氣動機(jī)械手的畢業(yè)設(shè)計-
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1、浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計題目 氣動機(jī)械手的設(shè)計 系別 機(jī)電系專業(yè) 機(jī)電一體化 班級 機(jī)電1101姓名 褚水榮學(xué)號 1103130105指導(dǎo)老師 文 斌日期 2014年5月摘 要氣動機(jī)械手是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(jī)械化和自動化,能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全,因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。本文主要進(jìn)行了氣動機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和氣動設(shè)計。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)由氣缸、氣爪和連接件組成,可按預(yù)定軌跡運動,實現(xiàn)對工件的抓取、搬運和卸載。氣動部分的設(shè)計主要是選擇合適的控制閥,
2、設(shè)計合理的氣動控制回路,通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運動方向,并按規(guī)定的程序工作。關(guān)鍵詞:氣動機(jī)械手;氣缸;氣動回路。目 錄1 緒論1.1 機(jī)械手簡史1.2 機(jī)械手的分類1.3 機(jī)械手的組成1.4 應(yīng)用機(jī)械手的意義2 機(jī)械手總體設(shè)計方案和氣動回路的設(shè)計2.1 機(jī)械手的運動規(guī)劃2.2 機(jī)械手基本形式的選擇2.3 機(jī)械手的主要部件及運動2.4 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇2.5 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表2.6 氣動回路的設(shè)計3氣動系統(tǒng)元件的選取3.1.1夾緊氣缸選型3.1.2平移及伸縮氣缸選型3.1.3升降氣缸選型3.2.1方向控制閥選取3.3氣動三聯(lián)
3、件選取4結(jié)論致謝參考文獻(xiàn)1 緒論機(jī)械工業(yè)是國民的裝備部,是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),還是新興產(chǎn)業(yè),都離不開各種各樣的機(jī)械裝備,機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本,對國民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此,世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點之一。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù),在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點,尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。
4、機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力,在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手是在機(jī)械化,自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中,機(jī)械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中,機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi),迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù),它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展,使得機(jī)械手能更好地實現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活,但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動,不知疲勞,不怕危險,抓舉重物的力量比人手力大的特點,因此,機(jī)械手已受到許多部門的重視,并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)
5、域,是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機(jī)器,它有多自由度,可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。1.1 機(jī)械手簡史現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初,是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更,具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是:機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂,端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu),控制系統(tǒng)是示教型的。1962年,美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔,臂回轉(zhuǎn)、俯
