【文章內(nèi)容簡介】 手腕部，使其具有回轉(zhuǎn)運動。此機械手省略手腕部分。 圖 22 機械手的運動示意圖 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 7 頁 、機械手工作過程及工步時間分配 、確定完成動作及順序 圖 23 換刀機械手布局示意圖 換刀機械手的布局示意圖如圖 23 所示。圖中換刀機械手的初始位置在與刀架垂直 90176。且氣爪正對刀庫換刀位置。即機械手均運動到水平和豎直方向上的極限位置。為了機械手和刀具恰好對齊，本控制系統(tǒng)采用刀座編碼法對各種刀具進行編碼，并根據(jù)需要使刀庫旋轉(zhuǎn)適適當(dāng)?shù)慕嵌取C械手要把刀具送到刀架上，需要完成以下幾個動作： (1)、水平伸 出 —— 機械手水平機構(gòu)伸出 70mm，到達刀庫正上方。 (2)、豎直下降 —— 小臂升降機構(gòu)下行 30mm，使手部夾持機構(gòu)到達與刀柄水平的位置。 (3)、夾緊 —— 手臂機構(gòu)迅速夾緊刀柄。 (4)、豎直上升 —— 待刀柄被夾緊后，小臂升降機構(gòu)上行 30mm，將刀具提出刀庫。 (5)、水平收縮 —— 水平機構(gòu)快速收縮 70mm，整個機構(gòu)回到初始位置。 (6)、擺動 —— 機械手逆時針擺動 90? ，使機械手正對刀架。 (7)、豎直下降、松開 —— 小臂升降機構(gòu)下行 30mm，將刀具放在刀架上，同時手部機構(gòu)松開工件。 (8)、豎直上升 —— 小臂升降機構(gòu)上行 30mm，回到原始極限位置。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 8 頁 (9)、擺動 —— 機械手順時針擺動 90? ，回到初始位置。 當(dāng)機械手完成換刀動作后，刀架上的推爪把刀具從從刀架的一端推向另一端，到此，就將機械手的整個換刀動作完成。 、工步時間分配 經(jīng)研究決定機械手完成整個換刀過程需要 ，根據(jù)上述換刀的各個過程，對時間進行分配 ， 如 表 21 所示 ： 表 21 機械手運動過程與時間 分配 工步號 工步名稱 行程（ mm） 預(yù)分配時間（ s） 1 水平伸出 70 2 垂直下降 30 3 夾緊 1 4 豎直上升 30 5 水平收縮 70 6 擺動（逆時針） 90176。 7 豎直下降 30 松開 8 豎直上升 30 9 擺動（順時針） 90176。 總計 、機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 本方案采用模塊化的設(shè)計方法，機械手包括以下幾個模塊：立柱、手臂、小臂、手腕和手爪幾個模塊。為了滿足 4 個自由度 的要求，本機械手采用圓柱坐標形式。為了滿足實際工作要求，本機械手只需要立柱、手臂、小臂和手爪幾個模塊。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 24 所示 ： 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 9 頁 圖 24 氣動機械手的結(jié)構(gòu)簡圖 、機械手的驅(qū)動方案 機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅(qū)動方式進行分析比較。 液壓驅(qū)動 機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有以下幾個優(yōu)點： (1)能夠輸出較大的力和力矩，同時能夠快速響應(yīng)，定位精度比較高。 (2)可以把機械手的一部分用作液壓缸，這樣既可以實現(xiàn)直線運動，又可以使其結(jié)構(gòu)簡單。 (3)可以方便的實現(xiàn)變速和方向控制，自動化 程度比較高。 (4)液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護方便，使用壽命長。 但液壓系統(tǒng) 由于 產(chǎn)生泄露而 造成 運動精度 不高 。 同時 系統(tǒng)發(fā)熱 量比較大 ， 很難找出小的故障 。 氣壓驅(qū)動 (1)機械結(jié)構(gòu)簡單，氣體選取方便，并且干凈環(huán)保。 (2)在管路中壓縮空氣 流動速度比較快，所以該系統(tǒng)動作響應(yīng)比較快。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 10 頁 (3)與液壓 控制系統(tǒng) 相比， 其工作壓力比較低 。 與液體相比，氣體體積比較大，且 氣動 宜被壓縮，所以其定位精度不高，噪聲比較大。 