1 前言机械手是在自动化生产加工过程中使用的一种，具有抓取和移动工件功能的自动化装置。
近年来，随着科学技术特别是电子计算机的广泛发展应用，机器人和机械手的研制和生产已成为高技术领域内发展起来的一门新兴科学技术，它们的发展更加促进了机械手技术的进步，使得机械手能更好的实现与机械化自动化的有机结合。
机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。
因此得到越来越广泛的应用[1]。
1.1机械手的基本概念机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。
我国国家标准(GB/T 12643-90)对机械手的定义:“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置[1]。
1.2机械手的研究现状在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机器人的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能够更好的实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合性技术。
现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为主题。
化工等连续生产过程的自动化已基本得到解决，但在加工、装配等生产过程中是不连续的。
因此，卸载、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。
机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等生产条件。
国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。
国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。
并和机床共同组成一个综合的数控加工系统[2]。
1.3 机械手的发展趋势机械结构不断向模块化、可重构化发展。
比如关节模块中伺服电机、减速机和检测系统三位一体化；由关节模块以及连杆模块用重组方式构造机器人整体机构。
机器人控制系统不断向基于PC机的开放型的控制器方向发展，便于标准化和网络化；器件集成度提高，及控制柜逐渐小巧，并且采用模块化结构，很大程度提高了系统的可靠性、易操作性以及可维修性。
机器人传感器作用日益重要，除采用传统地位置、速度和加速度等传感器外，装配、焊接机器人还添加了视觉和力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉和触觉等多传感器的融合技术来进行控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。
关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。
总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件[4]。
1.4机械手的组成本机械手属于专用类工业机械手，它主要由执行系统、驱动系统和控制系统三大部分组成。
下面对这三个方面逐一进行分析、研究[3]。
1.4.1执行系统（1）手部手部安装在手臂的前端。
手臂的内孔装有转动轴，可把手臂的动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。
机械手手部的机构为模仿人的手指，分为无关节式，固定关节式和自由关节式三种。
手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。
并且可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作工作需要。
（2）手臂手臂有无关节手臂和有关节手臂之分。
手臂的作用是引导手指准确的抓取工件，并搬运到所需的位置上。
为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。
机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个自由度的定位上均采用行程开关控制，以保证定位的精度。
1.4.2驱动系统驱动系统主要有四种：液压驱动、气压驱动、电力传动和机械传动。
其中以液压和气压驱动用的最多，电动、机械传动用得较少。
（1）液压驱动：主要是通过油缸、阀、油泵和油箱实现传动。
优点：压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止；缺点：需要配备压力源，系统复杂，不易维修，成本高。
（2）气压驱动：采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。
一般采用4-6个大气压，个别采用8-10个大气压。
优点：气源方便，维护简单，成本低；缺点：难以实现中间停止，只能用于点位控制，润滑性差。
（3）电力传动：一般利用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构。
优点：动力源简单，使用、维护方便；缺点：控制响应速度比较慢。
（4）机械传动：只用于固定场合，一般用凸轮连杆机构实现规定动作。
优点：动作可靠，速度高，成本低；缺点：不易调整。
本设计所指的机械手采用液压驱动方式。
1.4.3控制系统控制系统主要是通过对驱动系统的控制使执行系统按照规定的程序进行工作，并检测其工作位置正确与否。
控制系统的主要因素包括：工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。
控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。
编制程序并加以存储，然后机械手按照给定的程序进行工作。
