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摘 要：随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要，如电器制造行业、汽车制造行业、塑料加工行业、通用机械制造行业以及金属加工行业等，都使用了工业机械手工业生产上应用的机械手。由于使用场合和工作要求的不同， 其结构型式亦各不相同， 技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能； 一般都能按预定程序， 自动地、重复循环地进行工作。文中介绍了我国工业机械手目前的发展现状，机械手在各方面的应用，机械手各部位设计分析及注重的问题等。
关键词：机械手；液压系统；设计；方案
工业机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用工业机械手是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化， 改善劳动条件， 减轻劳动强度的一种有效手段。它是一种模仿人体上肢的部分功能， 按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。
一、工业机械手的发展现状
1.驱动方式发展现状。现在的工业机械手驱动方式，大多采用电机驱动。电机驱动的工业机械手，具有精度高、驱动力大、响应快等优点。同时采用电机驱动，必须使用减速机构，因此，采用电机驱动方式的机械手的成本，会大大高于其他方式驱动的，因而限制了电机驱动机械手的应用。随着气动技术的高速发展，又由于气压驱动具有其他驱动方式所没有的一些优点，如成本低、高性价比、无污染、结构简单、抗干扰能力强等，因而越来越多的工业机械手，采用气动控制，因而气动技术也得到了迅速发展。
2.定位精度发展现状。在气动技术发展初期，由于技术的不成熟，利用气压驱动的工业机械手的定位精度很低，更无法实现在任意位置的起停，只能靠气缸两个终点位置来实现定位，或者采用多位气缸，而多位气缸的定位长度，也已经由气缸的行程確定，同样无法实现机械手在任意位置的起停。如果要多加一个定位位置，或者是要改变预先确定的两个定位位置之间的距离，则需要另外再设计一个多位气缸，这样就会导致气缸的滑块导向机构更加复杂。所以，早期的气动工业机械手不能实现任意位置的。定位，因此限制气动工业机械手的发展。
二、机械手的应用
机械手在工业生产中的应用， 几乎遍及各行各业。归纳起来， 大致有如下几个方面。
1.合单机实现自动化
生产上出现的许多高效专用加工设备（如各种专用机床等）， 如果工件的装卸等辅助作业， 继续由人工操作，不仅会增加工人劳动强度， 同时亦不能充分发挥专用设备的效能， 必然会影响劳动生产率的提高。若采用机械手代替人工上、下料， 则可改变上述不相适应的情况， 实现单机自动化生产， 并为实现多机床看管提供了条件， 如： 自动机床及其上下料机械手、冲压机械手、注塑机及其取料机械手等。
2. 高温作业自动化
在高温环境下作业（如热处理、铸造和锻造等）， 工人的劳动强度大， 劳动条件差， 采用机械手操作， 更具有现实意义， 如汽车钢板弹簧淬火机械手、压铸机用浇铸机械手等。
3.组成自动生产线
在单机自动化的基础上， 若采用机械手自动装卸和输送工件， 可使一些单机连接成自动生产线。目前在轴类和盘类工件的生产线上， 采用机械手来实现自动化生产尤为广泛。如： 轴类加工自动生产线及其上下料机械手、盘类加工自动生产线及其机械手、齿轮加工机床的上下料机械手等。
4.进行特殊作业
在现代科学技术中， 原子能的应用、海底资源的开发、星际探索等等都已为人们所熟悉。但放射性辐射， 或海底、宇宙等环境， 常常是人体不能直接接触或难以接近的， 采用遥控机械手代替人们进行这种作业， 既能完成这些特殊作业， 又能长时间地安全地进行工作， 成为人类向新的自然领域进军的一种有效手段。总之， 工业机械手的应用在工业生产中是多方面的，为了使机械手能发挥它的更多的作用， 还应注意发展其它的辅助设备与之配合。随着机械手技术的进一步提高， 它的适应性将会更强， 应用面也将更广。
5. 操作工具