電動機驅(qū)動 電動機驅(qū)動可分為普通交、直流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。 普通交、直 流電動機驅(qū)動 需要用減速機構(gòu)來獲得較大的輸出力矩 ,但是因為其 慣性 力矩比較 大 ，所以要實現(xiàn)精確控制比較困難 ，適用于 重型機械的控制 。伺服電動機和步進 電機因其輸出力矩 較小 ， 側(cè) 控制性能 相對較 好， 可以對速度和位置的精確控制 ，適用于中 、 小 規(guī)模的機器中 。步進電動機 一般 用于開環(huán)控制系統(tǒng)， 而 交、直伺服電動機 主要 用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，因為他們的控制精度不是很高 。 各種驅(qū)動方式及特點 如表 22 所示 ： 表 22 各種驅(qū)動方式及特點的比較 驅(qū)動方式 特點 輸出力 控制性能 維修使用 結(jié)構(gòu)體積 使用范圍 制造成本 氣壓驅(qū)動 氣壓壓力低， 輸出力較小，如需輸出力大時，其結(jié)構(gòu)尺寸過大 可高速，沖擊較嚴重，精確定位困難。氣體壓縮性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易與CPU 連接 維修簡單，能在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄漏無影響 體積較大 中、小型專用機械手或機械手都有應(yīng)用 結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低 液壓驅(qū)動 壓力高，可獲得大的輸出力 油液不可壓縮 ,壓力、流量均容易控制，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火 在輸出力相同的情況下，體積比氣壓驅(qū)動方式小 中小型專用機械手或機械手都有應(yīng)用，中型機械手多為液壓驅(qū)動 液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜 電力驅(qū)動 異步電動機、直流電動機 輸出力較大 控制性能較差，慣性大，不易精確定位 維修使用方便 要減速裝置，體積較大 適用于速度低、抓重大物體的專用機械手 成本低 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 11 頁 步進或伺服電機 輸出力較小 容易與 CPU連接，控制性能好，響應(yīng)快，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜 維修使用較復(fù)雜 體積較小 可用于程序復(fù)雜、運動軌跡要求嚴格的工業(yè)機械手 成本較高 機械聯(lián)動 輸出力較大 速度較高，速度與加速度均由機構(gòu)控制。定位精度高，可與主機嚴格同步。不易與CPU 連接 維修使用方 便 自由度多時，機構(gòu)復(fù)雜，體積也較大 適用于自由度少，速度較高的專用機械手 結(jié)構(gòu)簡單，成本低 綜合進行各方面的比較，我們選擇氣壓驅(qū)動系統(tǒng)，應(yīng)為其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、工作穩(wěn)定、污染幾乎為零、可以在高溫環(huán)境下工作、同時還可以抵抗各種電磁干擾等優(yōu)點，在當(dāng)今機械加工中應(yīng)用比較廣泛。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 12 頁 第 3 章 機械手的機械系統(tǒng)設(shè)計 、機械手伺服系統(tǒng)設(shè)計 、氣動伺服系統(tǒng)設(shè)計 本課題機械手要求能實現(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)、升降等的動作，每一個動作都是由電氣 氣壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動的，其原理相同。下面以機械手伸縮運動為例闡述伺服系統(tǒng)的工 作原理。 機械手伸縮運動 的 電氣 與 氣壓伺服 控制 系統(tǒng)原理圖 如圖 31 所示， 1 一 放大器、 2 一 電氣伺服閥、 3 一 氣缸、 4 一 機械手手臂、 5 一 齒輪齒條機構(gòu)、 6 一 電位器和 7 一 步進電機等元件組成，它 組成了 一個電氣 與 氣壓伺服 控制 系統(tǒng)。當(dāng)電位器的觸頭處于中位時，觸頭上沒有電壓輸出。