沈陽化工大學科亞學院畢業(yè)論文文獻綜述 澆注機械手結構設計文獻綜述 姓名 趙利民 班級 機制 1103 指導教師 趙艷春 摘要 機械工業(yè)是國民的裝備部 是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生提供耐用消 費品的產(chǎn)業(yè) 機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平 的要標志 因此 世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之 一 生產(chǎn)水平及科學技術的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展 現(xiàn)代工業(yè)中 生產(chǎn)過程的機械化 自動化已成為突出的主題 然而在機械工業(yè) 中 加工 裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的 單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序接起來 不僅費時而且效率不高 同時人的勞動強度非常大 有時還會出現(xiàn)失誤及傷害 顯然 這嚴重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度 機械手的應用很 好的解決了這一情況 它不存在重復的偶然失誤 也能有效的避免了人身事故 機器人是一種智能機器人的簡化版本 僅僅通過模仿人類行為來幫助完成大 量人類日常生產(chǎn)和生活 操作簡單 重復率高的工作 在早期的工業(yè)機器人是一種教學和再現(xiàn)機器人 它由驅動器 教箱 框架控制器 和機械臂爪等組成 運營商通過教學板輸入機械手的工作內(nèi)容 機器人收到啟 動命令后 將從內(nèi)存讀取相關的程序指令 完成相對的工作內(nèi)容 中期的工業(yè)機器人已經(jīng)配備外部傳感器設備 如觸覺傳感器 力傳感器 視覺傳 感器和語音識別設備等等 可以得到關于工作條件和操作對象的基本信息 機 器人根據(jù)信息反饋控制機械臂的運動 現(xiàn)如今 工業(yè)機器人已經(jīng)發(fā)展成為一個擁有高度適應性和各種認知功能的智能 機器人 這種機器人控制系統(tǒng)可以自行判斷決定反饋信息 使機器人在未知環(huán)境 中提前獨立操作 從事各種復雜的操作 工業(yè)機器人和其他專業(yè)自動化生產(chǎn)設備 的主要區(qū)別是 它的工作內(nèi)容可以通過改變計算機程序完成 當生產(chǎn)任務改變 工業(yè)機器人編程和輔助器具配置 付出相對較低的成本就可以快速適應新工作 機器人機械手主要由本體和控制系統(tǒng)兩部分組成 本體部分包括機械臂 驅動器 和爪子 爪用于抓取工件 或工具 的部件 根據(jù)抓住對象的形狀 尺寸 重量 材 料和需求和結構有很多類型 比如夾類型 類型和吸附型 等等運動旋轉手完成各 種各樣的機械手臂 擺動 移動或復合運動來實現(xiàn) 改變抓取工件的位置和姿態(tài) 機械臂的升降 縮放 旋轉 等獨立運動方式 稱為機械手的自由度 為了抓住 任何在空間對象的位置和方向 需要一定程度的自由 自由度是機械手設計的關 鍵參數(shù) 自由度越多 機械手的靈活性越大 通用性更廣泛 它的結構比較復雜 機械手通常用作機床或其他機器的附件 如自動機床和自動生產(chǎn)線裝卸或轉 讓工件等 一般沒有獨立的控制裝置 一些操作需要由人直接操縱裝置 例如原 子能部門 正文 機械手主要由執(zhí)行機構 驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成 其組成及相互關系如下圖 手部安裝在手臂的前端 手臂的內(nèi)孔裝有轉動軸 可把動作傳給手腕 以轉 動 伸屈手腕 開閉手指 機械手手部的機構系模仿人的手指 分為無關節(jié) 固定關節(jié)和自由關節(jié)三種 手指的數(shù)量又可以分為二指 三指和四指等 其中以二指用的最多 可以根據(jù) 夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭 以適應操作需要 手臂有無關節(jié)和有關節(jié)手臂之分 本課所做的機械手的手臂采用無關節(jié)臂 手臂 的作用是引導手指準確的抓住工件 并運送到所需要的位置上 為了使機械手能 夠正確的工作 手臂的三個自由度都需要精確的定位 總括機械手的運動離不開直線移動和轉動二種 因此 它采用的執(zhí)行機構主要 是直線油缸 擺動油缸 電液脈沖馬達 伺服油馬達 直流伺服馬達和步進馬 達等 軀干是安裝手臂 動力源和執(zhí)行機構的支架 驅動機構主要有四種 液壓驅動 氣壓驅動 電氣驅動和機械驅動 其中以 液壓氣動用的最多 占 90 以上 電動 