氣動(dòng)機(jī)械手的畢業(yè)設(shè)計(jì)

浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題目 氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì) 系別 機(jī)電系專業(yè) 機(jī)電一體化 班級(jí) 機(jī)電1101姓名 褚水榮學(xué)號(hào) 1103130105指導(dǎo)老師 文 斌日期 2014年5月摘 要?dú)鈩?dòng)機(jī)械手是能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)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(dòng)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣動(dòng)設(shè)計(jì)。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(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的抓取、搬運(yùn)和卸載。氣動(dòng)部分的設(shè)計(jì)主要是選擇合適的控制閥，設(shè)計(jì)合理的氣動(dòng)控制回路，通過(guò)控制和調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來(lái)使氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動(dòng)作速度和改變運(yùn)動(dòng)方向，并按規(guī)定的程序工作。關(guān)鍵詞：氣動(dòng)機(jī)械手；氣缸；氣動(dòng)回路。目 錄1 緒論1.1 機(jī)械手簡(jiǎn)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(jì)方案和氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)2.4 驅(qū)動(dòng)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(dòng)回路的設(shè)計(jì)3氣動(dòng)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(dòng)三聯(lián)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(guó)民的裝備部，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)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(kāi)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(duì)國(guó)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(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國(guó)都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國(guó)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)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(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)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(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。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(guó)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(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)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(lái)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(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)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(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來(lái)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(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。1.1 機(jī)械手簡(jiǎn)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(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)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(guó)機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬(wàn)能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。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(dòng)，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(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年，美國(guó)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(jì)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。美國(guó)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(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)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(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到0.1毫米。德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從1970年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)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(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)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(gè)。1979年120多個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)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(tái)。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(zhǎng)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(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。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(zhǎng)。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(jì)到1990年將有55萬(wàn)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺(jué)和視覺(jué)機(jī)械手。第三代機(jī)械手（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)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(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。1.2 機(jī)械手的分類目前對(duì)機(jī)械手還沒(méi)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(dòng)方式分類按驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)通常由液動(dòng)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(dòng)作平穩(wěn)，耐沖擊、耐振動(dòng)，防爆性好，但對(duì)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(dòng)系統(tǒng)通常采用通常汽缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成。