氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)

- 1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- 2摘 要?dú)?動(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 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 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 。- 3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(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)- 41 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(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 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 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(shí) 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(diǎn) 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(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 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(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 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 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(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 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 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 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 開 始 研 制 的 。 1958 年 美 國 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 臂 ， 端 部 裝 有 電 磁 鐵 的 工 件 抓 放 機(jī) 構(gòu) ， 控 制 系- 5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(tái) 數(shù) 控 示 教 再 現(xiàn)型 機(jī) 械 手 。 商 名 為 Unimate(即 萬 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 的 。 同 年 該 公 司 和 普 魯 曼 公 司 合 并 成 立 萬 能 自 動(dòng) 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(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 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(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 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 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(yùn) 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(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 家 。 自 1969 年 從 美 國 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 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 50%。 智 能 機(jī) 械 手 約 為 17 億- 6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 。 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 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 、 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(dú) 立 地 完 成 工 作 過 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 際 性 學(xué) 術(shù) 交 流 活 動(dòng) 十 分活 躍 ， 歐 美 各 國 和 其 他 國 家 學(xué) 術(shù) 交 流 活 動(dòng) 開 展 很 多 。1.2 機(jī)械手的分類目 前 對(duì) 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(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 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 、 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- 7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 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 。- 8a） 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(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 。- 9（ 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 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 數(shù) 值 、 語 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 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) - 10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 要工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)智能系統(tǒng)腕部腰部臂部基座部（固定或移動(dòng)）電、液或氣驅(qū)動(dòng)裝置單關(guān)節(jié)伺服控制器關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換計(jì)算機(jī)感覺裝置子視覺裝置子語言識(shí)別裝置手部- 11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) ?？?制 系 統(tǒng) 一 般 有 控 制 計(jì) 算 機(jī) 和 伺 服 控 制 器 組 成 。 控 制 系 統(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 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 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 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(dòng) 化 程 度- 12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 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 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 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 。- 132 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)劃機(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 始 ，經(jīng) 過 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 一 定 的 算 法 搜 索 一 條 無 碰 撞 的 機(jī) 械 手 運(yùn) 動(dòng) 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(diǎn) ， 再 通 過 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 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 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 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 程 實(shí) 際 上 是 一 個(gè) 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(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 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 。- 14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 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 ， 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 題 轉(zhuǎn) 化 為 “旅 行 商 問 題 ”(TSP)來 解決 。 即 機(jī) 械 手 從 起 始 點(diǎn) 開 始 ， 經(jīng) 過 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 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(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 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 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(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 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 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(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 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 時(shí) 。 首 先 檢 測 兩 者 的 包 圍 盒 是 否 相 交 ， 若不 相 交 。 則 說 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 。 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(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 。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- 15不 僅 需 要 判 斷 有 無 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 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 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(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 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 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 。- 16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 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 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 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 為 結(jié) 構(gòu) 簡 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- 17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 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 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 控 制 進(jìn) 出 口 空 氣 流 量 的 大 小 來 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 化 控 制 線 路 ，節(jié) 省 成 本 ， 又 可 以 提 高 勞 動(dòng) 生 產(chǎn) 率 。- 183.1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)來選擇,控制平移運(yùn)動(dòng)的氣缸的性能一定滿足要求。- 19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LGB80*150LB,控制前后運(yùn)動(dòng)的氣缸型號(hào)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(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。可初選缸徑為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LGB100*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(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- 20圍,確定氣動(dòng)三聯(lián)件的型號(hào)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(jì) 的 氣 動(dòng) 機(jī) 械 手 結(jié) 構(gòu) 比 較 簡 單 ， 功 能 比 較 簡 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 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 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 閉 型 氣 爪 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 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 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 ！- 21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 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) 的 治 學(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 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 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 為 它 是我 用 心 、 用 汗 水 成 就 的 ， 也 是 我 在 大 學(xué) 三 年 來 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 。- 22參考文獻(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）有限公司. 現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.108徐文燦著. 氣動(dòng)元件及系統(tǒng)設(shè)計(jì). 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(jì) 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(jì). 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2006.1 第 1 期12孫兵,趙斌,施永輝.物料搬運(yùn)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.單臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手設(shè)計(jì).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(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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(jì)手冊(cè)（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(gè)關(guān)節(jié)上設(shè)置驅(qū)動(dòng)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.4.1993- 2320張利平 液壓氣動(dòng)技術(shù)