畢業(yè)論文--自動換刀機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及PLC控制-機械結(jié)構(gòu)設(shè)計.doc

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1、 編號 淮安信息淮安信息職業(yè)職業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)院學(xué)院 畢畢業(yè)業(yè)論論文文 題題 目目 自動換刀機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 及 PLC 控制-機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué)生姓名 徐忠遙 學(xué) 號 42011137 系 部電氣工程系 專 業(yè)機電一體化 班 級 420111 指導(dǎo)教師薛嵐 顧問教師揭志遠 二一三年十月 摘 要 I 摘摘 要要 隨著數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，零件加工的輔助時間大大降低了，極大的提 高了生產(chǎn)效率。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高，使數(shù)控機床發(fā)展成為 機械加工中普遍應(yīng)用的一種更先進的制造方法叫做加工中心。大多數(shù)加工中心 都帶有能夠自動換刀裝置的換刀系統(tǒng)，并按照程序?qū)崿F(xiàn)自動加工。氣動機械手 具有簡單的機構(gòu)、

2、動作靈敏、節(jié)能、環(huán)保、可靠性高、可實現(xiàn)無級調(diào)速等優(yōu)點。 為了提高機械手的應(yīng)用范圍，讓每一個機械手擁有不同的使用特性，所以 對機械手的結(jié)構(gòu)進行模塊化設(shè)計。特將其分為若干個模塊，其包括：立柱、基 座、手臂、手部、手腕等模塊。為了滿足不同的使用特性和功能，我們可以通 過選擇不同的模塊進行組合。當(dāng)產(chǎn)品的使用性能發(fā)生變化時，我們可以根據(jù)需 要對部分模塊進行修改或從新改造，這樣即節(jié)省了設(shè)計成本，又提供了設(shè)計效 率。 經(jīng)過對機械手在結(jié)構(gòu)和運動方面上的分析后，采用電氣氣壓伺服控制技 術(shù)對機械手進行控制和驅(qū)動，氣動執(zhí)行元件根據(jù)電氣控制信號的要求，驅(qū)動負 載元件執(zhí)行相應(yīng)的動作。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：自動換刀 機械手 電

3、氣-氣壓伺服控制 Abstract II A Abstractbstract With CNC technology application and development of auxiliary parts processing time is greatly reduced, greatly improving production efficiency. With the development of science and technology to improve productivity and make CNC machining develop into a more uni

4、versal application of advanced manufacturing method called machining centers. Most machining centers with automatic tool changer can ATC system, and follow the procedures for automatic processing. Pneumatic Manipulator has a simple mechanism, sensitive, energy-saving, environmental protection, high

5、reliability, can realize step less speed regulation and other advantages. In order to improve the application range of the robot, so that each robot has different usage characteristics, so the structure of the robot modular design. Special will be divided into several modules, including: columns, ba

6、se, arms, hands, wrists and other modules. In order to meet different features and capabilities, we can choose a different module combinations. When product performance changes, we may need to make changes on the part of the module or re-transformation, so that the design cost savings, but also prov

7、ides a design efficiency. After the manipulator on the structure and motion analysis, the use of electric servo control technology of the pneumatic manipulator control and drive, pneumatic actuators according to the requirements of the electrical control signal to drive the load element the appropri

8、ate action. Keywords: Automatic tool change; manipulator; Electro-pneumatic servo orientation 第一章 緒論 III 目目 錄錄 摘摘 要要I ABSTRACTII 第一章第一章 緒論緒論.1 1.1 換刀機械手概述1 1.2 選題背景1 1.3 設(shè)計意義1 1.4 論文的主要工作2 第二章第二章 機械手總體設(shè)計方案機械手總體設(shè)計方案.4 2.1 機械手類型4 2.1.1 根據(jù)機械手的應(yīng)用范圍分類.4 2.1.2 按機械手手臂的運動坐標(biāo)型式分類.4 2.1.3 按機械手的驅(qū)動方式分類.4 2.2 機械手

9、的坐標(biāo)形式與自由度5 2.3 機械手工作過程及工步時間分配7 2.3.1 確定完成動作及順序.7 2.3.2 工步時間分配.9 2.4 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案9 2.5 機械手的驅(qū)動方案9 第三章第三章 機械手的機械系統(tǒng)設(shè)計機械手的機械系統(tǒng)設(shè)計.12 3.1 機械手伺服系統(tǒng)設(shè)計12 3.1.1 氣動伺服系統(tǒng)設(shè)計.12 3.1.2 電氣伺服閥.13 3.2 機械手執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計15 3.2.1 機械手手部設(shè)計.16 3.2.2 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計.16 3.2.3 基座結(jié)構(gòu)設(shè)計.20 第四章第四章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.22 4.1 總結(jié)22 4.2 展望22 致致 謝謝.24 參考文獻參考文獻.25 第

10、一章 緒論 1 第一章第一章 緒論緒論 1.1 換換刀機械手概述刀機械手概述 換刀機械手是由集控制器、傳感器和伺服驅(qū)動系統(tǒng)為一體的機電一體化產(chǎn) 品，它模仿人的操作，可實現(xiàn)自動控制、重復(fù)編程、能夠完成各種復(fù)雜的動作。 它能在提高生產(chǎn)效率的同時，提高產(chǎn)品質(zhì)量，對改善勞動條件，促進產(chǎn)品的更 新?lián)Q代起著促進作用。機械手的使用情況，標(biāo)志著一個國家工業(yè)自動化水平的 高低。機械手并不是簡單的代替人的體力的勞動，而是將人的智慧體現(xiàn)在機器 上。是機械人具有人的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有具有高精度、高強度持 續(xù)工作的能力，并且能夠適應(yīng)比較差的環(huán)境，我們可以說機械手是工具進化的 產(chǎn)物。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，機械手

11、已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在機械加工、自動換刀、 流水線上生產(chǎn)及裝配、上下料等。但是大多數(shù)機械手的專用型比較強，每臺機 器上的機械手在不改造的情況下，很難在其他機器上使用。由于機械手能很大 程度上提高生產(chǎn)效率，簡化機械加工的程序，所以它在機械加工中得到廣泛的 應(yīng)用。 1.2 選題選題背景背景 機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動 化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種新型裝置。機械手之所 以更好的結(jié)合機械和自動化技術(shù)，得力于電子計算機的快速發(fā)展，使得機械手 的生產(chǎn)與設(shè)計已經(jīng)成為一門新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)。我們可以把一些高危險、機械式重 復(fù)而枯燥的工作交給機械手，這樣既減輕我們的

