曲軸搬運機械手設(shè)計【關(guān)節(jié)型坐標(biāo)系、全液壓驅(qū)動、4自由度】

曲軸搬運機械手設(shè)計【關(guān)節(jié)型坐標(biāo)系、全液壓驅(qū)動、4自由度】,關(guān)節(jié)型坐標(biāo)系、全液壓驅(qū)動、4自由度,曲軸搬運機械手設(shè)計【關(guān)節(jié)型坐標(biāo)系、全液壓驅(qū)動、4自由度】,曲軸,搬運,機械手,設(shè)計,關(guān)節(jié),坐標(biāo)系,液壓,驅(qū)動,自由度 關(guān)于曲軸搬運機械手研究——文獻綜述 【摘要】 本文歸納了工業(yè)機械手和曲軸搬運機械手研究中的關(guān)鍵問題，分析了工業(yè)機械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，討論了設(shè)計工業(yè)機械手及曲軸搬運機械手的方案。在此基礎(chǔ)上，對工業(yè)機械手及曲軸搬運機械手的進一步研究進行了展望。 【關(guān)鍵詞】工業(yè)機械手，曲軸，自動化，液壓驅(qū)動，智能化 1、引言 隨著社會生產(chǎn)不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機械手技術(shù)快速發(fā)展。它能模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置，可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。這一技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域有著越來越多的應(yīng)用, 尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更為廣泛。工業(yè)機器人在提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快產(chǎn)品更新、提高生產(chǎn)效率、促進制造業(yè)的柔性化、增強企業(yè)和國家的競爭力等諸方面具有舉足輕重的地位。其中液壓式機械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來源簡便以及組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的，因此可看出裝卸、搬運等工序機械化的迫切性。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，工業(yè)機器人市場也會越來越大。 在生產(chǎn)實踐中，常常需要將上料、加工、卸料等工序進行合理的安排，組成一條自動流水加工線。但在流水線上加工時，搬運工作由人工完成，不可避免地存在著勞動強度大、生產(chǎn)安全難以保障、定位精度不高等問題，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率和單位的經(jīng)濟效益。當(dāng)生產(chǎn)效率很高時，為了減少工人數(shù)量，改善工人的勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率這就需要使自動線上工件搬運自動化。于是針對這一問題就提出了要研制一種搬運機械手來代替工人實現(xiàn)工件的搬運上線,并且能滿足定位和重復(fù)定位精度。用搬運機械手來代替工人搬運工件可以減輕工人的勞動強度，減少自動線上的工人數(shù)目，同時也提高了生產(chǎn)效率并且精度也得到了保障。 設(shè)計說明書的第一部分介紹工業(yè)機械手的現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)，以及研究曲軸搬運上線機械手的目的和動機；第二部分給出這臺機械手的主要性能規(guī)格參量；第三部分介紹工業(yè)機械手的設(shè)計理論與方法，并對機械手的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計；第四部分對液壓驅(qū)動方面進行簡單設(shè)計。 2、工業(yè)機械手的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 2.1基本知識 曲軸是引擎的主要旋轉(zhuǎn)機件，裝上連桿后，可承接連桿的上下(往復(fù))運動變成循環(huán)(旋轉(zhuǎn))運動。它是發(fā)動機上的一個重要的機件，其材料是由碳素結(jié)構(gòu)鋼或球墨鑄鐵制成的，有兩個重要部位：主軸頸，連桿頸。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與汽缸活塞連接，是一個典型的曲柄滑塊機構(gòu)。曲軸的潤滑主要是指與搖臂間軸瓦的潤滑和兩頭固定點的潤滑。 這個一般都是壓力潤滑的，曲軸中間會有油道和各個軸瓦相通，發(fā)動機運轉(zhuǎn)以后靠機油泵提供壓力供油進行潤滑、降溫。發(fā)動機工作過程就是，活塞經(jīng)過混合壓縮氣的燃爆，推動活塞做直線運動，并通過連桿將力傳給曲軸，由曲軸將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。曲軸的旋轉(zhuǎn)是發(fā)動機的動力源。 機械手（mechanical hand），也被稱為自動手（auto hand），它能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 點位控制，采用全功能的數(shù)控裝置或采用單板機或單片機控制某機構(gòu)從一點準(zhǔn)確地移動到另一點，而點與點之間運動的軌跡不需要嚴(yán)格控制。目前工業(yè)機器人以可編程控制器（PLC）點位控制為主，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小等優(yōu)點。 2.2 研究現(xiàn)狀 隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機器人智能化水平的提高，機器人的應(yīng)用范周還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等工業(yè)機器人都已被大量采用。