【文章內(nèi)容簡介】 要是空氣 ， 通過空氣壓縮產(chǎn)生的氣壓進(jìn)行控制 的一門技術(shù)， 主要是氣動控制 和 氣壓傳動 兩 部分 內(nèi)容 [17， 18]。 氣動技術(shù)突破原有理念，在汽車、機(jī)械、醫(yī)療等多個領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用 [19] ，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的成套設(shè)備和自動化生產(chǎn)線上。 液壓 與 氣動 是兩種應(yīng)用廣泛的傳動技術(shù)，兩者相對比，各有優(yōu)缺點，氣動技術(shù)相對于液壓技術(shù)具有以下優(yōu)點： 1． 以空氣為介質(zhì)，成本低廉、取用方便，使用安全性高，適用于易燃易爆等場合， 2． 綠色環(huán)保，空氣使用后可直接排放，不會造成二次污染，配件 價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，使用更換成本較低。 3． 維護(hù)修理簡單，勞動者不需通過高端培訓(xùn)即可熟練掌握。 4． 氣缸具有模塊性，方便對現(xiàn)有機(jī)器進(jìn)行改裝。 5． 能夠儲存能量，以便應(yīng)急使用。 6． 自身具備過載保護(hù)。能持續(xù)進(jìn)行工作，過載工作時能自動減壓（泄氣）而停止工作，充氣加壓后可繼續(xù)工作，不會對機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。 7． 運動速度較高。 氣動技術(shù) 相對于液壓技術(shù) 缺點 如下 ： 1． 壓縮空氣 使用前 需要進(jìn)行 過濾，除去其雜質(zhì)并進(jìn)行干燥 。 2． 系統(tǒng)使用壓縮 空氣效率 相對 較 低，穩(wěn)定性 相對較 差， 不利于進(jìn)行精確的位置控制和速度控制。 3． 設(shè)備運轉(zhuǎn)時 產(chǎn)生較大噪音 。 4． 信號 傳遞速度 相對較 低，延遲 、 失真 情況明顯 ，不宜用于 需要 高速 、精確 傳遞， 信號傳送距離有限 。 國外將氣動稱為“廉價技術(shù)、自動化技術(shù)”。氣動裝置在現(xiàn)今自動化工業(yè)中地位十分重要。氣動技術(shù)具有抗燃、無污染、原料易獲得等優(yōu)點，得到了越來越廣泛的關(guān)注和研究 [20]，由于氣動技術(shù)本身具備的特性 ， 特別是其優(yōu)點突出，使其 在各 工業(yè) 自動化 部門 應(yīng)用日益廣泛 。 氣動技術(shù) 與 液壓 、電器 等新興 技哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 8 術(shù) 共同 成為自動化生產(chǎn) 中廣泛應(yīng)用 的 先進(jìn) 技術(shù) 。 其 發(fā)展趨勢 正在向微型化、 模塊化 方向發(fā)展 [21] 。 本文研究的主要目的和意義 自從 1953 年， 美國空軍 和 麻省理工學(xué)院 聯(lián)合研制了世界上第一臺數(shù)控機(jī)床， 自此， 經(jīng)幾十年的發(fā)展數(shù)控機(jī)床已從 最初的 單坐標(biāo)發(fā)展到三坐標(biāo)聯(lián)動，進(jìn)而到發(fā)展到 現(xiàn)今 多軸（四、五軸）聯(lián)動加工中心， 加工范圍 從單一加工功能發(fā)展到車、銑、磨等多功能綜合進(jìn)而發(fā)展到具有特種加工功能 [22]。 目前數(shù)控車床中機(jī)械手驅(qū)動方式主要是采用伺服電機(jī)驅(qū)動，也是相對成熟的驅(qū)動技術(shù)，系統(tǒng)在直線、運動、旋轉(zhuǎn)運動時能夠保證定位精度。不同功率值通過機(jī)械設(shè)計重新組合而得以實現(xiàn)，使用普及度較高。其缺點是價格高、效率低，又限制其更為廣泛的應(yīng)用?？赏ㄟ^技術(shù)革新、功能開 發(fā)、降低成本、提高效率等諸多方法 解決這一問題。 出現(xiàn)較早、應(yīng)用較廣的一種驅(qū)動器 是氣動肌肉 ，具有 質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡 、容控制 易 等優(yōu)點， 在各種機(jī)器人中應(yīng)用廣泛 。 通過氣動肌肉，變化長度較小的缺點得以克服 ，轉(zhuǎn)動位移 增大，具有仿生關(guān)節(jié) 剛度 高、 控制 獨立 等優(yōu)點 [23] 模塊化機(jī)械手 由于其 成本 低廉 、抗干擾 性能強(qiáng) 等優(yōu) 點 突出 [24]，已經(jīng) 在 數(shù)控機(jī)床中已經(jīng)得到了 廣泛 應(yīng)用 [25， 26]， 此 類氣動機(jī)械手定位精度 相對較低 ， 常用于特定零件的裝卸 。 針對 數(shù)控車床 自動裝卸機(jī)械手的研究相對較少。 本課題 著眼于大跨度結(jié)構(gòu)、氣動驅(qū)動、模塊化安裝的平面坐標(biāo)式 自動裝卸機(jī)械手 ，經(jīng)過 前期的研究，主要崔在兩個難點： l． 