12、體力勞動，又提高了生產(chǎn)效率。 機械手在以下行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，比如，零件的裝配、工件的搬運與拆卸、 以及在數(shù)控機床上的自動換刀系統(tǒng)。 為了把機械手和機床的有機結(jié)合在一起，機械手隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已 經(jīng)發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元中一個重要組成部分。它主要應(yīng)用在 中小批量的生產(chǎn)，它可以省去工件運輸工具。而柔性生產(chǎn)系統(tǒng)比較適用于產(chǎn)品 更新?lián)Q代比較快的品種，這樣既可以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，又能更好的適用 于市場發(fā)展的需求。而目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外 比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響 到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都

13、是十分必要的。因此， 進行機械手的研究設(shè)計是非常有意義的。 1.3 設(shè)計設(shè)計意意義義 本設(shè)計通過對大學(xué)三年所學(xué)的知識進行整合，完成一個通用形式的普通圓 棒料搬運的自動換刀機械手的設(shè)計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設(shè)計制造及其自動 化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 2 的針對性和明確的實施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。 目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)中圓棒料的搬運擺放仍由人工完成，勞動強 度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成 為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,利用機器人技術(shù)。

14、為 了提高生產(chǎn)率，我們特意設(shè)計了應(yīng)用性比較廣泛的自動換刀機械手，從減輕工 人的機械式體力勞動。 在現(xiàn)在的機械加工中，機械手手的普遍應(yīng)用具有十分重要的意義。具體概 括如下： 1、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 機械手的應(yīng)用可以實現(xiàn)材料自動運輸、工件的安裝與拆卸、自動換刀以及 零件的裝配，從而節(jié)省大量不必要的時間。 2、以改善工作條件，提高人身安全 比如，一些高溫、高壓、噪聲比較大、高污染的工作環(huán)境、以及對人體有 大量傷害的有毒氣體和放射線，一般這樣的環(huán)境不適合工人長時間在里面工作， 所以機器人的使用無疑是比較好的選擇。機器人基本上可以代替人的大量機械 式重復(fù)勞動，這樣不僅可以減輕工人的勞動強度，還

15、可以改善勞動條件，提高 工人的安全性。 有一些簡單的工作總是機械式的重復(fù)操作，時間長了很容易造成工人的極 度疲勞或疏忽，很容易造成一些不必要的人身事故。 3、可以減輕人力，讓工作更有秩序 比如，機械手可以代替我們?nèi)ネ瓿煽菰餆o味而又機械式重復(fù)的工作，這樣 既可以減少人力，又可以保證一定的工作精度。還有一些流水線上的工作，本 來就需要大量的人力資源，而且又需要比較高的工作效率和工作精度，但是有 些工人卻不能跟上流水線的速度，這就很容易造成流水線上工作秩序的混亂， 嚴重的影響生產(chǎn)效率的提高。由于自動控制技術(shù)的快速發(fā)展，特別是機器人的 發(fā)展，讓機器人反映更加靈敏，機械精度更高，完全可以跟上比較緩慢的流

16、水 線，這樣是整個流水線更加有秩序。 綜上所述，機械手使以后的工作更加有效率，是未來機械工業(yè)發(fā)展的趨勢。 1.4 論論文的主要工作文的主要工作 針對本次設(shè)計的要求，并總結(jié)自動換刀機械手的工作原理，我做了一下工 作： 1、剛開始時，主要是從指導(dǎo)老師那里找一些資料，并綜合這些資料，初步 設(shè)計出本次畢業(yè)設(shè)計的目錄。 Abstract 3 2、為了使內(nèi)容更貼近設(shè)計的要求，我在校圖書館查閱了很多關(guān)于機械手方 面的資料，并綜合這些資料，然后記錄重要成分，最后把這些資料應(yīng)用 到所做的設(shè)計當(dāng)中。 3、整合所有資料，并根據(jù)設(shè)計要求，做出設(shè)計的雛形論文，最后將內(nèi)容排 版，初步完成設(shè)計論文。 4、將做好論文交給指導(dǎo)

17、老師查看，指導(dǎo)老師對我所做的論文內(nèi)容及格式中 出現(xiàn)的不足做出指導(dǎo)，然后我根據(jù)老師的要求再次對論文做出修改，如 此反復(fù)，最后將論文定稿。 5、根據(jù)論文內(nèi)容進行答辯。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 4 第二章第二章 機械手總體設(shè)計方案機械手總體設(shè)計方案 2.1 機械手機械手類類型型 2.1.1 根據(jù)機械手的根據(jù)機械手的應(yīng)應(yīng)用范用范圍圍分分類類 (1)專用機械手一般沒有單獨的控制系統(tǒng)，而且只有固定的控制程序。這種 機械手結(jié)構(gòu)比較簡單，制造成本較低，適用于動作比較簡單且工作量比較大的 場合。它通常安裝到某種機器或生產(chǎn)線上，用來自動傳送物件或夾持某種工件 或刀具等操作功能。 (2)通用機械手具有獨立

18、專門的控制系統(tǒng)，并且控制程序可以根據(jù)需要進行 修改?？梢园惭b在各種機器上，能獨立完成工件的夾持與搬運以及刀具的安裝 與拆卸。通用機械手因其工作方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易 型只是分散的點動控制，故屬于程序控制類型，而伺服型是集點位控制和連續(xù) 軌跡控制于一體的控制方式，通常認為屬于數(shù)字控制模型。這種機械手因手指 結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要更換，程序可以由用戶改換，可用于中、小批次的生產(chǎn)。但 因其運動和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，所以需要較高的設(shè)計要求，造成成本過高。 2.1.2 按機械手手臂的運按機械手手臂的運動動坐坐標(biāo)標(biāo)型式分型式分類類 (1)直角坐標(biāo)式機械手手臂 具有 X、Y、Z 三個方向上的自由度，即

19、分別可 以沿 X、Y、Z 三個直角坐標(biāo)軸的方向上往返運動。我叫做機械手的前后伸縮、 上下升降和左右移動。 (2)圓柱坐標(biāo)式機械手手臂 可以沿 X 和 Z 兩個直角坐標(biāo)軸移動，以及繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動，我們叫做機械手的前后伸縮、上下升降和左右擺動。 (3)球坐標(biāo)式機械手臂 沿 X 軸方向上的移動，以及繞 Y 軸和 Z 軸的轉(zhuǎn)動。 即機械手臂可以完成前后方向的伸縮、上下方向的擺動和左右方向上的轉(zhuǎn)動。 (4)多關(guān)節(jié)式機械手臂 此機械手的臂部可化分成大臂和小臂兩個部分?？梢?用鉸鏈將大小臂以及大臂和機體進行連接起來。即小臂可繞大臂上下擺動，同 時大臂也可繞機體多角度擺動。 機械手手臂的運動坐標(biāo)型式如圖 2