6、仰,用液壓驅(qū)動;控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司(Unimaton),專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年,美國機(jī)械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機(jī)械手,原意是靈活搬運。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn),臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動,控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初,但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年,美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手,裝有小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制,用于裝配作業(yè),定位誤差可小于1毫米。美
7、國還十分注意提高機(jī)械手的可靠性,改進(jìn)結(jié)構(gòu),降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗臺,進(jìn)行各種性能的試驗。準(zhǔn)備把故障前平均時間(注:故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間),由400小時提高到1500小時,精度可提高到0.1毫米。德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手,主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機(jī)械手,采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手,采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)
8、二種典型機(jī)械手后,大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報道,1976年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個。1979年120多個大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元,產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半,達(dá)222億日元,是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元,比1978年增長50%。智能機(jī)械手約為17億日元,為1978年的6倍。截止1979年,機(jī)械手累計產(chǎn)量達(dá)56900臺。在數(shù)量上已占世界首位,約占70%,并以每年50%60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè),其次是電機(jī)、電器。預(yù)計到1990年將有55
9、萬機(jī)器人在工作。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機(jī)控制系統(tǒng),具有視覺、觸覺能力,甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器,把感覺到的信息反饋,使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。第三代機(jī)械手(機(jī)器人)則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機(jī)器手(機(jī)器人)研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大,國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍,歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。1.2 機(jī)械
10、手的分類目前對機(jī)械手還沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。按照不同的分類方式可以把機(jī)械手分成多種類型。1.按驅(qū)動方式分類按驅(qū)動裝置的動力源,機(jī)械手可分為以下的幾種。(1)液壓式機(jī)械手。這種機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)通常由液動機(jī)(各種油缸、油馬達(dá))、伺服閥、油泵、油箱等組成,這種機(jī)器人通常具有很大的抓舉能力并且結(jié)構(gòu)緊湊,動作平穩(wěn),耐沖擊、耐振動,防爆性好,但對制造精度和密封性能要求很高,否則易發(fā)生漏油而污染環(huán)境。(2)氣壓式機(jī)械手。其驅(qū)動系統(tǒng)通常采用通常汽缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成。特點是氣源方便,動作迅速,結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便,但難于進(jìn)行速度控制,并因氣壓不能太高,固抓舉能力較小。(3)電動式機(jī)械手。電力驅(qū)動是