機械驅動用的較少 液壓驅動主要是通過油缸 閥 油泵和油箱等實現(xiàn)傳動 它利用油缸 馬達加 上齒輪 齒條實現(xiàn)直線運動 利用擺動油缸 馬達與減速器 油缸與齒條 齒 輪或鏈條 鏈輪等實現(xiàn)回轉運動 液壓驅動的優(yōu)點是壓力高 體積小 出力大 運動平緩 可無級變速 自鎖方便 并能在中間位置停止 缺點是需要配備壓 力源 系統(tǒng)復雜成本較高 氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸 氣壓馬達 氣閥等 一般采用 4 6 個大 氣壓 個別的達到 8 10 個大氣壓 它的優(yōu)點是氣源方便 維護簡單 成本低 缺點是出力小 體積大 由于空氣的可壓縮性大 很難實現(xiàn)中間位置的停止 只能用于點位控制 而且潤滑性較差 氣壓系統(tǒng)容易生銹 電氣驅動采用的不多 現(xiàn)在都用三相感應電動機作為動力 用大減速比減速器 來驅動執(zhí)行機構 直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構 有的采用直線電動機 通用機械手則考慮用步進電機 直流或交流的伺服電機 變速箱等 電氣驅 動的優(yōu)點是動力源簡單 維護 使用方便 驅動機構和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一 形式的動力 出力比較大 缺點是控制響應速度比較慢 機械驅動只用于固定 的場合 一般用凸輪連桿機構實現(xiàn)規(guī)定的動作 它的優(yōu)點是動作確實可靠 速 度高 成本低 缺點是不易調(diào)整 機械手控制系統(tǒng)的要素 包括工作順序 到達位置 動作時間和加速度等 控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求 設計采用數(shù)字順序控制 它首先要編制程序加以 存儲 然后再根據(jù)規(guī)定的程序 控制機械手進行工作 隨著科學技術的發(fā)展 機械手也越來越多的地被應用 機械手 有利于提高材料的傳送 工件的裝卸 刀具的更換以及機器裝配 等的自動化程度 從而可以提高勞動生產(chǎn)率 降低生產(chǎn)成本 加快實現(xiàn)工業(yè)生 產(chǎn)機械化和自動化的步伐 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 性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中 用人手直接操作是有危險或 根本不可能的 而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè) 大大地 改善了工人的勞動條件 同時 在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中 以機 械手代替人手進行工作 可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故 應用機械手代替人手進行工作 這是直接減少人力的一個側面 同時由于 應用機械手可以連續(xù)地工作 這是減少人力的另一個側面 因此 在自動化機 床和綜合加工自動生產(chǎn)線上目前幾乎都設有機械手 以減少人力和更準確地控制 生產(chǎn)的節(jié)拍 便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn) 目前國內(nèi)機械于主要用于機床加工 鑄鍛 熱處理等方面 數(shù)量 品種 性能 方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要 所以 在國內(nèi)主要是逐步擴大應用范圍 重點發(fā)展鑄造 熱處理方面的機械手 以減輕勞動強度 改善作業(yè)條件 在應 用專用機械手的同時 相應的發(fā)展通用機械手 有條件的還要研制示教式機械 手 計算機控制機械手和組合機械手等 同時要提高速度 減少沖擊 正確定 位 以便更好的發(fā)揮機械手的作用 此外還應大力研究伺服型 記憶再現(xiàn)型 以及具有觸覺 視覺等性能的機械手 并考慮與計算機連用 逐步成為整個機 械制造系統(tǒng)中的一個基本單元 國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多 發(fā)展也很快 目前主要用于機床 橫鍛壓力機的上下料 以及點焊 噴漆等作業(yè) 它可按照事先指定的作業(yè)程序 來完成規(guī)定的操作 國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手 使它具有一定的傳感能力 能反饋外界條件的變化 作相應的變更 如位置 發(fā)生稍許偏差時 即能更正并自行檢測 重點是研究視覺功能和觸覺功能 目 