20、-1 所示: 2.1.3 按機械手的按機械手的驅(qū)動驅(qū)動方式分方式分類類 由于工作的需要，特將機械手按驅(qū)動方式進行了如下分類： (l)以壓力油進行驅(qū)動的液壓驅(qū)動機械手 (2)以壓縮空氣進行驅(qū)動的氣壓驅(qū)動機械手 (3)直接用電動機進行驅(qū)動的電力驅(qū)動機械手 (4)將發(fā)動機的動力通過動力傳動機構(gòu)傳給機械手的一種驅(qū)動方式叫做機械 驅(qū)動機械手。 綜合各種技術(shù)要求，我們選用圓柱坐標(biāo)型氣壓驅(qū)動機械手。本課題要求機 械手具有較高的的定位精度、較快的反應(yīng)速度，比較大的承載能力，以及工作 第二章 機械手總體設(shè)計方案 5 空間比較寬廣和靈活的自由度，并具有自動定位的能力。擬定機氣動機械手設(shè) 計的原則是根據(jù)工作對象的工

21、作條件、運動要求和定位精度，從分利用現(xiàn)有的 機械設(shè)計條件和設(shè)計能力，在滿足機械手各方面上的使用要求的前提下，選擇 最經(jīng)濟的設(shè)計方案。并盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)件進行設(shè)計，這樣既可以簡化設(shè)計過程， 又可以在較低的制造成本上，提高產(chǎn)品的通用性。 圖 2-1 機械手手臂的運動坐標(biāo)型式 2.2 機械手的坐機械手的坐標(biāo)標(biāo)形式與自由度形式與自由度 根據(jù)機械手手臂運動形式和自由度的不同，通常將其劃分為直角坐標(biāo)型、 圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型和多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型，它們的特點如下： 1、直角坐標(biāo)型 (1) 有三個方向上的直線自由度，簡單易懂。 (2) 機械結(jié)構(gòu)簡單。 (3) 對一定的結(jié)構(gòu)長度，宜采用兩端支持，剛性比較好。 (4) 因其

22、移動空間比較大，側(cè)該機構(gòu)占用空間大。 (5) 必須在較大的空間進行安裝。 (6) 很難對各滑動部件進行密封，側(cè)容易受到污染。 2、圓柱坐標(biāo)型 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 6 (1) 同樣結(jié)構(gòu)簡單易于設(shè)計。 (2) 若要求有較大的動力輸出，直線部分可采用液壓進行驅(qū)動。 (3) 可以將機械手部分伸入到機器的型腔內(nèi)部。 (4) 機械手的氣爪部所能到達的空間受到限制，很難接觸到立柱和地面的位 置。 (5) 直線驅(qū)動模的密封性、防塵及防御腐蝕性較差 (6) 手臂收縮時，手臂后端只能在一定的工作范圍內(nèi)運動。 3、球坐標(biāo)型 (1) 工作范圍較大的地方在中心支架附近。 (2) 直線驅(qū)動部分存在密封性差的

23、情況。 (3) 需要較大的工作空間。 (4) 也有工作死區(qū)部分。 (5) 轉(zhuǎn)動部分密封比較容易。 (6) 由于坐標(biāo)系很復(fù)雜，設(shè)計較困難。 4、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型 (1) 工作空間比較寬廣，并且動作較靈活。 (2) 關(guān)節(jié)的密封性比較好。 (3) 可以在水下等要求比較低的工作條件下工作。 (4) 電動機比較容易實現(xiàn)動力的提供。 (5) 其運動狀態(tài)比較難以控制，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計比較困難，不適合用液壓進 行驅(qū)動。 可以將機械手的運動分為主運動和輔助運動。機械手的主運動包括立柱和 手臂的運動，因主運動改變了工件空間的空間狀態(tài)。輔助運動包括手指和手腕 的運動，因為他們分別改變工件的姿態(tài)，以及工件的位置和方位。 為

24、了使機械手具有升降、伸縮和回轉(zhuǎn)運動，故選用圓柱坐標(biāo)型機械手，因 此機械手得到三個自由度。為了彌補立柱升降過程中造成的較大的震動和手臂 的伸縮造成的機械剛度不足，我們增加了一個具有短行程升降的小臂結(jié)構(gòu)，從 而使機械手將刀具從刀庫中拔出，即在豎直方向上增加了一個自由度。所以， 機械手總共具有四個運動自由度。圖 2-2 為機械手的運動示意圖。 我們稱升降行程比較大部分為立柱，行程較小的升降部分為小臂。有時為 了增加機械手的通用性，我們可以增加手腕部，使其具有回轉(zhuǎn)運動。此機械手 省略手腕部分。 2.3 機械手工作機械手工作過過程及工步程及工步時間時間分配分配 2.3.1 確定完成確定完成動動作及作及順

25、順序序 換刀機械手的布局示意圖如圖 2-3 所示。圖中換刀機械手的初始位置在與刀 第二章 機械手總體設(shè)計方案 7 架垂直 90且氣爪正對刀庫換刀位置。即機械手均運動到水平和豎直方向上的 極限位置。為了機械手和刀具恰好對齊，本控制系統(tǒng)采用刀座編碼法對各種刀 具進行編碼，并根據(jù)需要使刀庫旋轉(zhuǎn)適適當(dāng)?shù)慕嵌取C械手要把刀具送到刀架 上，需要完成以下幾個動作： (1)水平伸出機械手水平機構(gòu)伸出 70mm，到達刀庫正上方。 (2)豎直下降小臂升降機構(gòu)下行 30mm，使手部夾持機構(gòu)到達與刀柄水 平的位置。 (3)夾緊手臂機構(gòu)迅速夾緊刀柄。 (4)豎直上升待刀柄被夾緊后，小臂升降機構(gòu)上行 30mm，將刀具提出

26、 刀庫。 (5)水平收縮水平機構(gòu)快速收縮 70mm，整個機構(gòu)回到初始位置。 (6)擺動機械手逆時針擺動 90，使機械手正對刀架。 (7)豎直下降、松開小臂升降機構(gòu)下行 30mm，將刀具放在刀架上，同 時手部機構(gòu)松開工件。 (8)豎直上升小臂升降機構(gòu)上行 30mm，回到原始極限位置。 (9)擺動機械手順時針擺動 90，回到初始位置。 當(dāng)機械手完成換刀動作后，刀架上的推爪把刀具從刀架的一端推向另一端， 到此，就將機械手的整個換刀動作完成。 圖 2-2 機械手的運動示意圖 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 8 圖 2-3 換刀機械手布局示意圖 2.3.2 工步工步時間時間分配分配 經(jīng)研究決定機械手完