用机械手握持工具， 在高温、粉尘及有害气体环境下进行自动化操作， 可以使人脱离恶劣的劳动条件， 并减轻劳动强度， 提高劳动生产率和保证产品质量， 如汽车车身等薄钢板的点焊工艺、自动喷漆或自动喷丸清砂工作等。
三、机械手各部位设计分析及注重的问题
1.手部设计： ①需有足够的夹紧力； ②大小要满足工件尺寸变化的需要； ③应能保证工件的准确定位； ④结构尽量紧凑， 减轻重量， 以利于臂部设计； ⑤夹紧力的计算应充分考虑安全系数、工况系数和方位系数的影响。
2.腕部设计： ①腕部的转动多采用摆动缸或活塞缸驱动； ②结构尽量紧凑， 以减轻重量； ③转动的灵活性及密封性； ④考虑通用手部油路的配置； ⑤腕部回转时的驱动力矩： M = K （Mm + Mp + Mg ） ， K为驱动缸密封的摩擦损失（范围为1.1～ 1.2） ；Mm 为腕部转动支撑处的摩擦阻力矩； Mp 为克服工作重心偏置所需的力矩； Mg 为克服腕部起动的惯性力矩。
3.机身设计： ①要有足够的刚度和稳定性； ②升降运动要求灵活，升降立柱的导套长度不宜过短， 否则可能产生卡死现象， 一般要有导向装置； ③结构布置要合理， 便于装修； ④升降时活塞油缸的驱动力： P= Fm + Fg ± w， w 为运动部件（包括手部、腕部和工件） 的总重量；⑤回转运动时的驱动力矩： M= 1. 3（Mm + Mg ） ， 因不是等加速运动， 所以最大驱动力要比理论值大一些， 取1. 3倍。
4.臂部设计： ①要求刚度好， 常用钢管作手臂， 工字钢和槽钢作支撑； ②要求重量轻、偏重力矩小、惯量小； ③导向性好， 其结构根据手臂的安装形式、抓取重量和运动形成等因素确定； ④手臂伸缩运动的驱动力计算： P = Fm + Fg ， Fm 为导轨支承间的摩擦阻力、活塞与缸壁及密封处的摩擦阻力； Fg 为起动过程的惯性力。
四、结语
工业机械手可以代替人手的繁重劳动， 显著减轻工人的劳动强度， 改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。随着工业技术的不断发展， 相信会涌现出一些重型、快速、定位精度高的机械手， 来实现更多、更先进的自动化生产， 希望上述工业机械手设计中的几点体会能为创造出新技术、新设备提供一些帮助。
参考文献：
[1]刘明保，吕春红等.机械手的组成机构及技术指标的确定.河南高等专科学校学报.2004.1.1.
[2]李超.气动通用上下料机械手的研究与开发.陕西科技大学.2003.
[3]陆祥生，杨绣莲.机械手.中国铁道出版社.1985.1.
[4]张建民.工业机械人.北京：北京理工大学出版社.1992.
关键词：机械手；液压系统；设计；方案
工业机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用工业机械手是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化， 改善劳动条件， 减轻劳动强度的一种有效手段。它是一种模仿人体上肢的部分功能， 按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。
一、工业机械手的发展现状
1.驱动方式发展现状。现在的工业机械手驱动方式，大多采用电机驱动。电机驱动的工业机械手，具有精度高、驱动力大、响应快等优点。同时采用电机驱动，必须使用减速机构，因此，采用电机驱动方式的机械手的成本，会大大高于其他方式驱动的，因而限制了电机驱动机械手的应用。随着气动技术的高速发展，又由于气压驱动具有其他驱动方式所没有的一些优点，如成本低、高性价比、无污染、结构简单、抗干扰能力强等，因而越来越多的工业机械手，采用气动控制，因而气动技术也得到了迅速发展。
2.定位精度发展现状。在气动技术发展初期，由于技术的不成熟，利用气压驱动的工业机械手的定位精度很低，更无法实现在任意位置的起停，只能靠气缸两个终点位置来实现定位，或者采用多位气缸，而多位气缸的定位长度，也已经由气缸的行程確定，同样无法实现机械手在任意位置的起停。如果要多加一个定位位置，或者是要改变预先确定的两个定位位置之间的距离，则需要另外再设计一个多位气缸，这样就会导致气缸的滑块导向机构更加复杂。所以，早期的气动工业机械手不能实现任意位置的。定位，因此限制气动工业机械手的发展。
二、机械手的应用
机械手在工业生产中的应用， 几乎遍及各行各业。归纳起来， 大致有如下几个方面。
