【正文】 .................................................................... 37 參考文獻 .................................................................. 38 致謝 ...................................................................... 39 氣動指揮機械手臂設(shè)計 1 1 前言 機械手的發(fā)展史 機械手首先是從美國開始研制的。 **** 2020 年 6 月 Bachelor Degree Dissertation No： ****** Design on Mechanical Arm Controlled by Pneumatic Transmission Student: *** Supervisor: *** College: Engineering College Speciality: Mechanical design and manufacture and automatization Direction: Fluid transmission control ******* ***** ADAMS simulation。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從 1970 年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。 (3) 多傳感器系統(tǒng) :為進一步提高機械手的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的 配合 使用是其問題解決的關(guān)鍵。當(dāng)前我國機械手的生產(chǎn)幾乎都是應(yīng)用戶 要求，“一個客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周 期長、成本高， 且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn) 定。 (3) 編成簡單，使用方便 PLC 提供了多種面向用戶的編成語言，常用的有梯形圖、指令語句等，其中梯形圖語言與繼電器控制系統(tǒng)的電氣原理圖類似，很容易掌握。機械手臂的運動過程如圖（ 3— 2）所示。 氣動指揮機械手臂設(shè)計 15 圖 3— 11 E 缸位移曲線 根據(jù)圖（ 3— 11）中的曲線可以得出， E 缸的幅值為 32mm，其控制部分為手掌的擺動 。 圖 4— 1 邏輯原理圖 以 B 缸為例，在得到啟動信號 q 以后， B 的氣缸活塞桿伸出，在經(jīng)過 后縮回，同樣在經(jīng)過 后，氣缸活塞桿再次伸出，如此循環(huán)運動。其主要技術(shù)性能參數(shù)如下表（ 5— 6）所示，其 裝配圖 如圖（ 5— 5）。 (5) PLC 控制，在明確所有運動關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過編寫 PLC 程序?qū)刂葡到y(tǒng)進行設(shè)計，從而實現(xiàn)自動化控制，使運動更加靈活，精確。 不僅拓寬了我的知識面，還使我分析問題、解決問題的能力也得到很大提高。 初始位置程序的編寫 圖 6— 1 初始位置的 PLC 程序圖 在機械手進行循環(huán)動作之前， 先要將其各個部分運動到指定位置，所以在運動伊始要進行初始位置調(diào)節(jié) ，如圖（ 6— 1）所示為其梯形圖，按照 PLC 接線圖（ 6— 2）所示，其順序氣動指揮機械手臂設(shè)計 29 動作描述如下： 常按 SB0 不放 —— X0 閉合 —— M0、 M M M M T200、 T20 T20 T20T204 得電 —— M0、 M M M M4 閉合 —— Y Y Y Y Y10 得電 —— KMKM KM KM KM9 得電 —— 電磁繼電器開關(guān) KM KM KM KM KM9 閉合，YA YB YC YD YE0 得電 —— A、 B、 C、 D 缸活塞桿 縮回， E 缸活塞桿伸出 ——延時 一定時間 后， T200、 T20 T20 T20 T204 常閉開關(guān)斷開，各活塞桿停止運動。當(dāng) YB0 得電時，電磁換向閥處于右位，壓縮空氣由氣缸右端進入并推動活塞，從而使氣缸活塞桿縮回。同時通過對運動的模擬，初步得到相關(guān)數(shù)據(jù)，這 為 接下來 氣缸的 選擇和 PLC 程序編制 奠定 了 基礎(chǔ)。 因為在實際的操作過程中無法輸出正弦信號，所以這里只對氣缸作近似計算，選其 有效值 作為參照標準，從圖（ 3— 4）中的曲線可以得出其 有效 速度是 。 氣動指揮機械手臂設(shè)計 6 機械手臂的精度、重復(fù)精度和分辨率 因為是模擬人的指揮動作，所以對精度要求并不高， 但是需要重復(fù)的運動 ，因為重復(fù)的精度越高，指揮動作的可重復(fù) 次數(shù)也就越多，所以要求還是要盡可能的提高重復(fù)精度。 機械手臂的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計 機械手臂的自由度 要想達到模仿人類的音樂指揮動作，通過仿生原理我最終采用 5 自由度的機械手臂來完成這一動作，其機器人機構(gòu)簡圖如圖（ 2— 1）。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。 第二代機械手正在加緊研制。 1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。 氣動指揮機械手臂的整體設(shè)計 主要針對機械手臂的自由度、工作空間、工作速度、控制方式和驅(qū)動方式進行講述； 機械手臂的模擬運動將利用 ADAMS 運動仿真 軟件進行運動分析和數(shù)據(jù)采集 ； 氣動回路設(shè)計中將 針對模擬結(jié)果的要求 對系統(tǒng)的氣動部分進行設(shè)計，并在后面 的章節(jié)中對氣動元件進行選型； 最后的手臂控制部分設(shè)計中，采用了 可編程控制器（ PLC） 控制的方法來 實現(xiàn) 各氣缸的順序 和周期 動作。 