27、成整個換刀過程需要 5.5s，根據(jù)上述換刀的各個過程， 對時間進行分配，如表 2.1 所示： 表 2.1 機械手運動過程與時間分配 工步號工步名稱行程（mm）預(yù)分配時間（s） 1 水平伸出 700.5 2 垂直下降 300.3 3 夾緊 1 4 豎直上升 300.3 5 水平收縮 700.5 6 擺動（逆時針） 901.0 豎直下降 300.3 7 松開 0.3 8 豎直上升 300.3 9 擺動（順時針） 901.0 總計 5.5 第二章 機械手總體設(shè)計方案 9 2.4 機械手的機械手的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計設(shè)計方案方案 本方案采用模塊化的設(shè)計方法，機械手包括以下幾個模塊：立柱、手臂、 小臂、手腕和手

28、爪幾個模塊。為了滿足 4 個自由度的要求，本機械手采用圓柱 坐標(biāo)形式。為了滿足實際工作要求，本機械手只需要立柱、手臂、小臂和手爪 幾個模塊。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-4 所示： 2.5 機械手的機械手的驅(qū)動驅(qū)動方案方案 機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅(qū)動方 式進行分析比較。 1、液壓驅(qū)動 機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有以下幾個優(yōu)點： (1)能夠輸出較大的力和力矩，同時能夠快速響應(yīng)，定位精度比較高。 (2)可以把機械手的一部分用作液壓缸，這樣既可以實現(xiàn)直線運動，又可以 使其結(jié)構(gòu)簡單。 (3)可以方便的實現(xiàn)變速和方向控制，自動化程度比較高。 A-手動擺動氣缸 B-升降氣缸

29、 C-伸縮氣缸 D-小臂 E-氣爪 1-基座 2-手臂關(guān)節(jié) 3-手腕關(guān)節(jié) 4-導(dǎo)向機構(gòu) 5-定位擋塊 圖 2-4 氣動機械手的結(jié)構(gòu)簡圖 (4)液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護方便，使用壽命長。 但液壓系統(tǒng)由于產(chǎn)生泄露而造成運動精度不高。同時系統(tǒng)發(fā)熱量比較大， 很難找出小的故障。 2、氣壓驅(qū)動 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 10 (1)機械結(jié)構(gòu)簡單，氣體選取方便，并且干凈環(huán)保。 (2)在管路中壓縮空氣流動速度比較快，所以該系統(tǒng)動作響應(yīng)比較快。 (3)與液壓控制系統(tǒng)相比，其工作壓力比較低。與液體相比，氣體體積比較 大，且氣動宜被壓縮，所以其定位精度不高，噪聲比較大。 3、電動機驅(qū)動 電動機驅(qū)動

30、可分為普通交、直流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和 步進電動機驅(qū)動。 普通交、直流電動機驅(qū)動需要用減速機構(gòu)來獲得較大的輸出力矩,但是因為 其慣性力矩比較大，所以要實現(xiàn)精確控制比較困難，適用于重型機械的控制。 伺服電動機和步進電機因其輸出力矩較小，側(cè)控制性能相對較好，可以對速度 和位置的精確控制，適用于中、小規(guī)模的機器中。步進電動機一般用于開環(huán)控 制系統(tǒng)，而交、直伺服電動機主要用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，因為他們的控制精度不 是很高。 各種驅(qū)動方式及特點如表 2.2 所示。 表 2.2 各種驅(qū)動方式及特點的比較 特點 驅(qū)動方式 輸出力控制性能維修使用結(jié)構(gòu)體積使用范圍 制造成 本 氣壓驅(qū)動 氣壓壓力 低

31、，輸出 力較小， 如需輸出 力大時， 其結(jié)構(gòu)尺 寸過大 可高速，沖擊 較嚴重，精確 定位困難。氣 體壓縮性大， 阻尼效果差， 低速不易控制， 不易與 CPU 連 接 維修簡單， 能在高溫、 粉塵等惡 劣環(huán)境中 使用，泄 漏無影響 體積較大 中、小型 專用機械 手或機械 手都有應(yīng) 用 結(jié)構(gòu)簡 單，能 源方便， 成本低 液壓驅(qū)動 壓力高， 可獲得大 的輸出力 油液不可壓縮, 壓力、流量均 容易控制，可 無級調(diào)速，反 應(yīng)靈敏，可實 現(xiàn)連續(xù)軌跡控 制 維修方便， 液體對溫 度變化敏 感，油液 泄漏易著 火 在輸出力 相同的情 況下，體 積比氣壓 驅(qū)動方式 小 中小型專 用機械手 或機械手 都有應(yīng)用，

32、中型機械 手多為液 壓驅(qū)動 液壓元 件成本 較高， 油路也 較復(fù)雜 電 力 驅(qū) 動 異步 電動 機、 直流 電動 輸出力較 大 控制性能較差， 慣性大，不易 精確定位 維修使用 方便 要減速裝 置，體積 較大 適用于速 度低、抓 重大物體 的專用機 械手 成本低 第二章 機械手總體設(shè)計方案 11 機 步進 或伺 服電 機 輸出力較 小 容易與 CPU 連 接，控制性能 好，響應(yīng)快， 可精確定位， 但控制系統(tǒng)復(fù) 雜 維修使用 較復(fù)雜 體積較小 可用于程 序復(fù)雜、 運動軌跡 要求嚴格 的工業(yè)機 械手 成本較 高 機械聯(lián)動 輸出力較 大 速度較高，速 度與加速度均 由機構(gòu)控制。 定位精度高， 可與主

33、機嚴格 同步。不易與 CPU 連接 維修使用 方便 自由度多 時，機構(gòu) 復(fù)雜，體 積也較大 適用于自 由度少， 速度較高 的專用機 械手 結(jié)構(gòu)簡 單，成 本低 綜合進行各方面的比較，我們選擇氣壓驅(qū)動系統(tǒng)，應(yīng)為其結(jié)構(gòu)簡單、價格 便宜、工作穩(wěn)定、污染幾乎為零、可以在高溫環(huán)境下工作、同時還可以抵抗各 種電磁干擾等優(yōu)點，在當(dāng)今機械加工中應(yīng)用比較廣泛。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 12 第三章第三章 機械手的機械系統(tǒng)設(shè)計機械手的機械系統(tǒng)設(shè)計 3.1 機械手伺服系機械手伺服系統(tǒng)設(shè)計統(tǒng)設(shè)計 3.1.1 氣氣動動伺服系伺服系統(tǒng)設(shè)計統(tǒng)設(shè)計 本課題機械手要求能實現(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)、升降等的動作，每一個動作都是由