11、目前機(jī)械手使用的最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便,響應(yīng)快,驅(qū)動力較大,信號檢測、傳遞、處理方便,可以采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機(jī)一般采用交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。由于電機(jī)速度高,通常還須采用減速機(jī)構(gòu)(如諧波減速機(jī)構(gòu)、論析減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠和多桿機(jī)構(gòu))。目前也有一些特制電機(jī)直接進(jìn)行驅(qū)動,以簡化機(jī)構(gòu),提高控制精度。其他還有采用混合驅(qū)動的機(jī)械手,如液-氣混合驅(qū)動機(jī)械手或電-氣混合驅(qū)動機(jī)械手。2.按用途分類機(jī)械手按用途可分為下列幾種。(1) 搬運機(jī)械手;(2) 噴涂機(jī)械手;(3) 焊接機(jī)械手;(4) 裝配機(jī)械手;(5) 其他用途的機(jī)械手。如航天用機(jī)械手,探海用機(jī)械手,以及排險作業(yè)機(jī)
12、械手等。3.按操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)類型和自由度數(shù)量分類操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的重要外形特征,固常用作分類的依據(jù)。按這一分類要求,機(jī)械手可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型機(jī)械手。a) 直角坐標(biāo)型 b)圓柱坐標(biāo)型 c)球坐標(biāo)型 d)多關(guān)節(jié)型 e)平面關(guān)節(jié)型圖1-1工業(yè)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)形式操作機(jī)本身的自由度最能反應(yīng)機(jī)器人的作業(yè)能力,也是分類的重要依據(jù)。按這一分類要求,機(jī)械手可分為4自由度、5自由度、6自由度和7自由度機(jī)械手。4.按其他方法還可以分為(1)家務(wù)型機(jī)械手:能幫助人們打理生活,做簡單的家務(wù)活。(2)操作型機(jī)械手:能自動控制,可重復(fù)編程,多功能,有幾個自由度,可固定或運動,用于相關(guān)
13、自動化系統(tǒng)中。(3)程控型機(jī)械手:按預(yù)先要求的順序及條件,依次控制機(jī)械手的機(jī)械動作。(4)示教再現(xiàn)型機(jī)械手:通過引導(dǎo)或其它方式,先教會機(jī)械手動作,輸入工作程序,機(jī)械手則自動重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。(5)數(shù)控型機(jī)械手:不必使機(jī)械手動作,通過數(shù)值、語言等對機(jī)器人進(jìn)行示教,機(jī)械手根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。(6)感覺控制型機(jī)械手:利用傳感器獲取的信息控制機(jī)械手的動作。(7)適應(yīng)控制型機(jī)械手:能適應(yīng)環(huán)境的變化,控制其自身的行動。(8)學(xué)習(xí)控制型機(jī)械手:能“體會”工作的經(jīng)驗,具有一定的學(xué)習(xí)功能,并將所“學(xué)”的經(jīng)驗用于工作中。(9)智能機(jī)械手:以人工智能決定其行動的機(jī)械手。1.3 機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)
14、、驅(qū)動傳動裝置、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)四部分組成。圖1-2為工業(yè)機(jī)械手的典型結(jié)構(gòu),圖1-3為工業(yè)機(jī)械手的組成方框圖。 圖1-2工業(yè)機(jī)械手的典型結(jié)構(gòu) 手部腕部臂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)腰部基座部(固定或移動) 工業(yè)機(jī)械手電、液或氣驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置 單關(guān)節(jié)伺服控制器 控制系統(tǒng)關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換計算機(jī)感覺裝置子視覺裝置子 智能系統(tǒng)語言識別裝置 圖1-3工業(yè)機(jī)械手的組成方框圖執(zhí)行機(jī)構(gòu)(也稱操作機(jī))是機(jī)械手賴以完成工作任務(wù)的實體,通常由桿件和關(guān)節(jié)組成。從功能的角度,執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為:手部、腕部、臂部、腰部和基座等。手部又稱末端執(zhí)行器,是工業(yè)機(jī)械手直接進(jìn)行工作的部分,可以是各種夾持器。有時人們也把諸如電焊槍、油漆噴頭等