考慮到實際機(jī)床的尺寸，氣缸結(jié)構(gòu)跨度較大，由于數(shù)控機(jī)床中對工件精度的要求，還要保證其定位精度，需要氣缸進(jìn)行多位置高精度定位，包括大跨度位移氣缸中保證精度的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的問題需要研究和驗證。 2． 根據(jù)氣動機(jī)械手在數(shù)控車床上應(yīng)用的情況 ，對氣缸 安裝方式 進(jìn)行了設(shè)計 ， 后經(jīng)計算，當(dāng)超額定負(fù)載情況下運行時此安裝方式有可能會造成氣缸側(cè)翻，后又進(jìn)行計算分析，對氣缸的安裝形式進(jìn)行了改進(jìn)，為氣缸的正常工作從結(jié)構(gòu)上提供了安全保障，擴(kuò)展了氣缸的使用范圍。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 9 本文 的主要內(nèi)容 本課題 針對通用性中端數(shù)控車床進(jìn)行研究，開發(fā)出一套一模塊化設(shè)計理念為中心的氣動機(jī)械手， 研究內(nèi)容主要有以下四個方面： 1． 分析 常見 模塊化 機(jī)械手 的組成分類及設(shè)計選材原則 從機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、位置檢測系統(tǒng)等幾方面介紹了機(jī)械手的組成。 按照用途、驅(qū)動方式、控制方式的不同對機(jī)械手進(jìn)行了分類。為本文選擇對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)提出了參考方案。 2． 華中 CK6132 數(shù)控車床用機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 通過 數(shù)控車床 具體情況，設(shè)定模塊化 機(jī)械手的 尺寸 參數(shù) ， 根據(jù) 數(shù)控 機(jī)床 工件裝卸的 特點，確定 模塊化 機(jī)械手的 設(shè)計 方案，將機(jī)械手 整體分為 三個模塊即手部模塊、腕部模塊和臂部模塊，并進(jìn)行設(shè)計組裝。 3． 機(jī)械 手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 模塊化 機(jī)械手的控制系統(tǒng) 在設(shè)計過程中 需要 考慮 到的幾個問題 ： 確保機(jī)械手有精確的定位精度 ； 機(jī)械手與機(jī)床加工工件 之間配合協(xié)調(diào)；速度適中、時間盡量縮短、成本盡量降低。 4． 機(jī)械手關(guān)鍵技術(shù)的研究 機(jī)械手的基座是具有一定高度的支架，基座的設(shè)計要綜合考慮機(jī)械手與機(jī)床 的位置不發(fā)生干涉以及足夠的剛度和強(qiáng)度，保證氣缸在運行時不發(fā)生變形。為防止快速運動下產(chǎn)生側(cè)翻，又針對此研究機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，對防側(cè)翻技術(shù)進(jìn)行了研究和分析。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 10 第 2章 機(jī)械手的組成分類 及設(shè)計 選材原則 機(jī)械手的組成 機(jī)械手由 控制部分、驅(qū)動部分、執(zhí)行部分及位置檢測部分四部分組成，之間關(guān)系 如圖 21所示 [24]。 圖 21機(jī)械手 各部分關(guān)系圖 1. 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)主要進(jìn)行機(jī)械手運動軌跡控制反饋工作?？刂葡到y(tǒng)一般分為程序控制、電機(jī)控制、機(jī)械控制等幾類。依據(jù)控制系統(tǒng)給出指令，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，并對其運行軌跡進(jìn)行反饋分析，當(dāng)產(chǎn)生錯誤，軌跡不符時產(chǎn)生報警提示。 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的裝置，通常由 控制調(diào)節(jié)器、 動力源 、 輔助裝置 等 組成。 機(jī)械傳動、氣壓傳動、 電力傳動 和 液壓傳動 均為 常用的驅(qū) 動系統(tǒng) 。 3. 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由手部、腕部、手臂三個模塊組成，根據(jù)需要還可增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 （ 1）手部模塊 主要進(jìn)行物料抓取工作。根據(jù)抓取形式的不同，分為夾持式和吸附式兩種。 夾持式手部由手指 (或手爪 )和傳力機(jī)構(gòu)構(gòu)成。平移式和回轉(zhuǎn)式兩種形式是常用的手指運動形式。回轉(zhuǎn)式由于結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，故應(yīng)用范圍較廣范。