34、電氣-氣壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動的，其原理相同。下面以機械手伸縮運動為例闡述伺服 系統(tǒng)的工作原理。 機械手伸縮運動的電氣與氣壓伺服控制系統(tǒng)原理圖如圖 3-1 所示，1-放大器、 2-電氣伺服閥、3-氣缸、4-機械手手臂、5-齒輪齒條機構(gòu)、6-電位器和 7-步進電 機等元件組成，它組成了一個電氣與氣壓伺服控制系統(tǒng)。當(dāng)電位器的觸頭處于 中位時，觸頭上沒有電壓輸出。當(dāng)它偏離這個位置時，由于產(chǎn)生了偏差就會輸 出相應(yīng)的電壓。電位器觸頭產(chǎn)生的微弱電壓，經(jīng)放大器放大后對電氣伺服閥進 行控制。電位器觸頭由步進電動機帶動旋轉(zhuǎn)，步進電動機的偏轉(zhuǎn)方向以及角位 移和角速度由數(shù)字控制裝置發(fā)出的脈沖數(shù)和脈沖頻率控制。齒條固定在機械

35、手 臂上，電位器殼體固定在齒輪上，所以當(dāng)手臂帶動齒輪轉(zhuǎn)動時，電位器殼體同 齒輪一起轉(zhuǎn)動，形成負反饋。 1-放大器 2-電氣伺服閥 3-氣缸 4-機械手手臂 5-齒輪齒條機構(gòu) 6-電位器 7-步進電機 圖 3-1 機械手伸縮運動電氣-氣壓伺服系統(tǒng)原理圖 機械手伸縮運動伺服系統(tǒng)的工作原理是：由數(shù)字控制裝置發(fā)出一定數(shù)量的 脈沖，使步進電機帶動電位器的動觸頭轉(zhuǎn)過一定的角度(假定為順時針方向轉(zhuǎn)動)， 動觸頭偏離電位器中位，產(chǎn)生微弱電壓，經(jīng)放大器放大后，輸入給電氣伺服閥 第三章 機械手的機械系統(tǒng)設(shè)計 13 的控制線圈，使伺服閥產(chǎn)生一定的開口量。這時，壓縮空氣經(jīng)閥的開口進入氣 缸的左腔，推動活塞桿連同機械手

36、手臂一起向右運動。由于齒輪和機械手手臂 上齒條相嚙合，因而手臂向右移動時，電位器隨之作順時針方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)電位 器的中位和觸頭重合時，偏差為零，則動觸頭輸出電壓為零，電氣伺服閥失去 信號，閥口關(guān)閉，手臂停止移動。手臂移動的行程決定于脈沖數(shù)量，速度決定 于脈沖頻率。當(dāng)數(shù)字控制裝置發(fā)出反向脈沖時，步進電動機逆時針方向轉(zhuǎn)動， 手臂縮回。 根據(jù)模擬換刀機械手的動作要求，在驅(qū)動系統(tǒng)中氣缸的運動方式主要有兩 種：(1)直線運動(缸體固定，活塞桿作直線運動)；(2)擺動(缸體固定，活塞桿擺 動)?？偟碾姎?氣動系統(tǒng)原理圖如圖 3-2 所示： 圖 3-2 機械手氣動伺服系統(tǒng)圖 3.1.2 電電氣伺服氣伺服閥閥

37、電氣伺服控制屬于連續(xù)控制，其特點是輸出量隨輸入量的變化而變化，輸 出量與輸入量之間存在一定的關(guān)系。 由于電氣元件具有多方面的適應(yīng)性，信號的檢測、傳輸、綜合、放大等都 很方便，而且?guī)缀醺鞣N物理量都能轉(zhuǎn)換成電量，故氣動伺服系統(tǒng)中的輸入量以 電信號居多，轉(zhuǎn)換元件便以電磁式居多，其典型代表便是比例電磁鐵。它是利 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 14 用電磁力作用在轉(zhuǎn)換元件的可動部件上，通過其中的彈性元件轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰?，?過此位移來調(diào)節(jié)氣動放大器(放大元件)的節(jié)流面積，從而控制通過氣動放大器的 氣體壓力或流量。 電氣伺服閥是由電-機械轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換元件)和氣動放大器(放大元件)所組成。 驅(qū)動電-機械轉(zhuǎn)換器

38、的功率一般只需幾瓦，而氣動放大器的輸出氣流的功率可達 幾千瓦。 氣動放大器的結(jié)構(gòu)形式有滑閥、噴嘴擋板閥等。本機械手采用噴嘴擋板式 的電氣伺服閥，來確保連接機械手手臂的氣壓缸按所要求的控制規(guī)律和定位精 度工作，工作過程大致如下： 如圖 3-3 所示，若伺服放大器輸出的偏差信號(即設(shè)定的指令信號與反饋信 號之差)經(jīng)放大后，加到氣壓伺服閥的電磁線圈上，則永久磁鐵和電磁線圈間產(chǎn) 生相吸或相斥的電磁力，使端部裝有擋板的桿件偏離中間平衡位置繞支點左右 擺動，擋板使對稱布置的兩個轉(zhuǎn)換器(結(jié)構(gòu)原理如圖 3-4)噴嘴處的氣體流量發(fā)生 不均等的變化，因而造成一側(cè)噴嘴背壓腔壓力升高，另一側(cè)轉(zhuǎn)換器噴嘴背壓腔 壓力降低

39、，則負載氣缸左右腔壓力不等，活塞桿(連接機械手手臂)移動，實現(xiàn)工 作要求的運動規(guī)律?，F(xiàn)假定以右側(cè)轉(zhuǎn)換器為例考察其動作原理，當(dāng)桿件在偏差 信號作用上偏離中向平衡位置移向右側(cè)轉(zhuǎn)換器，由于擋板與噴嘴間隙減小，則 隨著噴嘴背壓腔內(nèi)壓力升高，A 腔壓力升高，使帶有噴嘴的閥座右移，把菌狀 提動閥推向右方，使 D 腔菌狀閥口開大，而 C 腔的小菌狀提動閥閥口關(guān)閉，這 樣，由進氣口流入的控制氣流經(jīng)過節(jié)流閥調(diào)節(jié)針閥流向氣壓缸，驅(qū)動活塞桿工 作；與此同時，相反一側(cè)的左轉(zhuǎn)換器(各腔符合同右側(cè)，只是符號右上腳打 “”來表示左側(cè)，以下同)，由于桿件端部的擋板與噴嘴間的間隙增加，造成 左噴嘴背壓腔壓力降低，而使左側(cè)帶噴嘴

