综 述

产品设计是一个复杂的过程，它利用各学科或子系统间的相互耦合产生的协同效应，获得系统的整体优解，缩短设计周期，是解决复杂机电产品设计的有效方法。^[1]当今，随着科学技术的进步与发展，在保证产品质量的条件下，只有提高劳动生产效率和减小生产成本，才能提高产品竞争力，于是机械的自动化生产成为当今制造业必然趋势，因此很多不同用处的机器人应运而生^[2]。工业机器人是用于工业生产环境的自动化设备，它可替代或部分替代人工操作，起到改善劳动环境、减轻劳动强度、提高自动化程度和生产率等作用。^[3]为了提高劳动生产效率和自动化生产效率，机械手作为一种小型的机器人，因其机构相对简单，近年来得到制造行业的青睐。

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化与自动化生产过程中逐渐发展起来的新型装置。^[4]机械手设计是在上下料开工环节中最为重要的技术部分，直接关系数控机床运行质量和数控机床运转效率。因此，上下料机械手在工厂实际生产中有着十分重要意义。^[5]

目前国内很多中小型机械加工企业依旧采用传统的人工方式为数控车床装卸工件，从而导致生产效率低下，劳动力浪费，容易产生工伤等情况；其次，它的柔性不够,难以适应日益加快的变化,不利于产品结构的调整。随着科学技术的不断进步与自动化的快速发展，高效、高质量、低污染、低成本无疑已经成为工业自动化追求的目标。由于机械手能代替人类完成高危险、高强度，重复枯燥的工作，同时可以连续长时间生产，从而大大的提高了生产效率，降低了人工生产成本，减轻了人类的劳动强度。因此机械手已经越来越广泛的得到了应用。

在国外的机械制造行业中，机器人已经普遍应用于各种机械加工场合。它已经作为一种常规的机械设备来辅助加工各种零部件。世界上机器人发展最早的是美国，发展开始于第二次世界大战，在军用机器人、医疗机器人等方面处于世界领先地位。随着各国政府对机器人研发的重视以及资金的投入，日本、德国、法国、英国等工业大国也相继开始了工业机器人的研究并再各自领域取得了明显优势，其中，日本是当今世界上工业机器人发展速度最快，应用程度最高的国家之一。^[6]

数控机床机械手是由控制系统、驱动系统、执行机构以及位置检测系统四大块组成的。控制系统通过传感器所检测出来的信号，传送到PLC控制中心，经PLC程序的精准运算，产生控制信号，控制驱动装置，手爪装置至目标位置抓取物料，并将其送到指定位置。手爪系统是完成上、下料工作的主要运动部件。^[7]

上下料机械手采用夹持型手部。手部，是直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型。手部是用来抓取工件的部件，根据被抓取物件的形状、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。夹持型主要是针对圆柱形状或者是别的一些比较复杂形状的工件或物料。机械手手部模块中最重要的组成部分就是手指，它主要用来抓取待加工工件。气动机械手气爪是当前应用最为广泛的结构 ，这种手指能够自动对中，双向高精度抓取。 ^[8]腕部，即连接手部和臂部的部件，起支撑和改变手部姿态的作用，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、左右摆动、上下摆动。本课题方案是动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。^[9]臂部，手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用 是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。^[10]最后总体设计出来的要求应当动作可靠平稳，而且结构简单、工艺性好，使其既能满足功能要求又具有良好的经济性。^[11]

工业应用中一般是采用以下几种驱动方式：液压驱动、气体驱动以及电机驱动。同时在实际工程应用中，还可以将以上3种方式进行综合，构造一种混合驱动模式。液压驱动的主要特点就是能够提供较大的动力，同时在控制精度上能够达到较高的标准，实现恶劣环境下的动力驱动。气体驱动一般应用于负荷较小的工程实践当中，拥有价格低廉，维护方便等优势。^[12]电机驱动的应用范围较广，使用起来噪音较低，但是要想应用这种驱动方式，必须结合一些精密控制装置。^[13]根据各种驱动方式的特点以及本文所设计机械手具体要求，采用的是液压驱动。

在机械手的控制中，原来多采用继电 - 接触器控制系统。该系统操作方便，简单易学，但是控制触点多，因此故障也频繁，且难以维修。所以近年来，许多技术人员改用可编程控制器取代传统的继电器控制系统实现逻辑控制，其通用性和扩展性能良好、运算指令丰富，并且体积小、安装灵活、价格低廉、可靠性高、抗干扰能力强，易于实现机电一体化且非常适合在环境条件较恶劣下使用。这样就克服了以上缺点，降低了设备故障率，提高了设备使用率，效果非常好。^[14]