关于曲轴搬运机械手研究文献综述【摘要】 本文归纳了工业机械手和曲轴搬运机械手研究中的关键问题，分析了工业机械手的研究现状和发展趋势，讨论了设计工业机械手及曲轴搬运机械手的方案。在此基础上，对工业机械手及曲轴搬运机械手的进一步研究进行了展望。【关键词】工业机械手，曲轴，自动化，液压驱动，智能化1、引言随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展。它能模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置，可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。这一技术在工业、农业、军事、医疗卫生、生活服务等众多领域有着越来越多的应用, 尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。工业机器人在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进制造业的柔性化、增强企业和国家的竞争力等诸方面具有举足轻重的地位。其中液压式机械手系统由于其介质来源简便以及组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的，因此可看出装卸、搬运等工序机械化的迫切性。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，工业机器人市场也会越来越大。在生产实践中，常常需要将上料、加工、卸料等工序进行合理的安排，组成一条自动流水加工线。但在流水线上加工时，搬运工作由人工完成，不可避免地存在着劳动强度大、生产安全难以保障、定位精度不高等问题，严重影响了生产质量、生产效率和单位的经济效益。当生产效率很高时，为了减少工人数量，改善工人的劳动条件，提高劳动生产率这就需要使自动线上工件搬运自动化。于是针对这一问题就提出了要研制一种搬运机械手来代替工人实现工件的搬运上线,并且能满足定位和重复定位精度。用搬运机械手来代替工人搬运工件可以减轻工人的劳动强度，减少自动线上的工人数目，同时也提高了生产效率并且精度也得到了保障。设计说明书的第一部分介绍工业机械手的现状和发展动态，以及研究曲轴搬运上线机械手的目的和动机；第二部分给出这台机械手的主要性能规格参量；第三部分介绍工业机械手的设计理论与方法，并对机械手的整体结构进行设计；第四部分对液压驱动方面进行简单设计。2、工业机械手的研究现状与发展趋势2.1基本知识曲轴是引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动。它是发动机上的一个重要的机件，其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位：主轴颈，连杆颈。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。曲轴的润滑主要是指与摇臂间轴瓦的润滑和两头固定点的润滑。 这个一般都是压力润滑的，曲轴中间会有油道和各个轴瓦相通，发动机运转以后靠机油泵提供压力供油进行润滑、降温。发动机工作过程就是，活塞经过混合压缩气的燃爆，推动活塞做直线运动，并通过连杆将力传给曲轴，由曲轴将直线运动转变为旋转运动。曲轴的旋转是发动机的动力源。机械手（mechanical hand），也被称为自动手（auto hand），它能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。点位控制，采用全功能的数控装置或采用单板机或单片机控制某机构从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制。目前工业机器人以可编程控制器（PLC）点位控制为主，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等优点。2.2 研究现状随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。2005年，亚洲地区电子电气行业对工业机器人的需求仅次于汽车及汽车零部件制造业，其占所有行业总需求的比例为31%；而在欧洲地区橡胶及塑料工业对工业机器人的需求则远远超过电子电气行业而排名第二位；美洲地区由于汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求遥遥领先，所以金属制品业(包括机械)、橡胶及塑料工业以及电子电气行业对工业机器人的需求比例相当，均在7%左右。另外诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。国内工业机器人市场具有如下特征：（1）国内汽车业。汽车制造业属于技术、资金密集型产业，也是自动化程度要求高、竞争相当激烈的行业。可以说，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的主要原动力之一。（2）沿海经济发达地区。国内相当数量的企业技术实力得到很大提高，生产设备更新换代，为了更好地适应市场经济发展的需要，提高生产率，提高产品质量和企业竞争力，改善工人劳动条件，企业对工业机器人的需求自然不断增加。（3）外商独资企业、中外合资企业。外商独资或中外合资企业自动化程度一般比较高，导致工业机器人的需求量较大。（4）国内一些现代化水平比较高的企业。国内一些汽车厂、军工企业、船舶行业等。机械手的驱动装置一般有步进电机、伺服电机、液压和气动等。其中，电液伺服系统具有明显的优势。