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氣動通用上下料機械手的設計
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- 氣動通用上下料機械手的設計
目錄
1 緒論 1
1.1 機械手概述 1
1.2 機械手的組成和分類 2
1.2.1 機械手的組成 2
1.2.2 機械手的分類 4
1.3 國內外發展狀況 6
1.4 課題的提出及主要任務 8
1.4.1 課題的提出 8
1.4.2 課題的主要任務 9
2 機械手的設計方案 10
2.1 機械手的座標型式與自由度 10
2.2 機械手的手部結構方案設計 10
2.3 機械手的手腕結構方案設計 10
2.4 機械手的手臂結構方案設計 10
2.5 機械手的驅動方案設計 11
2.6 機械手的控制方案設計 11
2.7 機械手的主要參數 11
2.8 機械手的技術參數列表 11
3 手部結構設計 14
3.1 夾持式手部結構 14
3.1.1 手指的形狀和分類 14
3.1.2 設計時考慮的幾個問題 14
3.1.3 手部夾緊氣缸的設計 15
3.2 氣流負壓式吸盤 18
4 手腕結構設計 21
4.1 手腕的自由度 21
4.2 手腕的驅動力矩的計算 21
4.2.1 手腕轉動時所需的驅動力矩 21
5 手臂結構設計 25
5.1 手臂伸縮與手腕回轉部分 25
5.1.1 結構設計 25
5.1.2 導向裝置 26
5.1.3 手臂伸縮驅動力的計 26
5.2 手臂升降和回轉部分 27
5.2.1 結構設計 27
5.3 手臂伸縮氣缸的設計 28
5.4 手臂伸縮、升降用液壓緩沖器 31
5.5 手臂回轉用液壓緩沖器 32
6 結論 33
參考文獻 34
致謝 36
1 緒論
1.1 機械手概述
工業機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。
機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業自動化水平的重要標志。
機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環境狀態的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續工作、精確度高、抗惡劣環境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業以及非產業界的重要生產和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。
機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業生產中應用的機械手被稱為“工業機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業、交通運輸業等方面得到越來越廣泛的引用[1]。
機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業技術的發展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用[2]。
1.2 機械手的組成和分類
1.2.1 機械手的組成
機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。各系統相互之間的關系如方框圖1.1所示。
圖1.1機械手的組成方框圖
(一)執行機構
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
1、手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型�；剞D型手指結構簡單，制造容易構件，故應用較廣泛平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母多，式彈簧式和重力式等。
附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產生電吸磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。
對于導磁性的環類和帶孔的盤類零件，以及有網孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產生。
用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數量、吸附力大小，根據被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式。
2、手腕
是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)。
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。
手臂可能實現的運動如下:
手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產生的慣性力矩，使運動部件受力狀態簡單。
導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導向型式。
4、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
5、行走機構
當工業機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現工業機械手的整機運動。滾輪式行走機構可分為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。
6、機座
機座是機械手的基礎部分，機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。
(二)驅動系統
驅動系統是驅動工業機械手執行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調節裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四中形式。
（三）控制系統
控制系統是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前工業機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成�？刂葡到y有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。
(四)位置檢測裝置
控制機械手執行機構的運動位置，并隨時將執行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執行機構以一定的精度達到設定位置[3]。
1.2.2 機械手的分類
工業機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統等進行分類。
(一)按用途分
機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:
1、專用機械手
它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大附屬，如自動機床、自動線的上、下料機械手和‘加工中心”批量的自動化生產的自動換刀機械手。
2、通用機械手
它是一種具有獨立控制系統的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。通過調整可在不同場合使用，驅動系統和格性能范圍內，其動作程序是可變的，控制系統是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。
通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:伺服型具有伺服系統定位控制系統， 可以點位控制，也可以實現連續軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數控類型。
(二)按驅動方式分
1、液壓傳動機械手
是以液壓的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅動系統，可實現連續軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。
2、氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是:介質來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環境中進行工作。
3、機械傳動機械手
即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。
4、電力傳動機械手
即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發展前途。
(三)按控制方式分
1、點位控制
它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數多，則必然增加電氣控制系統的復雜性。目前使用的專用和通用工業機械手均屬于此類。
2、連續軌跡控制
它的運動軌跡為空間的任意連續曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現平穩和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統復雜。這類工業機械手一般采用小型計算機進行控制[4]。
1.3 國內外發展狀況
國外機器人領域發展近幾年有如下幾個趨勢:
(1)工業機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。
(2)機械結構向模塊化、可重構化發展。例如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化:由關節模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。
(3)工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。
(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統中已有成熟應用。
(5)虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業環境中的感覺來操縱機器人。
(6)當代遙控機器人系統的發展特點不是追求全自治系統，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統構成完整的監控遙控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統成功應用的最著名實例。
(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距;在應用規模上，我國己安裝的國產工業機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩定。因此迫切需要解決產業化前期的關鍵技術，對產品進行全面規劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發應用上開展了不少工作，有了一定的發展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中[5]。
1.4 課題的提出及主要任務
1.4.1 課題的提出
隨著工業自動化程度的提高，工業現場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產以及輕工業生產中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費時費力，又影響效率。為此，我們把上下料機械手作為我們研究的課題。
現在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點:
(1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執行部分的運動平穩性及正確性。
(2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。
(3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產生噪聲。
(4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護需要較高技術水平。
鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動，氣動技術有以下優點:
(1)介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器：介質清潔，管道不易堵塞不存在介質變質及補充的問題。
(2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。
(3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統也能實現過載保護，便于自動控制。
(4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。
(5)工作環境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環境中，氣壓傳動與控制系統比機械、電器及液壓系統優越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。
(6)成本低廉。由于氣動系統工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質和加工精度要求，制造容易，成本較低。
傳統觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統中要實現高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術作為機器人中的驅動功能已有部分被工業界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮[6]。
1.4.2 課題的主要任務
本課題將要完成的主要任務如下:
(1)機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面必須更廣。
(2)選取機械手的座標型式和自由度。
(3)設計出機械手的各執行機構，包括:手部、手腕、手臂等部件的設計。為了使通用性更強，手部設計成可更換結構，既可以用夾持式手指來抓取棒料工件，又可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。 ...
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