平移式手指結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，應(yīng)用較少。使用平移式手指夾持棒料時，軸心的位置不受直徑變化的直接影響，適用于直徑變化范圍較大的圓柱形物料的哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 11 夾持。被抓取物件表面形狀、抓取形式 (內(nèi)通孔或外輪廓 )、重量、 尺寸直接影響到手指結(jié)構(gòu)設(shè)計。按不同要求指形分為平面、 V形面、曲面等幾種；手指分為外夾式及內(nèi)撐式；手指指數(shù)有兩指式、三指式、多指式等。 吸附式手部由吸盤構(gòu)成，分為電磁盤式和負(fù)壓吸盤式兩類。對于重量輕、尺寸小的薄片零件、耗材，一般使用負(fù)壓式吸附盤。具有導(dǎo)磁性零件，一般采用電磁式吸盤，電磁式吸盤的吸力由電磁鐵產(chǎn)生。 （ 2）腕部模塊 手部通過腕部模塊是與手臂相連，被抓取物件通過腕部模塊來調(diào)整工件的方位和角度。 （ 3）手臂模塊 手臂模塊是用來支承手腕、手部、被抓物件。其作用是控制手部模塊抓取物料，按程序?qū)⑵溥\送到指定 位置。通常由運動部件與驅(qū)動源組合實現(xiàn)手臂運動，如下所示 : ?????????????????兩回轉(zhuǎn)運動的組合兩直線運動的組合組合。直線運動與回轉(zhuǎn)運動的復(fù)合運動、上下擺動運動?；剞D(zhuǎn)運動：如水平回轉(zhuǎn)降、橫移運動。直線運動：如伸縮、升基本運動 （ 4）立柱模塊 由立柱與手臂連接件 完成手臂的轉(zhuǎn)動和升降運動 ，一般情況下立柱為固定不動的結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計需要，也可設(shè)計為在基座上進(jìn)行水平移動，稱為移動式立柱。 （ 5）機(jī)座 機(jī)械手所有部件、驅(qū)動裝置全部安裝于機(jī)座上，起到對整個機(jī)械手結(jié)構(gòu)的固定作用。 （ 6）行走機(jī)構(gòu) 機(jī)械手工作環(huán)境較大，行程較遠(yuǎn)的情況下，通過在基座上安裝滑輪，使基座能夠帶動機(jī)械手整體進(jìn)行行走和移動，擴(kuò)大了機(jī)械手的使用半徑。 對 機(jī)械手 運動位置 進(jìn)行檢測反饋 ， 將運動的 位置 信息 反饋 到 控制系統(tǒng)， 與控制系統(tǒng)給出的指令相對比，偏出的進(jìn)行調(diào)整，保障最終位置精度要求。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 12 機(jī)械手分類 在工業(yè)自動化中廣泛應(yīng)用的機(jī)械手種類繁多 ，在此按使用范圍 不同 、驅(qū)動方式 不同 和控制系統(tǒng) 不同 進(jìn)行分類 說明 。 用途 不同 分 類 （ 1） 專用機(jī)械手 。程序 固定 ，不能進(jìn)行 無獨立控制。 一般用于特定動作指令，其 動作少、工作對象單一 ，在單件大批量 生產(chǎn) 中廣泛應(yīng)用 。 如 注塑機(jī)專業(yè)機(jī)械手等 ，如圖 22所示 。 圖 22 注塑機(jī)專用機(jī)械手 （ 2） 通用機(jī)械手 。 程序可進(jìn)行 獨立控制、動作多樣。其動作程序 在規(guī)格性能范圍內(nèi) 可 隨時調(diào)整 ， 針對不同需要 應(yīng)用于 不同場合，驅(qū)動系統(tǒng) 、控制系統(tǒng)相對 獨立 。 其動作指令可設(shè) ，工作對象 復(fù)雜，在單件小批量生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用 ，如圖 23 為通用圓形機(jī)械手。一般按機(jī)械手控制方式不同分為簡易式機(jī)械手和伺服式機(jī)械 手，一般伺服式機(jī)械手采用數(shù)控技術(shù)控制其運動 [27] 圖 23 通用圓形機(jī)械手 驅(qū)動方式 不同 分 類 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 13 （ 1） 液壓 驅(qū)動 機(jī)械手 。 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu) 是以液壓驅(qū)動運動的。其特點是 ： 抓重 較高 、 反應(yīng) 靈敏、 傳動 穩(wěn)定 。但 要求嚴(yán)格 密封裝置 的密 封性 ， 液壓 油泄漏 會產(chǎn)生 對機(jī)械手 及 周圍 環(huán)境 十分巨大 的影響， 且 成本高。 （ 2） 氣壓 驅(qū)動 機(jī)械手 。 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以壓縮空氣驅(qū)動運動的。其特點是以空氣為介質(zhì)，成本低廉、取用方便，使用安全性高，適用于易燃易爆等場合 。 綠色環(huán)保，空氣使用后可直接排放，不會造成二次污染，配件價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，使用更換成本較低。