2005年，亞洲地區(qū)電子電氣行業(yè)對工業(yè)機器人的需求僅次于汽車及汽車零部件制造業(yè)，其占所有行業(yè)總需求的比例為31%；而在歐洲地區(qū)橡膠及塑料工業(yè)對工業(yè)機器人的需求則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子電氣行業(yè)而排名第二位；美洲地區(qū)由于汽車及汽車零部件制造業(yè)對工業(yè)機器人的需求遙遙領(lǐng)先，所以金屬制品業(yè)(包括機械)、橡膠及塑料工業(yè)以及電子電氣行業(yè)對工業(yè)機器人的需求比例相當(dāng)，均在7%左右。另外諸如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)維護維修機器人等各種非制造行業(yè)。此外，在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務(wù)等領(lǐng)域機器人的應(yīng)用也越來越多，如無人偵察機(飛行器)、警備機器人、醫(yī)療機器人、家政服務(wù)機器人等均有應(yīng)用實例。機器人正在為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。 國內(nèi)工業(yè)機器人市場具有如下特征：（1）國內(nèi)汽車業(yè)。汽車制造業(yè)屬于技術(shù)、資金密集型產(chǎn)業(yè)，也是自動化程度要求高、競爭相當(dāng)激烈的行業(yè)?？梢哉f，汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國工業(yè)機器人增長的主要原動力之一。（2）沿海經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)。國內(nèi)相當(dāng)數(shù)量的企業(yè)技術(shù)實力得到很大提高，生產(chǎn)設(shè)備更新?lián)Q代，為了更好地適應(yīng)市場經(jīng)濟發(fā)展的需要，提高生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)競爭力，改善工人勞動條件，企業(yè)對工業(yè)機器人的需求自然不斷增加。（3）外商獨資企業(yè)、中外合資企業(yè)。外商獨資或中外合資企業(yè)自動化程度一般比較高，導(dǎo)致工業(yè)機器人的需求量較大。（4）國內(nèi)一些現(xiàn)代化水平比較高的企業(yè)。國內(nèi)一些汽車廠、軍工企業(yè)、船舶行業(yè)等。 機械手的驅(qū)動裝置一般有步進電機、伺服電機、液壓和氣動等。其中，電液伺服系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。但是，由于電液伺服系統(tǒng)中普遍存在著壓力—流量非線性、伺服閥零偏、雙向增益不等、死區(qū)等非線性環(huán)節(jié)，還存在由液壓介質(zhì)粘溫特性引起的伺服閥時變特性、系統(tǒng)質(zhì)量負(fù)載引起的系統(tǒng)慣量的變化等時變特性。所有這些非線性及時變特性都使得電液控制系統(tǒng)難以利用已有的古典控制方法對其控制器進行設(shè)計，因而這一問題就成為電液控制領(lǐng)域的研究熱點之一。其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是新興起的研究熱點之一，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于控制，具有如下特點：可以處理難以用模型或規(guī)則描述的過程；能同時處理大量的不同類型的信息；并行分布式信息處理模式等。 隨著計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)和柔性制造系統(tǒng)(FMS)的發(fā)展，越來越迫切地要求工業(yè)機器人系統(tǒng)能與現(xiàn)代化工廠的其他自動化系統(tǒng)成為一體，同時隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷更新，以及對機器人系統(tǒng)研究的需要等，這一切都要求機器人系統(tǒng)具有較強的開放性。在實際的應(yīng)用中，人們總希望機器人的控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)在某種程度上，為了適應(yīng)市場的變化而調(diào)節(jié)生產(chǎn)線和技術(shù)需求，可以按照自身和總體系統(tǒng)的功能要求來進行擴展和修改；同時,因為工業(yè)生產(chǎn)的自身特殊性——較高實時性、突出的安全性等特性，因此這些特殊要求必須在機器人的控制結(jié)構(gòu)的軟件體系中得到實現(xiàn)。由此可見，機器人的控制系統(tǒng)在硬件和軟件結(jié)構(gòu)上都必須具有開放性，同時還要保持有較高的實時響應(yīng)。目前，開放式控制系統(tǒng)的研究已成為自動控制領(lǐng)域的一個熱門研究方向，并且在國內(nèi)外取得了進展和成功。 2.3 發(fā)展趨勢 機械手雖然能代替人工操作，大大改善工人的勞動條件，將操作工人從繁重、單調(diào)的工作環(huán)境中解放出來，提高勞動生產(chǎn)效率。但是相對人的思維邏輯，如果機械手的邏輯時間設(shè)計不合理，也會造成生產(chǎn)延誤與浪費。要找到最優(yōu)的生產(chǎn)時間，需要經(jīng)過生產(chǎn)實踐的驗證和摸索，對生產(chǎn)中影響到生產(chǎn)效率的幾個瓶頸工位進行分析，并制定可行性方案，從而實現(xiàn)曲軸線生產(chǎn)的產(chǎn)能最大化。對曲軸生產(chǎn)線機械手與設(shè)備上、下料之間的邏輯時間進行研究和分析，并根據(jù)實際生產(chǎn)狀況分析曲軸線上的機械手在機床設(shè)備之間上下料和清空緩沖之間的邏輯關(guān)系，找出能滿足實際生產(chǎn)的最優(yōu)生產(chǎn)節(jié)拍，避免機械手不必要的等待時間。 由于傳感器技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，機器人的作業(yè)能力不斷提高，其適應(yīng)范圍也在不斷地擴大。從近幾年世界機器人推出的產(chǎn)品來看，工業(yè)機器人技術(shù)正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開放化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實用化；工作環(huán)境設(shè)計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。 