【正文】 對(duì)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)分析不應(yīng)只局限于位置控制的研究分析，對(duì)速度的控制及力的控制有待作進(jìn)一步研究 致 謝 24 致 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(wèn)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(jì)。當(dāng)中等剛度的零件相互作用時(shí)，相對(duì)位置的微小變化會(huì)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 。如今，一些機(jī)械手已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的力控制，如磨削和去毛刺。 總之，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅從機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方面，對(duì)機(jī)械手的劃分類型、構(gòu)成、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)以及自由度等方面 做出 了詳細(xì)以及明確地設(shè)計(jì)。該連接組件主要由四個(gè)部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺(tái)和扣罩，如圖 36 所示，采用雙向推力球軸承可以方便地將 軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺(tái)連接，外環(huán)用扣罩固定在底座上。對(duì)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。其主要尺寸的確定如下： （ 1)缸徑 D 的計(jì)算 取 d/D=，依據(jù)公式 (33)，取 P=， ?= 計(jì)算，即 mmpF A ??? ?? (2)耗氣量計(jì)算 水平缸缸徑 D=32mm，行程 S=70mm。氣缸動(dòng)態(tài)性能要求一般，工作頻率較低時(shí)，可取 ～。對(duì)手臂結(jié)構(gòu)的要求：一是重量盡量輕，以達(dá)到動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)速度高、節(jié)約材料和動(dòng)力，同時(shí)減少運(yùn)動(dòng)的沖擊；二是要有足夠的剛度， 以保證運(yùn)動(dòng)精度和定位精度。 (2) 手指應(yīng)具有一定的張開(kāi)范圍，以便于抓取工件。它的作用是根據(jù)偏差信號(hào)大小改變補(bǔ)償流量增益的變化，確保氣缸定位精度的穩(wěn)定。 由于電氣元件具有多方面的適應(yīng)性，信號(hào)的檢測(cè)、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(dòng)伺服系統(tǒng)中的輸入量以電信號(hào)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。 1放大器 2電氣伺服閥 3氣缸 4機(jī)械手手臂 5齒輪齒條機(jī)構(gòu) 6電位器 7步進(jìn)電機(jī) 圖 31 機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)電氣 氣壓伺服系統(tǒng)原理圖 機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)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(jìn)電機(jī)帶動(dòng)電位器的動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度 (假定為順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng) )，動(dòng)觸頭偏離電位器中位，產(chǎn)生微弱電壓，經(jīng)放大器放大后，輸入給電氣伺服閥的第三章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 控制線圈，使伺服閥產(chǎn)生一定的開(kāi)口量。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 第 三 章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械手伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本課題機(jī)械手要求能實(shí)現(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)、升降等的動(dòng)作，每一個(gè)動(dòng)作都是由電氣 氣壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的，其原理相同。 普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需要用減速機(jī)構(gòu)來(lái)獲得較大的輸出力矩 ,但是因?yàn)槠鋺T性力矩比較大，所以要實(shí)現(xiàn)精確控制比較困難，適用于重型機(jī)械的控制。 A手動(dòng)擺動(dòng)氣缸 B升降氣缸 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(jī)構(gòu) 5定位擋塊 圖 24 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 (4)液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過(guò)載保護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。 總計(jì) 第二章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 9 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 本方案采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，機(jī)械手包括以下幾個(gè)模塊：立柱、手臂、小臂、手腕和手爪幾個(gè)模塊。使機(jī)械手正對(duì)刀架。即機(jī)械手均運(yùn)動(dòng)到水平和豎直方向上的極限位置。所以，機(jī)械手總共具有四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。 (3) 可以在水下等要求比較低的工作條件下工作。 球坐標(biāo)型 (1) 工作范圍較大的地方在中心支架附近。 (4) 因其移動(dòng)空間比較大，側(cè)該機(jī)構(gòu)占用空間大。 機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式如圖 21 所示 : 按機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式分類 由于工作的需要，特將機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了如下分類： (l)以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 (2)以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 (3)直接用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 (4)將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)動(dòng)力傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式叫做機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。 按機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式分類 (1)直角坐標(biāo)式機(jī)械手手臂 具有 X、 Y、 Z 三個(gè)方向上的自由度，即分別可以沿 X、 Y、 Z 三個(gè)直角坐標(biāo)軸的方向上往返運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制造成 本較低，適用于動(dòng)作比較簡(jiǎn)單且工作量比較大的場(chǎng)合。由于自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，特別是機(jī)器人的發(fā)展，讓機(jī)器人反映更加靈敏，機(jī)械精度更高，完全可以跟上比較緩慢的流水線，這樣 是整個(gè)流水線更加有秩序。為了提 高生產(chǎn)率，我們特意設(shè)計(jì)了應(yīng)用性比較廣泛的自動(dòng)換刀機(jī)械手，從減輕工人的機(jī)械式體力勞動(dòng)。 為了把機(jī)械手和機(jī)床的有機(jī)結(jié)合在一起，機(jī)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(gè)重要組成部分。