前已經(jīng)取得一定成績 目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化 高速化 多軸化 輕量化的發(fā)展趨 勢 定位精度可以滿足微米及亞微米級要求 運行速度可以達到 3M S 量新 產(chǎn)品達到 6 軸 負載 2KG 的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破 100KG 更重要的是將機械手 柔性造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合 從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操 作狀態(tài) 同時 隨著機械手的小型化和微型化 其應用領域將會突破傳統(tǒng)的機 械領域 而向著電子信息 生物技術 生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展 目前國際機器人界都在加大科研力度 進行機械手共性技術的研究 并朝 著智能化和多樣化方向發(fā)展 主要研究內(nèi)容集中在以下幾個方面 工業(yè)機械手的優(yōu)化設計技術 探索新的高強度輕質(zhì)材料 進一步提高負載 自 重比 同時機構向著模塊化 可重構方向發(fā)展 機械手控制技術 重點研究開放式 模塊化控制系統(tǒng) 人機界面更加友好 語言 圖形編程界面正在研制之中 機械手控制器的標準化和網(wǎng)絡化 以及基 于 PC 機網(wǎng)絡式控制器己成為研究熱點 編程技術除進一步提高在線編程的可 操作性之外 離線編程的實用化將成為研究重點 多傳感器系統(tǒng) 為進一步提高機械手的智能和適應性 多種傳器的使用是其 問題解決的關鍵 其研究熱點在于有效可行的多傳感器信息融合算法 特別是 在非線性及非平穩(wěn) 非正態(tài)分布的情形下的多傳感器信息融合算法 另一個問 題就是傳感系統(tǒng)的實用化 機械手的結構靈巧 控制系統(tǒng)愈來愈小 二者正朝著一體化方向發(fā)展 機械手遙控及監(jiān)控技術 半自主和自主技術 多個機械手和操作者之間的協(xié)調(diào) 控制 通過網(wǎng)絡建立大范圍內(nèi)的機械手遙控系統(tǒng) 在有時延的情況下 建立預 先顯示進行遙控等 虛擬機械手技術 基于多傳感器 多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術 實現(xiàn) 機械手的虛擬遙操作和人機交互 多智能體調(diào)節(jié)控制技術 這是目前機械手研究的一個嶄新領域 主要對多智 能體的群體體系結構 相互間的通信與磋商機理 感知與學習方法 建模和規(guī)劃 群體行為控制等方面進行研究 軟機械手技術 主要用于醫(yī)療 護理 休閑和娛樂場合 傳統(tǒng)機械手設計未 考慮與人緊密共處 因此其結構材料多為金屬或硬性材料 軟機械手技術要求 其結構 控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機械手意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全 機器人對人是友好的 仿人和仿生技術 這是機械手技術發(fā)展的最高境界 目前僅在某些方面進行 一些基礎研究 總結 就本次設計而言 我在所掌握的資料的基礎上 增加了對液壓缸設計過程 以及機械手手部和手腕結構的分析和液壓控制系統(tǒng)的原理 這使我加深了對液 壓系統(tǒng)和有關機械手知識的認識和理解 鞏固了以前書本上的理論知識 最重 要的是 在這次設計中 我學會了液壓設計的步驟以及分析和解決問題的方法 開闊了視野 增加了自己的知識面 同時也鍛煉了自己獨立思考和實際動手的 能力 但是 在這次設計中也存在著一些不可避免的欠缺和不足 主要是因為缺 少設計經(jīng)驗 對許多的細節(jié)問題考慮不周 希望老師給予批評和指導 我會在 以后的學習和設計工作中不斷的完善和糾正自己 努力的提升自己的專業(yè)素質(zhì) 參考文獻 1 董林福 趙艷春 液壓與氣壓傳動 M 沈陽 化學工業(yè)出版社 2006 15 36 2 章宏甲 黃誼 液壓傳動 M 上海 機械工業(yè)出版社 2007 27 59 3 成大先 機械設計手冊 M 沈陽 化學工業(yè)出版社 2008 12 31 4 孫志禮 冷興聚 魏延剛等 機械設計 M 沈陽 東北大學出版社 2000 19 25 5 王承義 機械手及其應用 M 北京 機械工業(yè)出版社 1981 13 78 6 加藤一郎 機械手圖冊 M 上海 上?？茖W技術出版社 1979 27 42 7 劉朝儒 彭福蔭 高政一 機械制圖 M 北京 高等教育出版社 2002 25 30 8 劉鴻文 材料力學 M 北京 高等教育出版社 2012 11 15