特點(diǎn)是氣源方便，動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)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(dòng)式機(jī)械手。電力驅(qū)動(dòng)是目前機(jī)械手使用的最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動(dòng)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(dòng)，以簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，提高控制精度。其他還有采用混合驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，如液-氣混合驅(qū)動(dòng)機(jī)械手或電-氣混合驅(qū)動(dòng)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(yùn)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(xiǎn)作業(yè)機(jī)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(jiǎn)單的家務(wù)活。（2）操作型機(jī)械手：能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)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(dòng)作。（4）示教再現(xiàn)型機(jī)械手：通過(guò)引導(dǎo)或其它方式，先教會(huì)機(jī)械手動(dòng)作，輸入工作程序，機(jī)械手則自動(dòng)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(dòng)作，通過(guò)數(shù)值、語(yǔ)言等對(duì)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(jué)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(dòng)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(dòng)。（8）學(xué)習(xí)控制型機(jī)械手：能“體會(huì)”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。（9）智能機(jī)械手：以人工智能決定其行動(dòng)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)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)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(dòng)） 工業(yè)機(jī)械手電、液或氣驅(qū)動(dòng)裝置 驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)感覺(jué)裝置子視覺(jué)裝置子 智能系統(tǒng)語(yǔ)言識(shí)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(shí)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(shí)人們也把諸如電焊槍、油漆噴頭等劃作機(jī)器手的手部；腕部與手部相連，主要功能是帶動(dòng)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(gè)臂桿（小臂和大臂）組成，用于帶動(dòng)腕部做平面運(yùn)動(dòng)；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(yùn)動(dòng)加上臂部的平面運(yùn)動(dòng)，就能使腕部做空間運(yùn)動(dòng)。腰部是執(zhí)行結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差、運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性，對(duì)機(jī)械手的定位精度有決定性的影響；基座是整個(gè)機(jī)械手的支撐部分，有固定式和移動(dòng)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(dòng)-傳動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體。傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(tái)微型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散（級(jí)）式控制，即采用多臺(tái)微機(jī)來(lái)分擔(dān)機(jī)器人的控制，如當(dāng)采用上、下兩級(jí)微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時(shí)，主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并向下級(jí)微機(jī)發(fā)送指令信息；作為下級(jí)從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)CPU，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制處理，實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。智能系統(tǒng)是目前機(jī)械手系統(tǒng)中一個(gè)不夠完善但發(fā)展很快的子系統(tǒng)。它可分為兩個(gè)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(shí)現(xiàn);后者主要靠軟件（如專家系統(tǒng)）實(shí)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(lái)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(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國(guó)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(guò)程中的自動(dòng)化程度應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)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(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、以改善勞動(dòng)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(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)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(dòng)條件得以改善。在一些簡(jiǎn)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(gè)側(cè)面，同時(shí)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(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒(méi)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(shì)。2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案和氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)本課題是一個(gè)用于傳送帶上輕型平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)，以及氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)。在本章中對(duì)機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。2.1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃?rùn)C(jī)械手運(yùn)動(dòng)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(gè)部分。序列規(guī)劃是指在一個(gè)特定的工作區(qū)域中自動(dòng)生成一個(gè)從起始作業(yè)點(diǎn)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一系列作業(yè)點(diǎn)。再回到起始點(diǎn)的最優(yōu)工作序列；路徑規(guī)劃是指在相鄰序列點(diǎn)之間通過(guò)一定的算法搜索一條無(wú)碰撞的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑；軌跡規(guī)劃是指通過(guò)插補(bǔ)函數(shù)獲得路徑上的插補(bǔ)點(diǎn)，再通過(guò)求解運(yùn)動(dòng)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(wú)需轉(zhuǎn)換)，形成各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡。序列規(guī)劃為機(jī)械手的所有作業(yè)點(diǎn)生成一個(gè)最優(yōu)的工作序列。作業(yè)點(diǎn)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(gè)到上百個(gè)作業(yè)點(diǎn)，這些作業(yè)點(diǎn)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(gè)作業(yè)點(diǎn)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(guò)某種算法生成一個(gè)能滿足作業(yè)限制的最優(yōu)作業(yè)序列，一般以時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)，為了從當(dāng)前作業(yè)位置到達(dá)下一個(gè)位置，需要在機(jī)械手工作空間確定一條無(wú)碰撞的運(yùn)動(dòng)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(guò)程實(shí)際上是一個(gè)帶幾何約束的問(wèn)題求解過(guò)程。從上面的論述可以看出，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)劃主要包括兩個(gè)方面，一是生成所有作業(yè)點(diǎn)最優(yōu)工作序列的序列規(guī)劃，二是在相鄰作業(yè)點(diǎn)之間生成無(wú)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(shí)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃的算法建立在已有的各種方法之上，下面簡(jiǎn)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(guò)程中的碰撞檢測(cè)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(méi)有通用的序列規(guī)劃算法。在使用機(jī)械手進(jìn)行裝配，插孔，點(diǎn)焊的應(yīng)用中，較為普遍的方法是把序列規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為“旅行商問(wèn)題”(TSP)來(lái)解決。即機(jī)械手從起始點(diǎn)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一系列作業(yè)點(diǎn)，并在各作業(yè)點(diǎn)停留，完成所有作業(yè)后，最終回到起始點(diǎn)的時(shí)間最短規(guī)劃算法。旅行商問(wèn)題的求解成為求解序列規(guī)劃問(wèn)題的關(guān)鍵。目前，旅行商問(wèn)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(lái)求解，計(jì)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(gè)作業(yè)點(diǎn)之間生成一條無(wú)碰撞路徑。機(jī)械手路徑規(guī)劃算法主要有4類：C-空間法，人工勢(shì)力場(chǎng)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(diǎn)和發(fā)展方向，這些算法在實(shí)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(cè) 路徑規(guī)劃的目標(biāo)是在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間生成一條無(wú)碰撞路徑，這使得碰撞檢測(cè)成為解決路徑規(guī)劃問(wèn)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(cè)或需要計(jì)算機(jī)器人和障礙物之間的距離。判斷兩個(gè)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(jì)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(gè)簡(jiǎn)單的包圍盒將復(fù)雜的幾何形體圍住。當(dāng)對(duì)兩個(gè)物體進(jìn)行碰撞檢測(cè)時(shí)。首先檢測(cè)兩者的包圍盒是否相交，若不相交。則說(shuō)明兩個(gè)物體未相交，否則再進(jìn)一步對(duì)兩個(gè)物體做檢測(cè)。因?yàn)榍蟀鼑械慕槐惹笪矬w的交簡(jiǎn)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(duì)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(shù)。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(wú)碰撞發(fā)生，還要計(jì)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(gè)剛性物體之間的距離計(jì)算有很多算法。其中對(duì)凸多面體的計(jì)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)主要有平移距離、成長(zhǎng)距離、收縮距離、偽平移距離等。在現(xiàn)實(shí)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(gè)凸幾何體的組合。對(duì)一般凸幾何體如球、圓柱等，可以用緊包圍它的凸多面體來(lái)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(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)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(jiǎn)單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型。圖2-1 是機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖。圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運(yùn)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(kāi)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(yùn)動(dòng)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(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有3個(gè)自由度：手臂伸縮；機(jī)身回轉(zhuǎn)；機(jī)身升降。本設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要由3個(gè)大部件和3個(gè)氣缸組成：（1）手部，采用一個(gè)氣爪，通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手爪的張合。（2）臂部，采用直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮。（3）機(jī)身，采用一個(gè)直線缸和一個(gè)回轉(zhuǎn)缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。2.4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。氣動(dòng)機(jī)械手因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。因此，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案選擇氣壓驅(qū)動(dòng)。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(yùn)二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：1、抓重：10Kg (夾持式手部)2、自由度數(shù)：3個(gè)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(yùn)動(dòng)參數(shù)：手臂伸縮行程：200mm 手臂伸縮速度：1000mm/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(dòng)回路的設(shè)計(jì)機(jī)械手氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)主要是選用合適的控制閥，通過(guò)控制和調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來(lái)使氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動(dòng)作速度和改變運(yùn)動(dòng)方向，并按規(guī)定的程序工作，設(shè)計(jì)的氣動(dòng)回路圖如圖2-2所示。圖2-2 機(jī)械手氣動(dòng)回路圖本設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手完成各個(gè)運(yùn)動(dòng)的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個(gè)狀態(tài)，選擇兩位五通換向閥控制各個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)方向，氣缸的進(jìn)出口回路各設(shè)置一個(gè)單向節(jié)流閥，通過(guò)控制進(jìn)出口空氣流量的大小來(lái)控制氣缸執(zhí)行器動(dòng)力的大小和運(yùn)動(dòng)速度。