維護(hù)修理簡單，勞動者不需通過高端培訓(xùn)即可熟練掌握。氣缸具有模塊性，方便對現(xiàn)有機(jī)器進(jìn)行改裝。能夠儲存能量，以便應(yīng)急使用。自身具備過載保護(hù)。能持續(xù)進(jìn)行工作，過載工作時能自動減壓（泄氣）而停止工作，充氣加壓后可繼續(xù)工作， 不會對機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。運動速度較高。 （ 3） 機(jī)械 驅(qū)動 機(jī)械手 。 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu) 由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu) (如 連桿、 凸輪等 )驅(qū)動 運動 的。 其特點： 附屬于主機(jī) 之 上， 由工作機(jī) 械 進(jìn)行動力 傳遞 。 運動準(zhǔn) 、動作大 、 結(jié)構(gòu) 大 、 程序 固定 。 通常 用于 設(shè)備 工作主機(jī)的上 料 、下料 工作 。 （ 4） 電力 驅(qū)動 機(jī)械手 。 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu) 使用 感應(yīng)電 機(jī)、 步進(jìn)電機(jī) 或 直線電機(jī) 直接驅(qū)動運動的 。其 特點 ：無需 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) 、 簡易結(jié)構(gòu)、 行程 較 長 、 維護(hù)簡單 。 控制方式 不同分類 （ 1） 點位控制 。 運動 軌跡為兩點間的 直線運 動， 通過確定幾個點位置來控制整個運動軌跡 控制點數(shù) 越 多，電氣控制系統(tǒng) 越 復(fù) 雜。 但由于該方法控制簡單，目前被廣泛使用于 專用 機(jī)械手 和通用機(jī)械手 中 。 （ 2） 軌跡控制 。 運動軌跡不受點位制約，可以在空間范圍內(nèi)進(jìn)行任意曲線運動，控制器控制整個運動過程，運動過程平穩(wěn)且準(zhǔn)確，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計繁瑣，此類機(jī)械手主要采用計算機(jī)輔助控制，應(yīng)用范圍廣泛。 機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計及選材原則 機(jī)構(gòu) 設(shè)計原則 在機(jī)械零件設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)同時考慮到零件的設(shè)計要求和工藝要求。產(chǎn)品的質(zhì)量和成本會受到工藝要求的影響。一般應(yīng) 滿足 以下要求： （ 1） 在設(shè)計時應(yīng)完全 保證 零件尺寸標(biāo)準(zhǔn)化和互換性 。 便于后期的維修更換。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 14 （ 2） 零 件 尺寸基準(zhǔn)選擇 要合理規(guī)范 ， 尺寸 標(biāo)注 之前 應(yīng) 首先 考慮，同時注意 設(shè)計基準(zhǔn) 和 工藝基準(zhǔn) 要重合 、 設(shè)計基準(zhǔn) 同 定位基準(zhǔn)盡量 保證 重合。 （ 3） 在滿足 零件 設(shè)計要求 的基礎(chǔ)上 ， 同時 考慮到零件 制造、加工、裝配的 整體 工藝 路線 。 （ 4） 零件尺寸精度 按照零件功能的要求進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定過低影響產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)計過高會增加成本。 部件 選材原則 機(jī)械手的設(shè)計再考慮到零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，還要考慮到其材料工藝的選擇。選材要考慮到其零件的使用性、制造過程及成本等幾個方面，應(yīng)滿足以下要求： （ 1） 使用性 在 機(jī)器零件 的設(shè)計上 ， 通過分析零件工作條件和 失效形式，對力學(xué)性能進(jìn)行分析，是使用性能的一個重點。 （ 2） 工藝性 通過 工藝性能 分析，對加工形式進(jìn)行分析設(shè)定 。 在滿足使用性能的前提下，選擇更易加工的材料能夠大大降低加工難度。這項指標(biāo)也會對經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)生影響。 （ 3） 經(jīng)濟(jì)性 選 材 應(yīng) 保證 其 整體 成本最低。零件壽命、重量、 研究費、 加工費、維修費都會涉及總體成本 ， 材料價格 的高低 是選材 重要 的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 。 確保 零件的使用 、 工藝性能 基礎(chǔ)