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助力機械手發(fā)展史

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  機械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設備,它對穩定、提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著(zhù)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(lèi),同時(shí)對國內外機械手的研究現狀和發(fā)展趨勢做了一定的了解。另外,本文還對機械手的常見(jiàn)驅動(dòng)方式做了一番分析,并預測了它的發(fā)展趨勢。

  關(guān)鍵詞:機械手;液壓氣壓驅動(dòng);發(fā)展

  1機械手發(fā)展史

  機械手是在機械化,自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。它是機器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預期的作業(yè)任務(wù),在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點(diǎn),尤其體現了人的智能和適應性(王希敏,1992)。在現代生產(chǎn)過(guò)程中,機械手被廣泛的運用于自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)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(dòng),不知疲勞,不怕危險,抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn),因此,機械手已受到許多部門(mén)的重視,并越來(lái)越廣泛地得到了應用。(王承義,1995)

  機械手首先是從美國開(kāi)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(gè)回轉長(cháng)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(lián)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(wàn)能自動(dòng))。運動(dòng)系統仿照坦克炮塔,臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動(dòng);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(gè)基礎上發(fā)展起來(lái)的。同年,美國機械制造公司也實(shí)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(dòng)控制系統也是示教再現型。這兩種出現在六十年代初的機械手,是后來(lái)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(xué),麻省理工學(xué)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(jìn)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(chǎn)一種點(diǎn)焊機械手,采用關(guān)節式結構和程序控制。

  目前,機械手大部分還屬于第一代,主要依靠人工進(jìn)行控制;改進(jìn)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(jué)、觸覺(jué)能力,甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器,把感覺(jué)到的信息反饋,使機械手具有感覺(jué)機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過(guò)程中的任務(wù)。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FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)節。

  2.機械手的組成分類(lèi)及驅動(dòng)

  2.1 機械手的組成

  一般來(lái)說(shuō),機械手主要有以下幾部分組成:

  1.手部(或稱(chēng)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(chēng)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(dòng)部分    它是前兩部分的動(dòng)力,因此也稱(chēng)動(dòng)力源,常用的有液壓氣壓電力和機四種驅動(dòng)形式。

  4.控制部分    它是機械手動(dòng)作的指揮系統,由它來(lái)控制動(dòng)作的順序(程序)、位置和時(shí)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(lèi)

  機械手從使用范圍、運動(dòng)坐標形式、驅動(dòng)方式以及臂力大小四個(gè)方面的分類(lèi)分別為:

  1. 按使用范圍分類(lèi):

 ?。?)專(zhuān)用機械手   一般只有固定的程序,而無(wú)單獨的控制系統。它從屬于某種機器或生產(chǎn)線(xiàn)用以自動(dòng)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(dòng)車(chē)床機械手”、“油泵凸輪軸自動(dòng)線(xiàn)機械手”等等。這種機械手結構較簡(jiǎn)單,成本較低,適用于動(dòng)作比較簡(jiǎn)單的大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。

 ?。?)通用機械手   指具有可變程序和單獨驅動(dòng)的控制系統,不從屬于某種機器,而且能自動(dòng)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(jiǎn)易型和伺服型兩種。簡(jiǎn)易型只是點(diǎn)位控制,故屬于程序控制類(lèi)型,伺服型可以是點(diǎn)位控制,也可以是連續軌跡控制,一般屬于數字控制類(lèi)型(李允文,1994)。

  2. 按運動(dòng)坐標型式分類(lèi):

 ?。?)直角坐標式機械手   臂部可以沿直角坐標軸X、Y、Z三個(gè)方向移動(dòng),亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動(dòng))、左右移動(dòng)(定為沿Y方向的移動(dòng))和上下升降(定為沿Z方向的移動(dòng))(張軍,馮志輝,2004);

 ?。?) 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(dòng),又可繞Z軸轉動(dòng)(定為繞Z軸轉動(dòng)),亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉動(dòng);

 ?。?)球坐標式機械手   臂部可以沿直角坐標軸X方向移動(dòng),還可以繞Y軸和Z軸轉動(dòng),亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動(dòng))、上下擺動(dòng)(定為繞Y軸擺動(dòng))和左右轉動(dòng)(仍定為繞Z軸轉動(dòng));

 ?。?)多關(guān)節式機械手   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(guān)節(鉸鏈)式連接,亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動(dòng),大臂可繞肩部擺動(dòng)多角,手臂還可以左右轉動(dòng)。(孫桓等,2006)

  3. 按驅動(dòng)方式分類(lèi):

 ?。?)液壓驅動(dòng)機械手   以壓力油進(jìn)行驅動(dòng);

 ?。?)氣壓驅動(dòng)機械手   以壓縮空氣進(jìn)行驅動(dòng);

 ?。?)電力驅動(dòng)機械手   直接用電動(dòng)機進(jìn)行驅動(dòng);

 ?。?)機械驅動(dòng)機械手   是將主機的動(dòng)力通過(guò)凸輪、連桿、齒輪、間歇機構等傳遞給機械手的一種驅動(dòng)方式。

  4. 按機械手的臂力大小分類(lèi):

 ?。?)微型機械手   臂力小于1㎏;

 ?。?)小型機械手   臂力為1-10㎏;

 ?。?)中型機械手   臂力為10-30㎏;

 ?。?)大型機械手   臂力大于30㎏。

  2.3 機械手的驅動(dòng)