設(shè)計(jì)中采用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的預(yù)定動(dòng)作，既可以簡(jiǎn)化控制線路，節(jié)省成本，又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。3.1氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求氣壓傳動(dòng)是指以壓縮空氣為工作介質(zhì),傳遞動(dòng)力和控制信號(hào)的系統(tǒng)。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展,氣壓傳動(dòng)已逐步發(fā)展成為一門新技術(shù)。因?yàn)橐钥諝鉃榻橘|(zhì)的氣壓傳動(dòng)具有防火、防爆、防電磁干擾、抗振動(dòng)沖擊和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),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(dòng)系統(tǒng)的以上優(yōu)點(diǎn)剛好適應(yīng)這種作業(yè)環(huán)境。3.2氣動(dòng)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*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(yùn)動(dòng)過(guò)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(tái)廠自主開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品,安裝尺寸與國(guó)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)氣缸在手部結(jié)構(gòu)中的安裝要求選取氣缸的具體型號(hào)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(yùn)動(dòng)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(lái)選擇,控制平移運(yùn)動(dòng)的氣缸的性能一定滿足要求。依據(jù)前面設(shè)計(jì)的各個(gè)機(jī)構(gòu),推斷氣缸要推動(dòng)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(diǎn))。取氣缸完成運(yùn)動(dòng)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0.0490.98MPa,取0.9MPa,計(jì)算氣缸提供的推力為:F=0.9*106 *3.14*0.0016=4716N 計(jì)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(yùn)動(dòng)的氣缸型號(hào)為L(zhǎng)GB80*150LB,控制前后運(yùn)動(dòng)的氣缸型號(hào)為L(zhǎng)GB80*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(jì)的各個(gè)機(jī)構(gòu),推斷氣缸推動(dòng)的總質(zhì)量300kg,取氣缸完成運(yùn)動(dòng)的機(jī)械效率=0.7,氣缸實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)所需要的推力為: G=mg=3000*10=3000N 則F=G/=3000/0.7=4286N 所以要能實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng),氣缸的推力必須大于4286N?？沙踹x缸徑為100mm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(jì)算氣缸提供的推力為: F=0.9*106 *3.14*0.0025=7350N計(jì)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(yùn)動(dòng)的氣缸型號(hào)為L(zhǎng)GB100*30FA。 3.2.2方向控制閥選取 單向節(jié)流閥選型計(jì)算。單向節(jié)流閥可以通過(guò)每秒鐘的流量來(lái)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(duì)安全。計(jì)算流量:q=vA,其中v為平均流速,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(jì)手冊(cè),選取XQ系列單向節(jié)流閥,型號(hào)為XQ100600,其流量范圍為0420L/min。根據(jù)已計(jì)算的回路流量值,選擇雙電控二位五通電磁閥,型號(hào)為XQ251041 氣動(dòng)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(dòng)三聯(lián)件的型號(hào)為QLPY1。其中包括了過(guò)濾器、減壓閥和油霧器。4 結(jié)論本文所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，功能比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)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(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面：（1）機(jī)械手氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)選用合適的氣動(dòng)元件，通過(guò)控制和調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來(lái)使氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動(dòng)作速度和改變運(yùn)動(dòng)方向，并按規(guī)定的程序工作。（2）末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器采用平行開(kāi)閉型氣爪，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接采用成品材料。針對(duì)實(shí)際的要求，可以換用其他各種末端執(zhí)行器，對(duì)不同種類的工件實(shí)現(xiàn)夾取、轉(zhuǎn)移、安裝。（3）機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)將旋轉(zhuǎn)氣缸安裝在底板上，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手向左或向右擺動(dòng)。機(jī)械手末端執(zhí)行器的水平伸縮運(yùn)動(dòng)和豎直升降運(yùn)動(dòng)各由一個(gè)氣缸控制，即以最簡(jiǎn)單的形式，在兩個(gè)位置（完全伸出和回縮位置）之間進(jìn)行切換。由于個(gè)人知識(shí)及能力水平有限，設(shè)計(jì)中難免會(huì)有一些紕漏或錯(cuò)誤之處，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正，不勝感謝！致 謝在設(shè)計(jì)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(wú)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(shí)，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(shí)，實(shí)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(guò)近半年努力的設(shè)計(jì)與計(jì)算，設(shè)計(jì)終于可以完成了，我的心里無(wú)比的激動(dòng)。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?yàn)樗俏矣眯摹⒂煤顾删偷?，也是我在大學(xué)三年來(lái)對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用和體現(xiàn)。三年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識(shí)，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(dòng)技術(shù)速查手冊(cè). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.124李寶仁著. 氣動(dòng)技術(shù)低成本綜合自動(dòng)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(dòng)手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.36陳奎生著. 液壓與氣壓傳動(dòng). 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2008.57SMC（中國(guó)）有限公司. 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