1.合单机实现自动化
生产上出现的许多高效专用加工设备（如各种专用机床等）， 如果工件的装卸等辅助作业， 继续由人工操作，不仅会增加工人劳动强度， 同时亦不能充分发挥专用设备的效能， 必然会影响劳动生产率的提高。若采用机械手代替人工上、下料， 则可改变上述不相适应的情况， 实现单机自动化生产， 并为实现多机床看管提供了条件， 如： 自动机床及其上下料机械手、冲压机械手、注塑机及其取料机械手等。
2. 高温作业自动化
在高温环境下作业（如热处理、铸造和锻造等）， 工人的劳动强度大， 劳动条件差， 采用机械手操作， 更具有现实意义， 如汽车钢板弹簧淬火机械手、压铸机用浇铸机械手等。
3.组成自动生产线
在单机自动化的基础上， 若采用机械手自动装卸和输送工件， 可使一些单机连接成自动生产线。目前在轴类和盘类工件的生产线上， 采用机械手来实现自动化生产尤为广泛。如： 轴类加工自动生产线及其上下料机械手、盘类加工自动生产线及其机械手、齿轮加工机床的上下料机械手等。
4.进行特殊作业
在现代科学技术中， 原子能的应用、海底资源的开发、星际探索等等都已为人们所熟悉。但放射性辐射， 或海底、宇宙等环境， 常常是人体不能直接接触或难以接近的， 采用遥控机械手代替人们进行这种作业， 既能完成这些特殊作业， 又能长时间地安全地进行工作， 成为人类向新的自然领域进军的一种有效手段。总之， 工业机械手的应用在工业生产中是多方面的，为了使机械手能发挥它的更多的作用， 还应注意发展其它的辅助设备与之配合。随着机械手技术的进一步提高， 它的适应性将会更强， 应用面也将更广。
5. 操作工具
用机械手握持工具， 在高温、粉尘及有害气体环境下进行自动化操作， 可以使人脱离恶劣的劳动条件， 并减轻劳动强度， 提高劳动生产率和保证产品质量， 如汽车车身等薄钢板的点焊工艺、自动喷漆或自动喷丸清砂工作等。
三、机械手各部位设计分析及注重的问题
1.手部设计： ①需有足够的夹紧力； ②大小要满足工件尺寸变化的需要； ③应能保证工件的准确定位； ④结构尽量紧凑， 减轻重量， 以利于臂部设计； ⑤夹紧力的计算应充分考虑安全系数、工况系数和方位系数的影响。
2.腕部设计： ①腕部的转动多采用摆动缸或活塞缸驱动； ②结构尽量紧凑， 以减轻重量； ③转动的灵活性及密封性； ④考虑通用手部油路的配置； ⑤腕部回转时的驱动力矩： M = K （Mm + Mp + Mg ） ， K为驱动缸密封的摩擦损失（范围为1.1～ 1.2） ；Mm 为腕部转动支撑处的摩擦阻力矩； Mp 为克服工作重心偏置所需的力矩； Mg 为克服腕部起动的惯性力矩。
3.机身设计： ①要有足够的刚度和稳定性； ②升降运动要求灵活，升降立柱的导套长度不宜过短， 否则可能产生卡死现象， 一般要有导向装置； ③结构布置要合理， 便于装修； ④升降时活塞油缸的驱动力： P= Fm + Fg ± w， w 为运动部件（包括手部、腕部和工件） 的总重量；⑤回转运动时的驱动力矩： M= 1. 3（Mm + Mg ） ， 因不是等加速运动， 所以最大驱动力要比理论值大一些， 取1. 3倍。
4.臂部设计： ①要求刚度好， 常用钢管作手臂， 工字钢和槽钢作支撑； ②要求重量轻、偏重力矩小、惯量小； ③导向性好， 其结构根据手臂的安装形式、抓取重量和运动形成等因素确定； ④手臂伸缩运动的驱动力计算： P = Fm + Fg ， Fm 为导轨支承间的摩擦阻力、活塞与缸壁及密封处的摩擦阻力； Fg 为起动过程的惯性力。
四、结语
工业机械手可以代替人手的繁重劳动， 显著减轻工人的劳动强度， 改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。随着工业技术的不断发展， 相信会涌现出一些重型、快速、定位精度高的机械手， 来实现更多、更先进的自动化生产， 希望上述工业机械手设计中的几点体会能为创造出新技术、新设备提供一些帮助。
参考文献：
[1]刘明保，吕春红等.机械手的组成机构及技术指标的确定.河南高等专科学校学报.2004.1.1.
[2]李超.气动通用上下料机械手的研究与开发.陕西科技大学.2003.
[3]陆祥生，杨绣莲.机械手.中国铁道出版社.1985.1.
[4]张建民.工业机械人.北京：北京理工大学出版社.1992.