位置检测装置主要检测机械手各运动部件位置是否准确，并及时反馈给控制系统[6]。
1.5机械手的分类1.5.1 按用途分类机械手可分为通用和专用机械手两种。
其中，通用机械手是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。
在性能范围内，其动作程序是可变的，即通过调整结构可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。
通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。
而专用机械手是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。
专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”等[7]。
1.5.2 按驱动方式分类可分为液压驱动、气压驱动、机械传动和电力传动四大类。
其中，液压驱动机械手是以体的压力来驱动执行机构运动的机械手。
特点是压力大、抓重大、运动平稳，可无级变速，并可在中间停止。
缺点是成本高、不易维修；气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。
特点是动作迅速、成本低、结构简单，缺点是压力低、润滑性差、不易控制；机械传动机械手是由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。
特点是准确可靠，缺点是不可控制；而电力传动机械手是由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手。
特点是结构简单，维护和使用方便，缺点是控制响应速度比较慢，目前应用较少[11]。
1.5.3按控制方式分类可分为点位控制和连续轨迹控制两种不同的方式。
点位控制的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。
目前大多数机械手都采用这种控制方式。
连续轨迹控制的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，但控制系统复杂，故目前应用不多[12]。
1.6机械手的坐标形式按照机械手主运动和辅助运动的不同，可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和多关节式。
手臂的伸缩以及手部的抓放运动可称为主运动；手臂的转动称为辅助运动。
主运动和辅助运动共同决定了机械手的运动范围和工件的定位基准[15]。
1.6.1 直角坐标式如图1.1所示直角坐标式的空间运动是由三个相互垂直的直线运动来实现的。
由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此容易达到很高的位置精度，但是为了实现一定的运动空间，所以直角坐标的结构尺寸要大得多。
图1.1 直角坐标式1.6.2 圆柱坐标式如图 1.2所示圆柱坐标式的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。
这种坐标式结构比较简单，精度还可以，常用于搬运作业，其工作空间是一个圆柱状的空间。
图1.2 圆柱坐标式1.6.3 球坐标式如图1.3所示球坐标式的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。
这种坐标式结构简单、成本较低，但精度不高，其工作空间是一个球形空间。
图1.3 球坐标式1.6.4多关节式如图1.4所示多关节式的空间运动是由三个回转运动实现的。
这种坐标式动作灵活，结构紧凑，占地面积小，采用此坐标式的机器人广泛用于焊接、喷漆、搬运、装配等行业。
图1.4 多关节式2 总体方案设计2.1机械手的设计参数刀具重量：2—10公斤自由度数：3个坐标形式：圆柱坐标驱动方式：液压驱动液压缸数目：两个刀具底部半径：Φ150mm手指夹持范围：Φ100mm—Φ200mm最大工作半径：1200mm手臂最大中心高：1500mm手臂运动参数：手臂伸缩范围 0—500mm手臂伸缩速度 200mm/s手臂升降范围 0—500mm手臂升降速度 100mm/s手臂旋转范围 0—90゜手臂旋转速度 150mm/s定位方式：手臂伸缩：伸出时由行程开关适时切断油路，手臂缓冲，缩回时由行程开关控制返回终了位置；手臂升降：上升时是靠可调碰铁触动行程开关而发信，使电液换向阀变为“o”型滑阀机能，切断油路而实现缓冲定位，下降时靠油缸端部节流缓冲，由行程开关控制终了位置；手臂回转：采用行程节流阀（双向使用）减速缓冲，用定位油缸驱动定位销而定位。
2.2机械手的工艺流程机械手原位→机械手右转→机械手前伸→机械手抓取并抓紧→机械手上升→机械手左转→机械手下降→机械手松开→机械手后退→退至原位。
2.3 机械手的结构方案设计2.3.1手部由于刀具为圆柱刀柄，故应采用夹钳式抓取机构，因此选择了回转型外卡式手爪，它可以抓取各种形状的工件。
机构的手指要有足够的握力和一定的开闭角，和足够的强度和刚度，且此结构采用杠杆滑槽机构，动作灵活，结构简单，手爪开闭角度大。
结构图如下图2.1图2.1 手部结构图2.3.2整体结构设计机械手执行结构共分手部和手臂两部分，其中手部主要完成抓取与送放动作，而手臂则需要执行伸缩，升降，旋转等任务。
其整体结构图如下图2.2图2.2 机械手整体结构图（1）底座：由底板和紧固螺栓组成，起固定作用；（2）导向机构：实体为光滑圆柱，下端部装有挡环，保持液压缸升降的直线性；（3）定位挡块：一端固定在液压缸上，中间做一直径和光滑圆柱啮合的圆孔，起定位作用；（4）伸缩液压缸：推动手臂手部伸缩的驱动机构；（5）手部夹紧机构：通过小型液压缸的推拉，完成手部的张开与闭合；（6）机械手：由两个活动手指组成，完成对工件的抓取与松开；（7）升降液压缸：推动机械手整体的上下移动；（8 ）肋板：起紧固作用；（9）旋转机构：由法兰和法兰盘组成，推动整个底座上面部分的旋转。