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在该技术的推动下，随着改革开放方针的实施，我国机械手技术的发展得到政府的重视和支持，在80年代中期，国家组织了对工业机械手的需求的行业的调研，结果表明，对第二代工业机械手的需求主要集中于汽车行业（占总需要的60%～70%）。在众多的专家的建议和规划下，于“七五”期间，由机电部主持，中央各部委，中科院及地方十几所科研院所和大学参加，国家投入相当的资金，进行了工业机械手基础技术，基础元器件，几类工业机械手整机及应用工程的开发研究，完成了示教再现式工业机械手成套技术（包括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生产的工艺技术等）的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机械手整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件如交、直流伺服马达驱动单元机械手专用薄壁轴承、谐波传动系统、焊接电源和变压器等，并在生产中经过实用考核，其主要性能指标达到80年代初国际同类产品的水平，且形成小批量生产能力。在应用方面，在第二汽车厂建立的我国第一条采用国产机械手的生产线－东风系列驾驶室多品种混流机械手喷涂生产线，该线由7台国产PJ系列喷涂机械手和PM系列喷涂机械手和周边设备构成，已运行十年，完成喷涂20万辆东风系列驾驶室的生产任务，成为国产机械手应用的一个窗口；此外，还建立了几个弧焊和点焊机械手工作站。与此同时，还研制了几种SCARA型装配机械手样机，并进行了试应用。在基础技术研究方面，解剖了国外10余种先进的机型，并进行了机构学，控制编程，驱动传动方式，检测等基础理论与技术的系统研究。开发出具有国际先进水平的测量系统，编制了我国工业机械手标准体系和12项国标，行标。

为了跟踪国外高技术，80年代在国家高技术计划中，安排了智能机械手的研究开发，包括水下无缆机械手，高功能装配机械手（DD驱动）和各类特种机械手，进行了智能机械手体系结构，机构控制，人工智能机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究已取得一批成果。这些技术的实用化将加速我国第二代机械手的发展[2]。

经过80年代尤其是后50年的努力，吸引了160多个单位从事机械手及其相关技术的研究力量，形成了京津、东北、华东、华南等机械手技术地区和十几家优势单位，培养了一支2000多人的工业机械手设计、研制、应用队伍，造就了一批机械手专家，使我国的工业机械手技术发展基本上可以立足于国内。

90年代初期，我国主要开发下列机械手： （1）喷涂机械手 （2）焊接机械手 （3）搬运机械手 （4）装配机械手

在90年代中期，国家已选择以焊接机械手的工程应用为重点进行开发研究，从而迅速掌握焊接机械手应用工程成套开发技术、关键设备制造、工程配套、现场运行等技术，即以机械手焊接工艺为龙头，开展焊装线总体设计、线体总控及多机通讯，新型焊接机

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械手用焊接电源、送丝机构、焊缝跟踪系统、机电精度、控制技术等开发及完善化，以及几条焊装生产线的全套应用及其可行性作为主攻目标。

虽然我国的机械手研发工作基本上属于科学研究的项目，但据说，中国科学院目前已造出说话时嘴唇能够活动、眼睛能转动、具视觉功能的机械手，其水准可媲美日本同行，但这台机械手体形甚大，却未能以双脚走路。在日本，机械手能否以二脚行走已成为一个热门及熟练的技术竞赛项目，譬如有“二足机械人竞赛大会”（分等级）。其实，机械手的制作绝对并非只是液压机械与电子产品的混成物，要将机械手造得越来越有人性化，就要兼及生命医学、传感、光学及创造性的文化产业等方面，比如机械手的关节就需要研究中医的经络学、生物学上的神经刺激反应以及文化产品的某种造型特征（其中很重要的是民族特征的外表）等等。英国的科学家甚至预言，到2020年，随着机械手愈来愈精密和使用有机零件制造，它们将会受到“机械手权”的保护。

1.3 气动机械手的应用现状及发展前景

近20年来, 气动技术的应用领域迅速拓宽, 尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合, 使整个系统自动化程度更高, 控制方式更灵活, 性能更加可靠； 气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展, 对气动技术提出了更多更高的要求; 微电子技术的引入, 促进了电气比例伺服技术的发展, 现代控制理论的发展, 使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制, 控制精度不断提高; 由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点, 国内外都在大力开发研究。