15、劃作機(jī)器手的手部;腕部與手部相連,主要功能是帶動手部完成預(yù)定姿態(tài),是操作機(jī)的中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分;臂部用以連接腰部和腕部,通常由兩個臂桿(小臂和大臂)組成,用于帶動腕部做平面運動;腰部是連接臂和基座的部件,通常是回轉(zhuǎn)部件,腰部的回轉(zhuǎn)運動加上臂部的平面運動,就能使腕部做空間運動。腰部是執(zhí)行結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件,它的制造誤差、運動精度和平穩(wěn)性,對機(jī)械手的定位精度有決定性的影響;基座是整個機(jī)械手的支撐部分,有固定式和移動式兩種。該部件必須有足夠的剛度和穩(wěn)定性。工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動-傳動裝置包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)兩個部分,它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體。傳動裝置常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪系。驅(qū)動
16、器通常有電機(jī)(直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī))、液壓或氣動裝置,目前使用最多的是交流伺服電機(jī)??刂葡到y(tǒng)一般有控制計算機(jī)和伺服控制器組成??刂葡到y(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制,即機(jī)械手的全部控制由一臺微型計算機(jī)完成。另一種是分散(級)式控制,即采用多臺微機(jī)來分擔(dān)機(jī)器人的控制,如當(dāng)采用上、下兩級微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時,主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運動學(xué)和動力學(xué)計算,并向下級微機(jī)發(fā)送指令信息;作為下級從機(jī),各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個CPU,進(jìn)行插補(bǔ)運算和伺服控制處理,實現(xiàn)給定的運動,并向主機(jī)反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同,機(jī)械手的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力(力矩)控制。智能系
17、統(tǒng)是目前機(jī)械手系統(tǒng)中一個不夠完善但發(fā)展很快的子系統(tǒng)。它可分為兩個部分:感知系統(tǒng)和分析-決策智能系統(tǒng)。前者主要靠硬件(各種傳感器)實現(xiàn);后者主要靠軟件(如專家系統(tǒng))實現(xiàn)。1.4 應(yīng)用機(jī)械手的意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中,鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門,如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中,應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下:一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機(jī)械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化的程度,從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、以
18、改善勞動條件,避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中,用人手直接操作是有危險或根本不可能的,而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè),使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù),特別是較笨重的操作中,以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作,可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減輕人力,并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作,這是直接減少人力的一個側(cè)面,同時由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作,這是減少人力的另一個側(cè)面。因此,在自動化機(jī)床的綜合加工自動線上,目前幾乎都沒有機(jī)械手,以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍,便于有節(jié)奏的進(jìn)行工