但是，由于电液伺服系统中普遍存在着压力流量非线性、伺服阀零偏、双向增益不等、死区等非线性环节，还存在由液压介质粘温特性引起的伺服阀时变特性、系统质量负载引起的系统惯量的变化等时变特性。所有这些非线性及时变特性都使得电液控制系统难以利用已有的古典控制方法对其控制器进行设计，因而这一问题就成为电液控制领域的研究热点之一。其中人工神经网络控制是新兴起的研究热点之一，神经网络用于控制，具有如下特点：可以处理难以用模型或规则描述的过程；能同时处理大量的不同类型的信息；并行分布式信息处理模式等。随着计算机集成制造系统(CIMS)和柔性制造系统(FMS)的发展，越来越迫切地要求工业机器人系统能与现代化工厂的其他自动化系统成为一体，同时随着生产技术的不断更新，以及对机器人系统研究的需要等，这一切都要求机器人系统具有较强的开放性。在实际的应用中，人们总希望机器人的控制系统和结构在某种程度上，为了适应市场的变化而调节生产线和技术需求，可以按照自身和总体系统的功能要求来进行扩展和修改；同时,因为工业生产的自身特殊性较高实时性、突出的安全性等特性，因此这些特殊要求必须在机器人的控制结构的软件体系中得到实现。由此可见，机器人的控制系统在硬件和软件结构上都必须具有开放性，同时还要保持有较高的实时响应。目前，开放式控制系统的研究已成为自动控制领域的一个热门研究方向，并且在国内外取得了进展和成功。2.3 发展趋势机械手虽然能代替人工操作，大大改善工人的劳动条件，将操作工人从繁重、单调的工作环境中解放出来，提高劳动生产效率。但是相对人的思维逻辑，如果机械手的逻辑时间设计不合理，也会造成生产延误与浪费。要找到最优的生产时间，需要经过生产实践的验证和摸索，对生产中影响到生产效率的几个瓶颈工位进行分析，并制定可行性方案，从而实现曲轴线生产的产能最大化。对曲轴生产线机械手与设备上、下料之间的逻辑时间进行研究和分析，并根据实际生产状况分析曲轴线上的机械手在机床设备之间上下料和清空缓冲之间的逻辑关系，找出能满足实际生产的最优生产节拍，避免机械手不必要的等待时间。由于传感器技术和控制技术的发展，机器人的作业能力不断提高，其适应范围也在不断地扩大。从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。3、设计方案的比较与分析3.1机械手坐标形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为1.直角坐标型机械手2.圆柱坐标型机械手3.球坐标（极坐标）型机械手4.关节型（回转坐标）型机械手5. 平面关节型。圆柱坐标型是通过一个转动两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间为圆柱形，它与直角坐标型比较，在相同的空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。直角坐标型，其运动部分的三个相互垂直的直线组成，其工作空间为长方体，它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，结构简单，但机体所占空间大，灵活性较差。球坐标型又称极坐标型，它由两个转动和一个直线组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩，其工作空间图形唯一球体，它可以做上下俯仰动作并能够抓取地面上的东西或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作范围大的特点，但是结构比较复杂。关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个自由度都是回转关节，这种机器人一般由和大小臂组成，立柱与大臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰运动，小臂作俯仰摆动，其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的工件。平面关节型采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节控制上下运动。这种机器人在水平方向上有柔顺度，在垂直方向上有较大的刚度，它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合中小规格零件的插接装配。本次设计中采用回转坐标型。3.2机械手驱动方式的选择根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压式、气动式、电动式、机械式。液压驱动：液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。气压驱动：具有速度快、系统结构简单、维修方便价格低等特点，适用于中小负载的系统中，难于实现伺服控制。电动驱动：控制性能差，惯性大，不易精确定位，安装维修方便。机械式：动作可靠，动作范围小，结构比较复杂。因为采用液压机构驱动机械手具有结构简单，尺寸紧凑，重量轻，控制方便，驱动力大等优点，本次设计中选择液压驱动。3.3控制方式的选择控制方式可分为点位控制和连续控制两种，目前工业机器人以点位控制为主。本次设计中选用可编程控制器（PLC），其具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等优点，但本次将不对PLC控制方面进行设计。4、结束语机械手的迅速发展源于它的积极作用。采用工业机器人具有如下优点:第一，改善劳动条件，逐步提高生产效率；第二，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代；第三，提高零件的处理能力与产品质量；第四，消除枯燥无味的工作，节约劳动力；