从各国的行业统计资料来看, 近30多年来, 气动行业发展很快。20世纪70年代, 液压与气动元件的产值比约为9∶1, 而30多年后的今天, 在工业技术发达的欧美、日本等国家, 该比例已达到6∶4, 甚至接近5∶5。我国的气动行业起步较晚, 但发展较快。从20世纪80年代中期开始, 气动元件产值的年递增率达20%以上, 高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用, 气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。 1.3.1 气动技术及气动机械手的发展过程

气动技术是以空气压缩机为动力源, 以压缩空气为工作介质, 进行能量传递或信号传递的工程技术,是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。

大约开始于1776年, Johnwilkimson发明能产生1个大气压左右压力的空气压缩机。1880年, 人们第一次利用气缸做成气动刹车装置, 将它成功地用到火车的制动上。20世纪30年代初, 气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。至50年代初, 大多数气压元件从液压元件改造或演变过来, 体积很大。60年代，开始构成工业控制系统, 自成体系, 不再与风动技术相提并论。在70年代, 由于气动技术与电子技术的

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结合应用, 在自动化控制领域得到广泛的推广。80年代进入气动集成化、微型化的时代。90年代至今, 气动技术突破了传统的死区, 经历着飞跃性的发展, 人们克服了阀的物理尺寸局限, 真空技术日趋完美, 高精度模块化气动机械手问世, 智能气动这一概念产生, 气动伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定位, 智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。

气动机械手作为机械手的一种, 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。

气动机械手强调模块化的形式, 现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术(可重复编程等) , 气动伺服系统(可实现任意位置上的精确定位) , 在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。

90年代初, 由布鲁塞尔皇家军事学院Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机械手——“阿基里斯”六脚勘探员, 是气动技术、PLC控制技术和传感技术完美结合产生的“六足动物”6个脚中的每一个脚都有3个自由度, 一个直线气缸把脚提起、放下, 一个摆动马达控制脚伸展/退回运动, 另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。

由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机械手, 它集遥感技术和真空技术于一体, 成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题。

Tron-X电子气动机械手, 能与人亲切地握手,它的头部、腰部、手能与人类一样弯曲运动, 并且有良好的柔韧性。在幕后操纵人员的操作下(或通过自身的编程控制) 能与人进行对话, 或作自我介绍等。Tron-X电子气动机械手集电子技术、气动技术和人工智能为一体, 它告诉我们, 气动技术能够实现机械手中最难解决的灵活的自由度, 具有在足够工作空间的适应性、高精度和快速灵敏的反应能力。 1.3.2 气动机械手的应用现状

由于气压传动系统使用安全、可靠, 可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种, 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以, 气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工, 食品和药品的包装、精密仪器和军事上。

现代汽车制造工厂的生产线, 尤其是主要工艺的焊接生产线, 大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动； 车身外壳被真空吸盘吸起和放下, 在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊, 都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化, 堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。

在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上,在半导体芯片、印刷电路等各种电

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子产品的装配流水线上, 不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪, 还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住, 运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统, 采用了平稳加速的SIN气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装； 用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手, 牛奶盒装箱气动机械手等。

此外, 气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如: 气动自动调节病床,机械手,外科手术机械手等[3]。 1.3.3 发展前景及方向 （1）重复高精度 （2）模块化 （3）无给油化 （4）机电气一体化

气动技术经历了一个漫长的发展过程, 随着气动伺服技术走出实验室, 气动技术及气动机械手迎来了崭新的春天。目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚, 但随着投入力度和研发力度的加大, 我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用, 为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点, 可以预见, 在不久的将来, 气动机械手将越来越广泛地进入工业、军事、航空、医疗、生活等领域。

1.4 本课题设计要求

本课题将要完成的主要任务如下:

（1）机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。 （2）选取机械手的座标型式和自由度。

（3）设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手臂等部件的设计。

为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。 （4）气压传动系统的设计

本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。

（5）机械手的控制系统的设计

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本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图

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