19、作生產(chǎn)。綜上所述,有效的應(yīng)用機(jī)械手,是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。2 機(jī)械手總體設(shè)計方案和氣動回路的設(shè)計本課題是一個用于傳送帶上輕型平動搬運機(jī)械手的設(shè)計。本設(shè)計主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計,以及氣動回路的設(shè)計。在本章中對機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。因此,在機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計的主要任務(wù)。2.1 機(jī)械手的運動規(guī)劃機(jī)械手運動規(guī)劃包括序列規(guī)劃(又可稱為全局路徑規(guī)劃),路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃3個部分。序列規(guī)劃是指在一個特定的工作區(qū)域中自動生成一個從起始作業(yè)點開始,經(jīng)過一系列作業(yè)點。再回到起始點的最優(yōu)工作序列;路徑規(guī)劃是指在相鄰序列點之間通過一定的算法搜索一條無碰撞的機(jī)
20、械手運動路徑;軌跡規(guī)劃是指通過插補(bǔ)函數(shù)獲得路徑上的插補(bǔ)點,再通過求解運動學(xué)逆解轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間(若插補(bǔ)在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行則無需轉(zhuǎn)換),形成各關(guān)節(jié)的運動軌跡。序列規(guī)劃為機(jī)械手的所有作業(yè)點生成一個最優(yōu)的工作序列。作業(yè)點是機(jī)械手為完成工作所必須達(dá)到的位置和姿態(tài)。機(jī)械手的一次作業(yè)任務(wù)往往有幾十個到上百個作業(yè)點,這些作業(yè)點的加工次序通常是任意的,或者僅僅存在局部的限制(即某幾個作業(yè)點之間存在著固定的前后關(guān)系),序列規(guī)劃的目標(biāo)就是通過某種算法生成一個能滿足作業(yè)限制的最優(yōu)作業(yè)序列,一般以時間作為規(guī)劃優(yōu)劣的度量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)機(jī)械手在有障礙物的環(huán)境中運動時,為了從當(dāng)前作業(yè)位置到達(dá)下一個位置,需要在機(jī)械手工作空間確定一條無碰
21、撞的運動路徑,即這條路徑應(yīng)處于機(jī)械手的自由空間中,因此,路徑規(guī)劃的過程實際上是一個帶幾何約束的問題求解過程。從上面的論述可以看出,機(jī)械手運動規(guī)劃主要包括兩個方面,一是生成所有作業(yè)點最優(yōu)工作序列的序列規(guī)劃,二是在相鄰作業(yè)點之間生成無碰撞路徑的路徑規(guī)劃。序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃的總體目標(biāo)是作業(yè)時間最短,規(guī)劃的約束條件是作業(yè)順序的限制以及碰撞的避免。機(jī)械手運動規(guī)劃的算法建立在已有的各種方法之上,下面簡要分析已有的各種序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃方法,以及路徑規(guī)劃過程中的碰撞檢測方法。1序列規(guī)劃 目前機(jī)械手序列規(guī)劃方法的研究還處于發(fā)展階段,由于各種作業(yè)任務(wù)的復(fù)雜性。至今還沒有通用的序列規(guī)劃算法。在使用機(jī)械手進(jìn)行裝配,
22、插孔,點焊的應(yīng)用中,較為普遍的方法是把序列規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為“旅行商問題”(TSP)來解決。即機(jī)械手從起始點開始,經(jīng)過一系列作業(yè)點,并在各作業(yè)點停留,完成所有作業(yè)后,最終回到起始點的時間最短規(guī)劃算法。旅行商問題的求解成為求解序列規(guī)劃問題的關(guān)鍵。目前,旅行商問題的近似最優(yōu)解求解算法已經(jīng)得到了充分的研究,提出了很多可行的算法,包括啟發(fā)式算法,模擬退火算法,遺傳算法等。其中啟發(fā)式算法可以細(xì)分為環(huán)路擴(kuò)充法和環(huán)路改進(jìn)法,或是兩種方法的綜合,一般利用鄰接矩陣按照一定的規(guī)則變換來求解,計算量和求解結(jié)果都能滿足要求。2路徑規(guī)劃 機(jī)械手路徑規(guī)劃的目標(biāo)是在兩個作業(yè)點之間生成一條無碰撞路徑。機(jī)械手路徑規(guī)劃算法主要有4類
23、:C-空間法,人工勢力場法,假設(shè)-修正法,預(yù)處理-規(guī)劃算法。另外,遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等智能算法已經(jīng)成為機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究熱點和發(fā)展方向,這些算法在實際中都有初步的應(yīng)用,取得了較好的規(guī)劃效果。3碰撞檢測 路徑規(guī)劃的目標(biāo)是在起始點和目標(biāo)點之間生成一條無碰撞路徑,這使得碰撞檢測成為解決路徑規(guī)劃問題的關(guān)鍵上面提到的4種路徑規(guī)劃算法都需要進(jìn)行碰撞檢測或需要計算機(jī)器人和障礙物之間的距離。判斷兩個物體是否有碰撞發(fā)生有兩種方式,一是定性判斷。二是定量計算。定性判斷方法最主要有“包圍盒層次法”,其基本思路是用一個簡單的包圍盒將復(fù)雜的幾何形體圍住。當(dāng)對兩個物體進(jìn)行碰撞檢測時。首先檢測兩者的包圍盒是否相交,若