40、的閥座在 C腔(與右側(cè) C 腔相對應(yīng))壓 力作用下向右移動，菌狀提動閥在左側(cè)彈簧力作用下使左轉(zhuǎn)換器 D腔的閥關(guān) 小，而 C腔的閥開大，則氣缸左端與排氣孔相通，壓力下降，實現(xiàn)活塞桿向消 除偏差信號方向移動(即活塞左向移動)：偏差信號為零時，左右側(cè)兩個轉(zhuǎn)換器的 輸出相等，這樣氣缸活塞停止在新的相對平衡位置上。 第三章 機械手的機械系統(tǒng)設(shè)計 15 圖 3-3 電氣-氣壓伺服閥工作原理圖 上圖中，零位(點)調(diào)整彈簧左右端均與帶擋板的桿件相聯(lián)，起著機械零位調(diào) 整和對中彈簧補償作用；增益調(diào)整彈簧在偏差信號為零時(即輸出壓力處于平衡 狀態(tài)時)，不與桿件接觸，當(dāng)偏差信號超過某一數(shù)值后才接觸。它的作用是根據(jù) 偏

41、差信號大小改變補償流量增益的變化，確保氣缸定位精度的穩(wěn)定。另外，采 用噴嘴擋板控制的菌狀提動閥，抗污染性能強，不容易堵塞。 3.2 機械手機械手執(zhí)執(zhí)行機構(gòu)行機構(gòu)設(shè)計設(shè)計 執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。其 中，每個執(zhí)行機構(gòu)都要進行相應(yīng)的氣動元件設(shè)計，必要的還要加裝導(dǎo)向裝置。 氣動元件的計算與選擇，對整個氣動系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。所選擇的元件 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 16 既要滿足系統(tǒng)的性能要求，又不能浪費。下面分別對各驅(qū)動元件進行計算與選 擇，并設(shè)計機械連接件與導(dǎo)向裝置。 圖 3-4 轉(zhuǎn)換器原理圖 3.2.1 機械手手部機械手手部設(shè)計設(shè)計 進行機械手設(shè)

42、計時應(yīng)考慮以下問題： (1) 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力，應(yīng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳 動機構(gòu)所需要的驅(qū)動力大小是不同的。 (2) 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。 (3) 在保證本身剛度，強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于 減輕手臂負載。 (4) 應(yīng)保證手抓的夾持精度。 通過綜合考慮，本設(shè)計選擇二指雙支點回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿式，夾 緊裝置采用常開式夾緊裝置，他在氣壓的控制下實現(xiàn)手抓的閉合。 圖 3-5 為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 3.2.2 手臂手臂結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計設(shè)計 手臂是機械手的主要部分，它是支撐被抓物件、手部、手腕的重要部件。 手臂的作用是帶動手指去抓取

43、物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。前 面已經(jīng)敘述了，按照抓取工件的要求，本機械手有四個自由度，即手臂的伸縮、 第三章 機械手的機械系統(tǒng)設(shè)計 17 小臂的升降、立柱的回轉(zhuǎn)和升降運動。對手臂結(jié)構(gòu)的要求：一是重量盡量輕， 以達到動作靈活、運動速度高、節(jié)約材料和動力，同時減少運動的沖擊；二是 要有足夠的剛度，以保證運動精度和定位精度。手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計重點是驅(qū)動力 的計算。 圖 3-5 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu) 1、小臂升降模塊 小臂升降模塊安裝在手臂伸縮模塊上，其作用是將模擬刀具從刀庫插孔(刀 架槽)中提出或插入，采用單桿雙作用氣缸。 對于直線運動氣缸的缸徑，可按載荷/安全系數(shù)選取。氣缸活塞桿的穩(wěn)定性

44、與工作壓力、安裝形式、最大行程有關(guān)，即使氣缸不受橫向載荷也需要加上導(dǎo) 向裝置，保證氣缸按正確方向運行。 (1)氣缸內(nèi)徑的確定 由作用在活塞桿上的工作載荷和初選的工作壓力，利用下述公式可計算出 缸徑 D。當(dāng)活塞桿輸出推力克服載荷做功時 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 18 （3-1） )(4D 1 pl F 式中：D氣缸內(nèi)徑(m) F1活塞上的推力(或稱工作載荷)(N) p初選的工作壓力(Pa)，一般為 P=0.51Mpa 總機械效率，當(dāng)氣缸動態(tài)性能要求工作顴率高時，取 =0.30.5。速度 低時取大值，速度高時取小值。氣缸動態(tài)性能要求一般，工作頻率較低時，可 取 0.70.85。 當(dāng)活塞桿輸

45、出拉力克服載荷做功時 （3- d F p D 2 2 4 2） 式中：F2活塞桿的拉力(N)； d根據(jù)拉力預(yù)先估定的活塞桿直徑。估定活塞桿直徑 d/D=0.160.5。 把 d/D=0.160.5 代入上式得 （3- p 4 1.15)(1.01D F2 3） 將式(3-1)與式(3-3)相比，D 取大值， (2)氣缸耗氣量 氣缸耗氣量與氣缸直徑 D、行程 S、缸的動作時間和換向閥到氣缸管道的容 積有關(guān)。忽略氣缸管道容積時，則氣缸的單位時間壓縮空氣消耗量按下式計算 （3-4） t dD Q t D QQQ SS QQ 2 22 2 1 2 121 )( 44 ，或 式中：Q每秒鐘壓縮空氣消耗量

46、(） s m / 3 Q1、Q2氣缸無、有活塞桿端進氣時壓縮空氣消耗量（ ） s m / 3 D、d缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑(m) 氣缸活塞桿伸出與縮回時所需時間(s) tt 21、 S氣缸的行程(m)。 (3)小臂升降氣缸計算 根據(jù)換刀機械手立柱升降氣缸運動過程的要求，氣缸收縮時承受的外力 F15N，行程為 30mm，伸出或縮回的時間為 0.3s。其主要尺寸的確定如下： A、缸徑 D 的計算： 第三章 機械手的機械系統(tǒng)設(shè)計 19 mm p FA 6 . 16m0166 . 0 4 15 . 1 D B、耗氣量計算 缸徑 D=20mm，行程 s=30mm，時間 t=0.3s，依據(jù)公式(3-4)，得

47、： s t S Q m D /14. 3 4 35 2 10 C、驗算輸出力 設(shè)，當(dāng) P=0.5Mpa 時，該氣缸的推力為 102N，而拉力為 80N，均遠遠大于 實際需要的 15N 緩沖 該氣缸終端位置的沖擊能量為： mNmE v 0075 . 0 5 . 15 . 05 . 0 1 . 0 22 設(shè)，當(dāng) P=0.5Mpa 時，終端位置的最大沖擊能量為 0.1Nm0.0075Nm，所以 安全。 2、根據(jù)氣缸的運動要求，設(shè)：氣缸收縮時承受的外力 F15N(慣性負載較 大)，行程為 70mm，伸出或縮回的時間為 0.3s。其主要尺寸的確定如下： （1)缸徑 D 的計算 取 d/D=0.5，依據(jù)公