Working speed。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 (2) 機械手控制技術(shù) :重點研究開放化 ，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。機械手應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域 還 比較 窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距 。 機械手臂的控制方式 由于是要求同時控制 五 個氣缸的運動，而且對運動的周期還有較高要求，所以我選擇用PLC 進行控制。如圖（ 3— 1）所示，在用軟件進行模擬的過程中，可以通過改變各氣缸的運動方程來調(diào)節(jié)各部分的運動，用改變調(diào)節(jié)運動選項中 STEP SIZE和 END TIME 的方法 調(diào)整 整體 運動的速度 和仿真運動的時間 ，從而配合每種不同速度的音樂。 氣動指揮機械手臂設(shè)計 14 圖 3— 9 D 缸隨時間的角度變化曲線 根據(jù)圖（ 3— 9）中曲線可以得出， D 的轉(zhuǎn)動角度幅值 57deg，其控制部分為 手腕 的轉(zhuǎn)動。 C 缸對應(yīng)的是 O3 處的運動。 對 E 缸的選取 通過模擬試驗， E 缸是與指揮桿直接接觸的汽缸，其運動的幅值較小為 32mm， 故選取與B 缸同一系列的汽缸，其裝配圖如圖（ 5— 2），其基本外型尺寸如表（ 5— 5） 表（ 5— 5） 汽缸 E 基本尺寸 通過以上數(shù)據(jù)知， E 缸耗壓縮空氣量 Q壓 =103 *A*s*n= cm3 /min 對電磁換向閥進行選型 由于機械手臂是在無載荷 （只有自重） 條件 下工作，所以工作壓力 較 低，根據(jù)這種情況選擇 QDC 系列的三位五通電磁換向閥，其型號為 Q25D2C6，主要技術(shù)參數(shù)如下： 公稱通徑為 6mm 有效截面積 大于 5mm2 工作介質(zhì)為經(jīng)過濾的壓縮空氣、 有無潤滑均可 工作壓力范圍 — 溫度范圍是 10— 55oC（ 不結(jié)冰條件下） 換向時間 小于 工作電壓為 AC： 220/50Hz DC： 24V 電壓波動范圍 15— +10V 電功率為 3W，其外形及安裝尺寸如圖（ 5— 4）所示。 (2) 進行系統(tǒng)模擬仿真，通過仿真過程優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，并從中獲得重要數(shù)據(jù)，如 ：氣 缸運動位移、速度、加速 度等主要參數(shù)，為 氣缸 的選型和 PLC 電路設(shè)計做準備。借此論文成稿之時向辛勤培育我的各位老師致以衷心的感謝。 圖 6— 3 A 缸的 PLC 控制程序 機械手臂大臂、肘部、腕部的轉(zhuǎn)動 這三個部位的循環(huán)動作和 A 缸相同，只不過他們的運動周期 各不相同 ， 因此 只有延時數(shù)值有所變化，具體梯形圖如圖（ 6— 4）、圖（ 6— 5）、圖（ 6— 6） 、圖（ 6— 7） 。 氣動指揮機械手臂設(shè)計 21 5 氣動元件的選型 對運動氣缸的選型 對 A 缸的選取 對氣缸 A 的外形沒有要求，它本身被安置在機器人身體內(nèi)部， 但在運動過程中需要承受整個手臂的自重 ， 需要選擇一個扭矩比較大的，且成本較低的 。進氣和出氣口下分別接入了調(diào)速閥， 以便 調(diào)節(jié)氣缸往復(fù)運動時的速度。 根據(jù)圖（ 3— 6）中的曲線可以得出其 有效 速度是 。 ADAMS 研究復(fù)雜系統(tǒng)的運動學(xué)關(guān)系 和動力學(xué)關(guān)系，它以計算多體系統(tǒng)動力學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合高速計算機 對產(chǎn)品進行仿真計算，得到各種試驗數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計者發(fā)現(xiàn)問題和 解決問題。自由度的選擇與生產(chǎn)要求有關(guān)，若批量大，操作可靠性要求高，運行速度快，機器人的自由度數(shù)可少一些； 但是 如果要便于產(chǎn)品更換，增加柔性，機器人的自由度要多一些。 (9) 仿人和仿生技術(shù) :這是機械手技 術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進行 了 一些基礎(chǔ) 性 研究。 第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 Designing the system of pneumatic。 Choosing the type of the pneumatic ponent。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司 ,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)。 國內(nèi)發(fā)展狀況 國內(nèi)機械行業(yè)應(yīng)用的機械手絕大部分為專用機械手，附屬于某一設(shè)備，其工作程序是固定的，通用機械手也有所發(fā)展 。 機械手臂的工作空間設(shè)計 對于擬人的指揮手臂而言，工作空間應(yīng)盡 量 參考人的運動范圍，根據(jù)人的指揮手臂的動作要求 和人機工程學(xué)的相關(guān)原理 ，制定機械手臂的工作空間，這一過程我將應(yīng)用 ADAMS動態(tài)仿真軟件完成，從 而設(shè)計出合理的工作空間。 應(yīng)用