[科普中国]-锻造机械手

锻造机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序、轨迹或其他要求，完成上下料、工位间传递等功能的自动化装置1。

锻造机械手简介锻造机械手是一种模仿人手动作，按预定程序工作的自动化操作装置。它可用来完成锻造生产过程中的辅助工序（如运输、装卸、贮存等）并能进行锻造操作。在生产中使用机械手能够保证产品质量、提高劳动生产率、使工人摆脱繁重的和重复性的体力劳动，并能在高温、高压、低温和粉尘等特殊环境中代替人进行操作。

利用各种类型的机械手与锻压生产设备结合，再配合电子计算机的控制技术，可以组成全自动化的锻压生产车间，这就为锻压生产现代化开辟了一条崭新的道路。

锻造机械手只是工业机械手在锻造生产上的应用，在设计中除考虑一般机械手的原则之外，还要考虑锻造生产的特殊要求2。

锻造机械手由执行系统、驱动系统、控制系统三大部分组成。

执行系统一般由手部、腕部、臂部、机身，有的还增设行走机构组成。驱动系统由驱动元件和传动机构组成。常用的有液压传动、气压传动、电子传动和机械传动等四种形式。控制系统由控制装置和检测装置组成。一般采用电气控制，它支配机械手按规定的程序运动，必要时对机械手的动作进行监视。当动作发生错误或有故障时，可反馈给控制系统进行调整或发出报警信号。

锻造机械手的组成锻造机械手的结构有复杂的也有简单的，但从结构形式分析，基本上由执行机构、驱动系统和控制系统等三个部分组成，如下图所示。

执行机构它包括手爪、手腕、手臂、立柱和行走机构等部分。

1、手爪

它是夹持工件的部件，与锻造操作机夹钳相似。夹持式手爪的形式与人的手指相仿，有夹紧和松开的动作。

2、手腕

它是连接手爪和手臂的部件，起支撑手爪的作用，并用来调整被夹持工件在空间的方位。手腕一般具有俯仰、左右摆动和绕自身轴线旋转的三个运动，有的机械手没有手腕。

3、手臂

它是用来支承被夹持工件、手爪和手腕的部件，它可以按一定的轨迹在空间内将工件从某一位置搬到另一位置。一般手臂具有前后伸缩、上下升降、左右回转和上下摆动等运动。

4、立柱

它是支撑手臂的部件。机械手的立柱通常是固定不动的，有时因需要，立柱也可以设计为可移动的，称为移动式立柱。

5、行走机构

当机械手需要完成较远距离的操作时，可在机座上安装滚轮、导轨等行走机构来实现整机运动。

驱动系统驱动系统是使机械手运动的动力装置，由动力源、调节控制装置和辅助装置等组成。

控制系统控制系统是支配机械手按预定程序、行程和速度进行运动的装置。可以保存或记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、到达位置、联锁信号等)，机械手工作时，根据指令指挥执行机构的动作，当动作错误或发生故障时可发出报警信号2。

机械手的自由度机械手的自由度是指整机、手臂和手腕相对于固定座标所具有的独立运动。部件每个独立运动叫做机械手的一个运动自由度，有几个独立运动就有几个运动自由度。通常手爪的夹紧动作不计在自由度数目之中。

机械手的自由度数越多，它的动作越灵活，应用越广。但同时也使控制系统和执行机构越复杂，定位精度越难保证。通常为了确定被夹持工件在空间的位置和方位需要六个运动自由度，其中手臂的三个自由度是起改变工件位置的作用，手腕的三个自由度则起调整工件方位的作用。实际上，由于有些工件具有对称性或有一定的放置状态，往往并不需要机械手具有六个运动自由度。因此，专用机械手通常只有2~3个运动自由度，通用机械手也只有5~6个自由度。

手臂运动的座标形式为了研究机械手的结构和运动的关系，按照手臂所具有的运动自由度及其组合情况，可以把机械手划为四种座标形式。

直角座标式如上图a所示，以X、Y、Z表示直线运动，则手臂可做前后、左右、升降三个直线移动。这种座标形式的直观性好，结构简单，但运动中惯性大，所占的空间也较大，通常多安装在架空的梁上。

圆柱座标式如上图b所示，以X、Z表示直线运动，印表示转动。手臂具有两个移动和一个转动。这种座标形式直观性好、结构简单，本体所占空间较小，动作范围大、是应用较多的一种形式。

球座标如上图c所示，以X表示直线运动，φ、表示转动。手臂具有一个移动和两个转动。这种形式虽然结构较复杂但运动惯性不大，本体所占的空间较小，动作范围比圆柱座标式大，通用机械手常采用这种形式。

多关节式如上图d所示，以φ、、表示手臂具有三个转动，没有直线移动。这种座标形式运动惯性小，本体所占的空间较小，动作范围大，并可以绕过障碍物抓取工件，但结构较复杂、位置精度较难控制。

手臂运动少于三个自由度的机械手，可不必划分其座标形式2。

本词条内容贡献者为:

李岳阳 - 副教授 - 江南大学