是機(jī)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(qiáng)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(shuō)機(jī)械手是工具進(jìn)化的產(chǎn)物。當(dāng)產(chǎn)品的使用性能發(fā)生變化時(shí)，我們可 以根據(jù)需要對(duì)部分模塊進(jìn)行修改或從新改造，這樣即節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，又提供了設(shè)計(jì)效率。 編號(hào) 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)論文 題 目 自動(dòng)換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 徐忠遙 學(xué) 號(hào) 42021137 系 部 電氣工程系 專 業(yè) 機(jī)電一體化 班 級(jí) 420211 指導(dǎo)教師 薛嵐 顧問(wèn)教師 揭志遠(yuǎn) 二 〇 一三 年 十 月摘 要 I 摘 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(shí)間大大降低了，極大的提高了生產(chǎn)效率。 經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)械手在結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方面上的分析后，采用電氣 — 氣壓伺服控制技術(shù)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)執(zhí)行元件根據(jù)電氣控制信號(hào)的要求，驅(qū)動(dòng)負(fù)載元件執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在機(jī)械加工、自動(dòng)換刀、流水線上生產(chǎn)及裝配、上下料等。它主要應(yīng)用在中小批量的生產(chǎn)，它可以省去工件運(yùn)輸工具。 在現(xiàn)在的機(jī)械加工中，機(jī)械手手的普遍應(yīng)用具有十分重要的意義。 綜上所述，機(jī)械手使以后的工作更加有效率，是未來(lái)機(jī)械工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。它通常安裝到某種機(jī)器或生產(chǎn)線上，用來(lái)自動(dòng)傳送物件或夾持某種工件或刀具等操作功能。我叫做機(jī)械手的前后伸縮、上下升降和左右移動(dòng)。 綜合各種技術(shù)要求，我們選用圓柱坐標(biāo)型氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。 (5) 必須在較大的空間進(jìn)行安裝。 (2) 直線驅(qū)動(dòng)部分存在密封性差的情況。 (4) 電動(dòng)機(jī)比較容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的提供。圖 22 為機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖。為了機(jī)械手和刀具恰好對(duì)齊，本控制系統(tǒng)采用刀座編碼法對(duì)各種刀具進(jìn)行編碼，并根據(jù)需要使刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)適適當(dāng)?shù)慕嵌取? (7)豎直下降、松開(kāi) —— 小臂升降機(jī)構(gòu)下行 30mm，將刀具放在刀架上，同時(shí)手部機(jī)構(gòu)松開(kāi)工件。為了滿足 4 個(gè)自由度的要求，本機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)形式。 但液壓系統(tǒng) 由于 產(chǎn)生泄露而 造成 運(yùn)動(dòng)精度 不高 。伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)因其輸出力 矩較小，側(cè)控制性能相對(duì)較好，可以對(duì)速度和位置的精確控制，適用于中、小規(guī)模的機(jī)器中。下面以機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)為例闡述伺服系統(tǒng)的工作原理。這時(shí)，壓縮空氣經(jīng)閥的開(kāi)口進(jìn)入氣缸的左腔，推動(dòng)活塞桿連同機(jī)械手手臂一起向右運(yùn)動(dòng)。它是利用電磁力作用在轉(zhuǎn)換元件的可動(dòng)部件上，通過(guò)其中的彈性元件轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰疲ㄟ^(guò)此位移淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 來(lái)調(diào)節(jié)氣動(dòng)放大器 (放大元件 )的節(jié)流面積，從而控制通過(guò)氣動(dòng)放大器的氣體壓力或流量。另外，采用噴嘴擋板控制的菌狀提動(dòng)閥，抗污染性能強(qiáng)，不容易堵塞。 (3) 在保證本身剛度，強(qiáng)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(fù)載。手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。 當(dāng)活塞桿輸出拉力克服載荷做功時(shí) dFpD 224 ?? ?? （ 32） 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。時(shí)間 t=，依據(jù)公式 (34)，得： st SQ mD /24 342 10 ???? ? 立柱升降模塊 立柱是安裝在與基座連接的轉(zhuǎn)臺(tái)之上，用以支撐手臂并帶動(dòng)它升降和移動(dòng)的機(jī)構(gòu)?；Y(jié)構(gòu)從形式上可分為落地式和懸掛式，或分為固定式、可移動(dòng)式和行走式。另外，推力軸承要選擇公稱尺寸相對(duì)較大一些的，這樣可以更好地承受傾覆力矩。同時(shí)，在此之前，還 做了大量的方案，這對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程提供了很大的助力。顯然工業(yè)機(jī)械手的下一個(gè)大量應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì) 是在裝配線作業(yè)中執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)零件的裝配任務(wù)。 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡的生成 為了進(jìn)一步提高機(jī)械手的通用性，就要解決如何通過(guò)人機(jī)交互指定機(jī)械手通過(guò)空間的一條軌跡或路徑。薛老師以其淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求實(shí)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。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。 由于使用相對(duì)測(cè)量方法，機(jī)械手和被操作對(duì)象的絕對(duì)位置誤差不像它們?cè)诩兾恢每刂葡到y(tǒng)中那樣重要了。由于時(shí)間的限制，一些問(wèn)題未來(lái)得及研究，具體有： 機(jī)械手的力控制問(wèn)題 當(dāng)機(jī)械手在空間跟蹤軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，可采用位置控制，但當(dāng)末端執(zhí)行器與機(jī)械手工作環(huán)境發(fā)生碰撞時(shí)，純粹的位置控制已經(jīng)不適用了。執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍使用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，與傳統(tǒng)氣壓驅(qū)動(dòng)不同的是，運(yùn)用電氣伺服閥實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的伺服系統(tǒng)控制，由齒輪齒條機(jī)構(gòu)檢測(cè)到機(jī)械手的位移，通過(guò)電位器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，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。所以采用一個(gè)連接組件，將機(jī)械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機(jī)架來(lái)承擔(dān)。 表 擺動(dòng)氣缸的比較 品種 體積 質(zhì)量 改變擺動(dòng)角 的方法 設(shè)置緩沖裝置 輸出力矩 泄露 擺動(dòng)角度范圍 最低使用壓力 擺動(dòng)速度 用于中途停止?fàn)顟B(tài) 齒輪齒條式 較大 較大 改變內(nèi)部或外部擋塊位置