24、不相交。則說明兩個物體未相交,否則再進(jìn)一步對兩個物體做檢測。因為求包圍盒的交比求物體的交簡單很多,所以可以快速排除很多不相交的物體,從而加速了算法。對于復(fù)雜物體,可以將物體及其子部分的包圍盒組成層次結(jié)構(gòu),如二叉樹。在各種機(jī)器人路徑規(guī)劃算法中,往往需要以機(jī)器人和障礙物之間的距離及其關(guān)于機(jī)器人形位的梯度作為路徑規(guī)劃的啟發(fā)性信息,以加快規(guī)劃速度,因此在路徑規(guī)劃中不僅需要判斷有無碰撞發(fā)生,還要計算機(jī)器人與障礙物之間的距離及其關(guān)于機(jī)器人形位的梯度。目前,兩個剛性物體之間的距離計算有很多算法。其中對凸多面體的計算最為成熟。凸多面體之間的距離有兩類:分離距離和嵌入距離。目前,凸多面體間的距離范數(shù)主要有平移距
25、離、成長距離、收縮距離、偽平移距離等。在現(xiàn)實環(huán)境中,機(jī)器人及障礙物一般是凹幾何體,可以采用分割的方法把凹幾何體分割為多個凸幾何體的組合。對一般凸幾何體如球、圓柱等,可以用緊包圍它的凸多面體來近似。然后用凸多面體間的距離近似原凸幾何體之間的距離。2.2 機(jī)械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手;(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手; (3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手; (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小,因此本設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)型。圖2-1 是機(jī)械手搬運物品示意圖。圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶A上
26、的物品搬運到傳送帶B。其工藝流程:機(jī)械手原位機(jī)械手下降機(jī)械手抓取并夾緊機(jī)械手上升機(jī)械手正轉(zhuǎn)機(jī)械手前伸機(jī)械手下降機(jī)械手松開機(jī)械手上升機(jī)械手后退機(jī)械手逆轉(zhuǎn)退至原位停止。圖2-1 機(jī)械手基本形式示意圖2.3 機(jī)械手的主要部件及運動在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后,根據(jù)設(shè)計任務(wù),為了滿足設(shè)計要求,本設(shè)計的機(jī)械手具有3個自由度:手臂伸縮;機(jī)身回轉(zhuǎn);機(jī)身升降。本設(shè)計的機(jī)械手主要由3個大部件和3個氣缸組成:(1)手部,采用一個氣爪,通過機(jī)構(gòu)運動實現(xiàn)手爪的張合。(2)臂部,采用直線缸來實現(xiàn)手臂的伸縮。(3)機(jī)身,采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。2.4 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要
27、組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。氣動機(jī)械手因為結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。因此,機(jī)械手的驅(qū)動方案選擇氣壓驅(qū)動。2.5 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途:車間皮帶機(jī)之間的搬運二、設(shè)計技術(shù)參數(shù):1、抓重:10Kg (夾持式手部)2、自由度數(shù):3個自由度3、坐標(biāo)型式:圓柱坐標(biāo)4、最大工作半徑:335mm5、機(jī)身最大中心高:415mm6、主要運動參數(shù):手臂伸縮行程:200mm 手臂伸縮速度:1000m
28、m/s機(jī)身升降行程:100mm 機(jī)身升降速度:100mm/s機(jī)身回轉(zhuǎn)范圍:0- 190 機(jī)身回轉(zhuǎn)速度:60/s2.6 氣動回路的設(shè)計機(jī)械手氣動回路的設(shè)計主要是選用合適的控制閥,通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運動方向,并按規(guī)定的程序工作,設(shè)計的氣動回路圖如圖2-2所示。圖2-2 機(jī)械手氣動回路圖本設(shè)計的氣動機(jī)械手完成各個運動的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個狀態(tài),選擇兩位五通換向閥控制各個氣缸的運動方向,氣缸的進(jìn)出口回路各設(shè)置一個單向節(jié)流閥,通過控制進(jìn)出口空氣流量的大小來控制氣缸執(zhí)行器動力的大小和運動速度。設(shè)計中采用PLC控制機(jī)械手實現(xiàn)
