主題。化工等連續性生產過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業中，加工、裝配等生產是不連續的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。
有資料統計：美國偏重于毛坯生產，日本偏重于機械加工。隨著機械手技術的發展，應用的對象還會有所改變。
機械手在鍛造工業中的應用能進一步發展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。
國內機械手工業、鐵路工業中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。
國外鐵路工業中應用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床共同組成一個綜合的數控加工系統。
采用機械手進行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝象機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。
3、 發展趨勢
目前工業機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數量、品種和性能方面還是不能滿足工業發展的需要。
在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業條件，在應用專用機械手的同時，相應的發展通用機械手，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。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據不同類型的加緊機構，設計成典型的通用機構，所以便根據不同的作業要求選擇不同類型的基加緊機構，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，有便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發揮機械手的作用。
此外還應大力研究伺服型、記憶再現型，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中的一個基本單元。
在國外機械制造業中工業機械手應用較多，發展較快。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，它可按照事先指定的作業程序來完成規定的操作。
此外，國外機械手的發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。
視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發出指令控制機械手進行工作。
觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內的壓力敏感元件產生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小。總之，隨著傳感技術的發展機械手裝配作業的能力也將進一步提高。
更重要的是將機械手、柔性制造系統和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統的人工操作狀態。
1.2 機械手的組成
機械手主要由執行機構、驅動機構和控制系統三大部分組成。其組成及相互關系如下圖：...
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