48、式(3-3)，取 P=0.5Mpa，=0.3 計算，即 mm p FA 6 . 13m0136. 0 4 15. 1D (2)耗氣量計算 水平缸缸徑 D=32mm，行程 S=70mm。時間 t=0.3s，依據(jù)公式(3-4)，得： s t S Q m D /2 4 34 2 10 3、立柱升降模塊 立柱是安裝在與基座連接的轉(zhuǎn)臺之上，用以支撐手臂并帶動它升降和移動 的機構(gòu)。對立柱的設(shè)計要求是堅固，剛性好。 根據(jù)換刀機械手立柱升降氣缸的運動要求，氣缸收縮時承受的外力 F60N，行程為 100mm，伸出或縮回的時間為 0.4s。其主要尺寸的確定如下： (1)缸徑 D 的計算 取 d/D=0.5，依據(jù)公

49、式(3-3)取 P=0.5Mpa, =0.3 計算，即 mm p FA 26m026. 0 4 15. 1D 2)耗氣量計算 缸徑 D=16mm，行程 S=100mm，t=0.4s，依據(jù)公式(3-4)，得： 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 20 s t S Q m D /14 . 3 4 34 2 10 4、手臂的回轉(zhuǎn)模塊 擺動氣缸是利用壓縮空氣驅(qū)動輸出軸在一定角度范圍內(nèi)作往復(fù)回轉(zhuǎn)運動的 氣動執(zhí)行元件，用于物體的轉(zhuǎn)位、夾緊、閥門的開閉以及機械手的手臂動作等。 擺動氣缸有齒輪齒條式和葉片式兩大類。本機械手臂采用齒輪齒條式擺動氣缸。 表 3.1 擺動氣缸的比較 品種 體 積 質(zhì) 量 改變擺動角

50、的方法 設(shè)置緩 沖裝置 輸出 力矩 泄 露 擺動角 度范圍 最低使 用壓力 擺動 速度 用于中 途停止 狀態(tài) 齒輪 齒條 式 較 大 較 大 改變內(nèi)部或 外部擋塊位 置 容易較大 很 小 可較寬較小 可以 低速 可適當(dāng) 時間使 用 葉片 式 較 小 較 小 調(diào)節(jié)止動塊 的位置 內(nèi)部設(shè) 置困難 較小 微 漏 較窄較大 不宜 低速 不宜長 時間使 用 3.2.3 基座基座結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計設(shè)計 基座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于 基座上，是支撐機械手全部重量的構(gòu)件。對其結(jié)構(gòu)的要求是剛性好、占地面積 小、操作維修方便和造型美觀?；Y(jié)構(gòu)從形式上可分為落地式和懸掛式，或 分為固

51、定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機械手工作時基座應(yīng)給予 以固定。根據(jù)總體設(shè)計中換刀機械手的設(shè)計要求，本機械手的基座采用落地固 定式。 換刀機械手立柱模塊需要一個旋轉(zhuǎn)模塊，擺動氣缸則應(yīng)固定在基座上。如 果水平缸、垂直缸和手部機構(gòu)直接安裝到擺動氣缸輸出軸上，機構(gòu)雖然簡單， 但擺動氣缸的軸向受力增大，對氣缸的自身要求較高，容易造成擺動氣缸的損 壞。同時，機械手本身重心偏離立柱軸線對擺動氣缸轉(zhuǎn)動軸產(chǎn)生傾覆力矩。所 以采用一個連接組件，將機械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機架來承擔(dān)。該 連接組件主要由四個部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺和扣罩，如圖 3-6 所示，采用雙向推力球軸承可以方便地將

52、軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺連接，外環(huán)用扣罩固 定在底座上。另外，推力軸承要選擇公稱尺寸相對較大一些的，這樣可以更好 地承受傾覆力矩。 第三章 機械手的機械系統(tǒng)設(shè)計 21 1-底座 2-擺動氣缸 3-雙向推力球軸承 4-扣罩 5-轉(zhuǎn)臺 圖 3-6 基座結(jié)構(gòu)圖 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 22 第四章第四章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 4.1 總結(jié)總結(jié) 本文對自動換刀機械手的結(jié)構(gòu)、類型、坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動方案以及 伺服系統(tǒng)的一些普遍性問題進行了深入的研究，并對機械手的執(zhí)行機構(gòu)進行了 設(shè)計?，F(xiàn)對已解決的問題總結(jié)如下： l、根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，即換刀機械手的工作環(huán)境以及工作過程，并依此 確定了機械手坐標(biāo)形式和

53、自由度以及各關(guān)節(jié)運動參數(shù)。介紹了模塊化設(shè)計原理 以及氣動機械手的模塊劃分。對自動換刀機械手進行了總體方案設(shè)計。 2、對機械手電氣-氣壓伺服系統(tǒng)進行設(shè)計。執(zhí)行機構(gòu)仍使用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，與傳 統(tǒng)氣壓驅(qū)動不同的是，運用電氣伺服閥實現(xiàn)閉環(huán)的伺服系統(tǒng)控制，由齒輪齒條 機構(gòu)檢測到機械手的位移，通過電位器轉(zhuǎn)換成電信號，反饋到電氣伺服閥，控 制壓縮空氣的流量，從而控制氣缸的位移量。 總之，本次畢業(yè)設(shè)計不僅從機械手的總體設(shè)計方面，對機械手的劃分類型、 構(gòu)成、系統(tǒng)功能設(shè)計以及自由度等方面做出了詳細以及明確地設(shè)計。同時，在 此之前，還做了大量的方案，這對設(shè)計過程提供了很大的助力。通過本次設(shè)計， 我對機械手的內(nèi)部構(gòu)造以及運

54、動過程的了解有了進一步的提高。 當(dāng)然，在對機械手設(shè)計的過程中，也用到了很多技術(shù)，典型的技術(shù)就是伺 服技術(shù)，這之中不僅包括氣動伺服，還有電氣伺服，這是推動機械手運作的裝 置，就好像心臟一般，有著不可或缺的作用！ 與此同時，正如上文機械手的發(fā)展背景所講，隨著時代的發(fā)展，機械手的 應(yīng)用越來越普遍，它已成為各個產(chǎn)業(yè)中不可或缺的一部分，它能代替人們完成 很多需要復(fù)雜加工的工序，同時，還能使加工出來的部件更加完美。當(dāng)然，有 時需要加工的工種比較繁重，這時，機械手的應(yīng)用就能最大化的減輕工人的負 擔(dān)，最終達到利益的最大化。 所以說機械手使以后的工作更加有效率，是未來機械工業(yè)發(fā)展的趨勢。 4.2 展望展望 本課