3、設(shè)計方案的比較與分析 3.1機械手坐標(biāo)形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可以分為1.直角坐標(biāo)型機械手2.圓柱坐標(biāo)型機械手3.球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機械手4.關(guān)節(jié)型（回轉(zhuǎn)坐標(biāo)）型機械手5. 平面關(guān)節(jié)型?。 圓柱坐標(biāo)型是通過一個轉(zhuǎn)動兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。 直角坐標(biāo)型，其運動部分的三個相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個軸向的移動距離可在坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間大，靈活性較差。 球坐標(biāo)型又稱極坐標(biāo)型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大的特點，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個自由度都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰運動，小臂作俯仰擺動，其特點是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強，能抓取靠近機座的工件。 平面關(guān)節(jié)型采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動，而移動關(guān)節(jié)控制上下運動。這種機器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配。 本次設(shè)計中采用回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型。 3.2機械手驅(qū)動方式的選擇 根據(jù)動力源的不同，工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式。 液壓驅(qū)動：液壓技術(shù)比較成熟，具有動力大、力慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。 氣壓驅(qū)動：具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便價格低等特點，適用于中小負(fù)載的系統(tǒng)中，難于實現(xiàn)伺服控制。 電動驅(qū)動：控制性能差，慣性大，不易精確定位，安裝維修方便。 機械式：動作可靠，動作范圍小，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 因為采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手具有結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，重量輕，控制方便，驅(qū)動力大等優(yōu)點，本次設(shè)計中選擇液壓驅(qū)動。 3.3控制方式的選擇 控制方式可分為點位控制和連續(xù)控制兩種，目前工業(yè)機器人以點位控制為主。 本次設(shè)計中選用可編程控制器（PLC），其具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小等優(yōu)點，但本次將不對PLC控制方面進行設(shè)計。 4、結(jié)束語 機械手的迅速發(fā)展源于它的積極作用。采用工業(yè)機器人具有如下優(yōu)點:第一，改善勞動條件，逐步提高生產(chǎn)效率；第二，更強與可控的生產(chǎn)能力，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代；第三，提高零件的處理能力與產(chǎn)品質(zhì)量；第四，消除枯燥無味的工作，節(jié)約勞動力；第五，提供更安全的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，減少勞動風(fēng)險；第六，減少機床損耗；第七，減少工藝過程中的工作量及降低停產(chǎn)時間和庫存；第八，提高企業(yè)競爭力。機械手能代替人工操作，大大改善工人的勞動條件，將操作工人從繁重、單調(diào)的工作環(huán)境中解放出來，提高勞動生產(chǎn)效率。 在了解了工業(yè)機械手的現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)的基礎(chǔ)上，本次設(shè)計將根據(jù)給定的工礦條件和基本要求，從機械原理和機械結(jié)構(gòu)對搬運機械手進行具體分析和設(shè)計。將詳細(xì)說明該機構(gòu)的傳動、驅(qū)動等主要部件的選型原則和校核步驟，并結(jié)合原理圖等對機械手的工作方法和工作原理進行描述，對PLC控制方面將不進行設(shè)計。 參考文獻： ［1］郭洪紅.工業(yè)機器人運用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社.2008.7 ［2］周壽明，鄧成良.可用于生產(chǎn)線的工業(yè)機器人研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報.2008第27期.2008 ［3］羅璟，趙克定，陶湘廳，袁銳波.工業(yè)機器人的控制策略探討[J]，機床與液壓.2008.10 ［4］李文明.曲軸搬運機械手的研究與設(shè)計[D].武漢：華中科技大學(xué).2007 ［5］郭洪紅.工業(yè)機械人技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué).2006.5 ［6］王小玲.工業(yè)機械手的PLC控制[J].機電工程技術(shù).2004年第9期.2004 ［7］王楠．小型工業(yè)機器人的設(shè)計現(xiàn)狀與分析．機械與電氣，2008年第3期，2008.3 ［8］朱世強，王宣銀．機器人技術(shù)及其應(yīng)用[J]．杭州：浙江大學(xué)出版社，2006 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