29、各種規(guī)定的預(yù)定動作,既可以簡化控制線路,節(jié)省成本,又可以提高勞動生產(chǎn)率。3.1氣動系統(tǒng)的設(shè)計要求氣壓傳動是指以壓縮空氣為工作介質(zhì),傳遞動力和控制信號的系統(tǒng)。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展,氣壓傳動已逐步發(fā)展成為一門新技術(shù)。因為以空氣為介質(zhì)的氣壓傳動具有防火、防爆、防電磁干擾、抗振動沖擊和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,在機(jī)械、化工和航空等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。沖床機(jī)械手工作環(huán)境比較惡劣,氣動系統(tǒng)的以上優(yōu)點剛好適應(yīng)這種作業(yè)環(huán)境。3.2氣動系統(tǒng)元件的選取3.2.1氣缸選取(1)夾緊氣缸選型根據(jù)機(jī)械手手部所夾持零件重為10kg估算手部氣缸的推力。設(shè)指尖與工件間的摩擦系數(shù)=0.4,依據(jù)力的平衡方程有:mg=N,N=mg/=10*
30、9.8/0.4=245N則手指另一端所提供的力矩為:M=NL1=245*0.06=147N/m所以在提供力矩這端的力F1為:F1=M/L2,L22=L12+162,F1=M/L2=147/0.062=2370N部件在運動過程中的機(jī)械效率=0.3,所以氣缸提供的力至少應(yīng)為:F=2F1cos=2*2370*25/62=1911N,F0=F/=1911/0.3=6370NLG系列氣缸為煙臺廠自主開發(fā)的新產(chǎn)品,安裝尺寸與國內(nèi)主要產(chǎn)品10A-5系列、QGBQ系列相同,二者可以通用、互換。依據(jù)要求可以選擇LG系列氣缸,缸徑40mm的提供的推力為:F=0.8*106*3.14*0.0004=251N根據(jù)氣缸
31、在手部結(jié)構(gòu)中的安裝要求選取氣缸的具體型號為:LGB4030M-FA,屬于輕型鋁合金系列,前法蘭式氣缸。氣缸外形如圖3所示。(2)平移及伸縮氣缸選型控制前后運動的氣缸要支撐更多的機(jī)構(gòu),它所需要的推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平移機(jī)構(gòu)所需要的,以其為標(biāo)準(zhǔn)來選擇,控制平移運動的氣缸的性能一定滿足要求。依據(jù)前面設(shè)計的各個機(jī)構(gòu),推斷氣缸要推動的總質(zhì)量為300kg,導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)=0.5(為使氣缸的性能能滿足要求,值取得大一點)。取氣缸完成運動的機(jī)械效率=0.4,則作用在導(dǎo)軌上的總重量為:G=mg=3000N所需的推力為:F=G*/=3000*0.5/0.4=3750N依據(jù)要求可以選擇LG系列氣缸,缸徑為80mm,壓力范圍
32、0.0490.98MPa,取0.9MPa,計算氣缸提供的推力為:F=0.9*106 *3.14*0.0016=4716N 計算可知,缸徑為80mm的LG系列氣缸的性能能夠滿足要求,所以選定的控制平移運動的氣缸型號為LGB80*150LB,控制前后運動的氣缸型號為LGB80*100LB,都屬于軸向腳架式氣缸。 (3)升降氣缸選型 依據(jù)前面設(shè)計的各個機(jī)構(gòu),推斷氣缸推動的總質(zhì)量300kg,取氣缸完成運動的機(jī)械效率=0.7,氣缸實現(xiàn)升降運動所需要的推力為: G=mg=3000*10=3000N 則F=G/=3000/0.7=4286N 所以要能實現(xiàn)升降運動,氣缸的推力必須大于4286N。可初選缸徑為1
33、00mm的LG系列氣缸。依據(jù)要求可以選擇LG系列氣缸,缸徑為100mm,壓力范圍0.049-0.98MPa,取0.9MPa,計算氣缸提供的推力為: F=0.9*106 *3.14*0.0025=7350N計算可知,缸徑為100mm的LG系列氣缸的性能能夠滿足要求,所以選定的控制升降運動的氣缸型號為LGB100*30FA。 3.2.2方向控制閥選取 單向節(jié)流閥選型計算。單向節(jié)流閥可以通過每秒鐘的流量來確定。伸縮、平移和上下氣缸上面已選,它們的速度范圍都為1000mm/s。以其中的最大缸徑100mm為標(biāo)準(zhǔn),算出值是回路中的最大流量,可以保證其它回路的絕對安全。計算流量:q=vA,其中v為平均流速,
34、A為通流截面面積。q=1000(502-202)*60/1000000=395.64L/min查閱機(jī)械設(shè)計手冊,選取XQ系列單向節(jié)流閥,型號為XQ100600,其流量范圍為0420L/min。根據(jù)已計算的回路流量值,選擇雙電控二位五通電磁閥,型號為XQ251041 氣動三聯(lián)件選取根據(jù)前面選擇的氣缸,可知其工作壓力范圍為0.0490.98MPa;又根據(jù)前面所選的單向閥的流量范圍,確定氣動三聯(lián)件的型號為QLPY1。其中包括了過濾器、減壓閥和油霧器。4 結(jié)論本文所設(shè)計的氣動機(jī)械手結(jié)構(gòu)比較簡單,功能比較簡單,設(shè)計比較合理,能夠滿足部分不同形狀的工件的轉(zhuǎn)移、夾取、安裝等功能,方便快捷。其設(shè)計主要考慮以下
35、幾個方面:(1)機(jī)械手氣動回路設(shè)計選用合適的氣動元件,通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運動方向,并按規(guī)定的程序工作。(2)末端執(zhí)行器的設(shè)計末端執(zhí)行器采用平行開閉型氣爪,結(jié)構(gòu)簡單,直接采用成品材料。針對實際的要求,可以換用其他各種末端執(zhí)行器,對不同種類的工件實現(xiàn)夾取、轉(zhuǎn)移、安裝。(3)機(jī)械手手臂的設(shè)計將旋轉(zhuǎn)氣缸安裝在底板上,實現(xiàn)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運動,使機(jī)械手向左或向右擺動。機(jī)械手末端執(zhí)行器的水平伸縮運動和豎直升降運動各由一個氣缸控制,即以最簡單的形式,在兩個位置(完全伸出和回縮位置)之間進(jìn)行切換。由于個人知識及能力水平有限,設(shè)計中難免會有一