  如前所述,機械手有四種驅動(dòng)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(diǎn):

  1. 空間布局安裝不受?chē)栏竦目臻g限制,能構成其它方法難以組成的復雜驅動(dòng)系統。

  2.液壓與氣壓驅動(dòng)傳遞的運動(dòng)均勻平穩,易于實(shí)現快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁的換向。

  3. 操作控制方便,省力,易于實(shí)現自動(dòng)控制、中遠距離控制、過(guò)載保護。與電氣控制、電子控制結合,易于實(shí)現自動(dòng)工作循環(huán)和自動(dòng)過(guò)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(diǎn),液壓與氣壓驅動(dòng)在生產(chǎn)中應用最為廣泛。液壓與氣壓作為機械手的兩種常見(jiàn)驅動(dòng)方式,其發(fā)展也對機械手的應用具有一定的促進(jìn)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(zhì)進(jìn)行能量傳遞和控制的。液壓的優(yōu)點(diǎn)是單位質(zhì)量輸出功率大,因為液壓傳動(dòng)的動(dòng)力元件可以采用很高的壓力(一般可達32MPa,個(gè)別場(chǎng)合更高),因此,在同等輸出功率下具有體積小、質(zhì)量輕、運動(dòng)慣性小、動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)(王懋瑤,2001)。而氣壓傳動(dòng)的突出優(yōu)點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便,輸出力小,氣動(dòng)動(dòng)作迅速,結構簡(jiǎn)單,成本低。但是,由于空氣具有可壓縮的特性,工作速度的穩定性較差,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(jìn)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(dòng)多年來(lái)一直以礦物型液壓油為工作介質(zhì),然而油壓存在著(zhù)污染環(huán)境、易燃燒、浪費能源的嚴重問(wèn)題,一方面有背于當今制造業(yè)環(huán)保、節能的發(fā)展方向,另一方面在一定程度上限制了液壓技術(shù)的發(fā)展和應用,(石全,2006)。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類(lèi)環(huán)保、能源危機意識的提高,除了繼續使用高水基液作為液壓介質(zhì)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(zhì)的“綠色”液壓技術(shù)一純水液壓傳動(dòng)技術(shù),并在近20年來(lái)使其不論在理論上還是在應用研究上,都得到了持續穩定地復蘇和發(fā)展(楊爾莊,2006)。

  純水液壓傳動(dòng)具有無(wú)污染危害,阻染性與安全性好、溫升小,介質(zhì)經(jīng)濟性好,維護監測成本較低,黏度對溫度變化不敏感,壓力損失小,發(fā)熱小,傳動(dòng)效率高,流量穩定性好,系統的剛性大等技術(shù)優(yōu)勢。雖然純水液壓傳動(dòng)還存在泄漏與磨損、氣蝕、液壓沖擊、振動(dòng)和噪聲、材料腐蝕與老化等技術(shù)難題,但隨著(zhù)新工藝、新材料以及新技術(shù)的不斷出現和發(fā)展,終將會(huì )得以解決,(張利平,2001)。未來(lái),預計純水液壓將會(huì )是主要的發(fā)展熱點(diǎn)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(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。機械工業(yè)的規模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實(shí)力和科學(xué)技術(shù)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(jīng)濟的戰略重點(diǎn)之一(張志獻,2002)。新世紀,生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展帶動(dòng)了整個(gè)機械工業(yè)的快速發(fā)展?,F代工業(yè)中,生產(chǎn)過(guò)程的機械化,自動(dòng)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(chǎn)是不連續的。單靠人力將這些不連續的生產(chǎn)工序銜接起來(lái),不僅費時(shí)而且效率不高。同時(shí)人的勞動(dòng)強度非常大,有時(shí)還會(huì )出現失誤及傷害。顯然,這嚴重影響制約了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的效率和自動(dòng)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(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)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(dòng)化程度,從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,降低生產(chǎn)成本,加快實(shí)現工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動(dòng)化的步伐。

  2.可以改善勞動(dòng)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(chǎng)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(dòng)條件。同時(shí),在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復作業(yè)的操作中,以機械手代替人手進(jìn)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,便于有節奏的生產(chǎn)

  應用 機 械 手代替人手進(jìn)行工作,這是直接減少人力的一個(gè)側面,同時(shí)由于應用機械手可以連續地工作,這是減少人力的另一個(gè)側面。因此,在自動(dòng)化機床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)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(chǎn)的節拍,便于有節奏地進(jìn)行生產(chǎn)。

  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,數量、品種、性能方面都不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以,在國內主要是逐步擴大應用范圍,重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手,以減輕勞動(dòng)強度,改善作業(yè)條件,在應用專(zhuān)用機械手的同時(shí),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(shí)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、記憶再現型,以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能的機械手,并考慮與計算機連用,逐步成為整個(gè)機械制造系統中的一個(gè)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(diǎn)焊、噴漆等作業(yè),它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規定的操作。國外機械數的發(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(shí),即能更正并自行檢測,重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jì)。

  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(mǎn)足微米及亞微米級要求,運行速度可以達到3M/S,量產(chǎn)產(chǎn)品達到6軸,負載2KG的產(chǎn)品系統總重已突破100KG。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(tài)。同時(shí),隨著(zhù)機械手的小型化和微型化,其應用領(lǐng)域將會(huì )突破傳統的機械領(lǐng)域,而向著(zhù)電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。