55、題在完成機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，進一步設(shè)計了機械手的驅(qū)動系統(tǒng) 和控制系統(tǒng)。由于時間的限制，一些問題未來得及研究，具體有： 1、機械手的力控制問題 當(dāng)機械手在空間跟蹤軌跡運動時，可采用位置控制，但當(dāng)末端執(zhí)行器與機 械手工作環(huán)境發(fā)生碰撞時，純粹的位置控制已經(jīng)不適用了。如今，一些機械手 已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的力控制，如磨削和去毛刺。顯然工業(yè)機械手的下一個大量 應(yīng)用領(lǐng)域?qū)窃谘b配線作業(yè)中執(zhí)行一個或多個零件的裝配任務(wù)。在這種零件 裝配任務(wù)中，接觸力的監(jiān)控非常重要。使用機械手完成裝配任務(wù)要求零件之間 的位置精度非常高。目前工業(yè)機械手一般不能勝任如此精確的任務(wù)。高精度機 第四章 總結(jié)與展望 23 械手只能以尺

56、寸、重量和成本為代價來實現(xiàn)。然而，測量和控制手部產(chǎn)生的接 觸力為提高機械手的精度提供了一種有效的方法。 由于使用相對測量方法，機械手和被操作對象的絕對位置誤差不像它們在 純位置控制系統(tǒng)中那樣重要了。當(dāng)中等剛度的零件相互作用時，相對位置的微 小變化會產(chǎn)生很大的接觸力，因此，了解并控制這些力可以極大地提高有效位 置精度。 2、機械手運動軌跡的生成 為了進一步提高機械手的通用性，就要解決如何通過人機交互指定機械手 通過空間的一條軌跡或路徑。為了使用戶便于對機械手的運動進行描述，不應(yīng) 當(dāng)要求用戶必須寫出復(fù)雜的時間和空間的函數(shù)才能指定機械手任務(wù)。相反，應(yīng) 該允許用戶通過簡單的描述來指定機械手的期望運動，

57、然后由系統(tǒng)來完成詳細 的計算。用戶可能只需要給定末端執(zhí)行器期望的目標(biāo)位姿，而由系統(tǒng)來確定到 達目標(biāo)的準(zhǔn)確路徑、時間歷程和速度曲線等等。此外，如果能簡單地把機械手 運動的期望目標(biāo)點告訴機械手系統(tǒng)，讓系統(tǒng)自行決定所需中間點的位置和數(shù)量， 以使機械手到達目標(biāo)而不碰到任何障礙，這將是非常方便的。 3、氣壓伺服技術(shù)的控制理論研究 在氣壓伺服系統(tǒng)方面，因工作介質(zhì)可壓縮性大所造成的輸出剛度低、固有 頻率低和響應(yīng)慢等缺點，應(yīng)提高供氣壓力，即向中、高壓供氣發(fā)展；或在氣壓 動力回路中實施某種補償方法等，以提高控制精度。在氣壓伺服系統(tǒng)的控制方 法上，需廣泛的引入現(xiàn)代控制理論和智能控制等方法。對氣動伺服系統(tǒng)分析不 應(yīng)

58、只局限于位置控制的研究分析，對速度的控制及力的控制有待作進一步研究 致 謝 24 致致 謝謝 在論文完成之際，我首先向關(guān)心幫助和指導(dǎo)我的指導(dǎo)老師薛嵐薛老師表示 衷心的感謝并致以崇高的敬意！ 在論文工作中，遇到了很多問題，涉及到排版，格式等等，一直得到薛老 師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)，使我克服重重困難，并最終完成設(shè)計。薛老師以其 淵博的學(xué)識、嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求實的工作作風(fēng)和他敏捷的思維給我留下了深 刻的印象，我將終生難忘。再一次向她表示衷心的感謝，感謝她為學(xué)生營造的 濃郁學(xué)術(shù)氛圍，以及學(xué)習(xí)、生活上的無私幫助! 值此論文完成之際，謹向薛老師 致以最崇高的謝意! 在學(xué)校的學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束，回顧兩年多來的

59、學(xué)習(xí)經(jīng)歷，面對現(xiàn)在的收獲， 我感到無限欣慰。為此，我向熱心幫助過我的所有老師和同學(xué)表示由衷的感謝! 在我即將完成學(xué)業(yè)之際，我深深地感謝我的家人給予我的全力支持！ 最后，衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家、教授 參考文獻 25 參考文獻參考文獻 1. 陸祥生，楊秀蓮編.機械手理論及應(yīng)用.北京：中國鐵道出版社，1985 2. 機電傳動與控制(第三版)/程憲平 主編武漢：華中科技大學(xué)出版社， 20109 3. 孫樹棟.工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ).西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006 4. 孫好章.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機械手控制系統(tǒng)的研究.無錫：江南大學(xué)，2008 5. 李文明.曲軸搬運機械手的研究與設(shè)

60、計.武漢：華中科技大學(xué)，2007 6. 鄧康一.氣動機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及伺服控制研究.西安：西安建筑科技大學(xué)， 2008 7. 工業(yè)機械手編寫設(shè)計基礎(chǔ)編寫組.工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ).天津：天津科學(xué) 技術(shù)出版社，1979 8. 李超.氣動通用上下料機械手的研究與開發(fā)D.西安：陜西科技大學(xué)，2003 9. 王承義.機械手及其應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，1981 10. 戚昌滋，楊紅旗，雷文字.機械現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué).北京：中國建筑工業(yè)出版社， 1987 11. 肖瓏.液壓與氣動傳動技術(shù).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007 12. 李建藩.氣壓傳動系統(tǒng)動力學(xué).廣東：華南理工大學(xué)出版社，1991 13. 天津大學(xué)工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)編寫組.工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ).天津：天津 科學(xué)技術(shù)出版社，1980. 14. 徐灝. 機械設(shè)計手冊第 5 卷M.北京：機械工業(yè)出版社，1992. 15. 齊進凱.氣動機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析及控制的研究D.上海：東華大學(xué)， 2006 16. 李超.氣動通用上下料機械手的研究與開發(fā)D.西安：陜西科技大學(xué)，2003 17. 加騰一郎.機械手圖冊.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979 18. SMC(中國)有限公司.現(xiàn)代實用氣動技術(shù)(第 2 版).北京：機械工業(yè)出版社， 2003