36、些紕漏或錯誤之處,懇請各位老師批評指正,不勝感謝!致 謝在設(shè)計完成之際,我首先向我的導(dǎo)師致以衷心的感謝和崇高的敬意!在這期間,導(dǎo)師在學(xué)業(yè)上嚴(yán)格要求,精心指導(dǎo),在生活上給了我無微不至的關(guān)懷,給了我人生的啟迪,使我在順利的完成學(xué)業(yè)階段的學(xué)業(yè)的同時,也學(xué)到了很多做人的道理,明確了人生目標(biāo)。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度,淵博的學(xué)識,實事求是的作風(fēng),平易近人、寬以待人和豁達(dá)的胸懷,深深感染著我,使我深受啟發(fā),必將終生受益。經(jīng)過近半年努力的設(shè)計與計算,設(shè)計終于可以完成了,我的心里無比的激動。雖然它不是最完美的,也不是最好的,但是在我心里,它是我最珍惜的,因為它是我用心、用汗水成就的,也是我在大學(xué)三年來對所學(xué)知識的應(yīng)
37、用和體現(xiàn)。三年的學(xué)習(xí)和生活,不僅豐富了我的知識,而且鍛煉了我的能力,更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多。在此,向他們表示深深的謝意與美好的祝愿。參考文獻(xiàn)1張福學(xué)編著.機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,20002何發(fā)昌著,邵遠(yuǎn)編著.多功能機(jī)器人的原理及應(yīng)用.北京:高等教育出版社,19963張利平著. 液壓氣動技術(shù)速查手冊. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.124李寶仁著. 氣動技術(shù)低成本綜合自動化. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.95宋學(xué)義著. 袖珍液壓氣動手冊. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.36陳奎生著. 液壓與氣壓傳動. 武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2008.
38、57SMC(中國)有限公司. 現(xiàn)代實用氣動技術(shù). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.108徐文燦著. 氣動元件及系統(tǒng)設(shè)計. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19959曾孔庚.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用論壇10壽慶豐.一種多指多關(guān)節(jié)機(jī)器手爪. 機(jī)械設(shè)計1999年第3期,第3卷11高微,楊中平,趙榮飛等.機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計. 機(jī)械設(shè)計與制造2006.1第1期12孫兵,趙斌,施永輝.物料搬運機(jī)械手的研制. 中國期刊全文數(shù)據(jù)庫13馬光,申桂英.工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 中國期刊全文數(shù)據(jù)庫2002年第3期14李如松.工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望. 中國期刊全文數(shù)據(jù)庫1994年第4期15李明.單臂
39、回轉(zhuǎn)式機(jī)械手設(shè)計.制造技術(shù)與機(jī)床2005年第7期16李杜莉,武洪恩,劉志海.搬運機(jī)械手的運動學(xué)分析. 煤礦機(jī)械2007年2月第2期17成大先主編.機(jī)械設(shè)計手冊(第三版).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,199418Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space. IEEE Transactions on Robotics and Automation.Vo1.9.No.1.1993 本文提出一種無需在每個關(guān)節(jié)上設(shè)置驅(qū)動器就能控制機(jī)械手進(jìn)行作業(yè)的方法。19Abhinandan Jain and Guillermo Roderguez. An Analysis of the Kinematics and Dynamics of Underactuated Manipulators.IEEE Transactions on Robotics and Automation. Vo1.9.No.4.199320張利平 液壓氣動技術(shù)速查手冊 北京化學(xué)工業(yè)出版社,2006.1223-
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