當(dāng)它偏離這個位置時，由于產(chǎn)生了偏差就會輸出相應(yīng)的電壓。電位器觸頭產(chǎn)生的微弱電壓，經(jīng)放大器放大后對電氣伺服閥進行控制。電位器觸頭由步進電動機帶動旋轉(zhuǎn)，步進電動機的偏轉(zhuǎn)方向以及角位移和角速度由數(shù)字控制裝置發(fā)出的脈沖數(shù)和脈沖頻率控制。齒條固定在機械手臂上，電 位器殼體固定在齒輪上，所以當(dāng)手臂帶動齒輪轉(zhuǎn)動時，電位器殼體同齒輪一起轉(zhuǎn)動，形成負反饋。 圖 31 機械手伸縮運動電氣一氣壓伺服系統(tǒng)原理圖 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 13 頁 機械手伸縮運動伺服系統(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，使步進電機帶動電位器的動觸頭轉(zhuǎn)過一定的角度 (假定為順時針方向轉(zhuǎn)動 )，動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控制線圈，使伺服閥產(chǎn)生一定的開口量。這時，壓縮空氣經(jīng)閥的開口進入氣缸的左腔，推動活塞桿連同機械手手臂一起向右運動。由于齒輪和機械手手臂上齒條相嚙合，因而手臂向右移 動時，電位器隨之作順時針方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)電位器的中位和觸頭重合時，偏差為零，則動觸頭輸出電壓為零，電氣伺服閥失去信號，閥口關(guān)閉，手臂停止移動。手臂移動的行程決定于脈沖數(shù)量，速度決定于脈沖頻率。當(dāng)數(shù)字控制裝置發(fā)出反向脈沖時，步進電動機逆時針方向轉(zhuǎn)動，手臂縮回。 根據(jù)模擬換刀機械手的動作要求，在驅(qū)動系統(tǒng)中氣缸的運動方式主要有兩種： (1)直線運動 (缸體固定，活塞桿作直線運動 )； (2)擺動 (缸體固定，活塞桿擺動 )?？偟碾姎?氣動系統(tǒng)原理圖如 圖 32 所示： 圖 32 機械手氣動伺服系統(tǒng)圖 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 14 頁 、電氣伺服閥 電氣 伺服控制屬于連續(xù)控制，其特點是輸出量隨輸入量的變化而變化，輸出量與輸入量之間存在一定的關(guān)系。 由于電氣元件具有多方面的適應(yīng)性，信號的檢測、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，故氣動伺服系統(tǒng)中的輸入量以電信號居多，轉(zhuǎn)換元件便以電磁式居多，其典型代表便是比例電磁鐵。它是利用電磁力作用在轉(zhuǎn)換元件的可動部件上，通過其中的彈性元件轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰?，通過此位移來調(diào)節(jié)氣動放大器 (放大元件 )的節(jié)流面積，從而控制通過氣動放大器的氣體壓力或流量。 電氣伺服閥是由電 機械轉(zhuǎn)換器 (轉(zhuǎn)換元件 )和氣動放大器 (放大元 件 )所組成。驅(qū)動電 機械轉(zhuǎn)換器的功率一般只需幾瓦，而氣動放大器的輸出氣流的功率可達幾千瓦。 氣動放大器的結(jié)構(gòu)形式有滑閥、噴嘴擋板閥等。本機械手采用噴嘴擋板式的電氣伺服閥，來確保連接機械手手臂的氣壓缸按所要求的控制規(guī)律和定位精度工作，工作過程大致如下： 如圖 33 所示，若伺服放大器輸出的偏差信號 (即設(shè)定的指令信號與反饋信號之差 )經(jīng)放大后，加到氣壓伺服閥的電磁線圈上，則永久磁鐵和電磁線圈間產(chǎn)生相吸或相斥的電磁力，使端部裝有擋板的桿件偏離中間平衡位置繞支點左右擺動，擋板使對稱布置的兩個轉(zhuǎn)換器 (結(jié)構(gòu)原理如圖 34)噴嘴處的氣體流量發(fā)生不均等的變化，因而造成一側(cè)噴嘴背壓腔壓力升高，另一側(cè)轉(zhuǎn)換器噴嘴背壓腔壓力降低，則負載氣缸左右腔壓力不等，活塞桿 (連接機械手手臂 )移動，實現(xiàn)工作要求的運動規(guī)律?，F(xiàn)假定以右側(cè)轉(zhuǎn)換器為例考察其動作原理，當(dāng)桿件在偏差信號作用上偏離中向平衡位置移向右側(cè)轉(zhuǎn)換器，由于擋板與噴嘴間隙減小，則隨著噴嘴背壓腔內(nèi)壓力升高， A 腔壓力升高，使帶有噴嘴的閥座右移，把菌狀提動閥推向右方，使 D 腔菌狀閥閥口開大，而 C 腔的小菌狀提動閥閥口關(guān)閉，這樣，由進氣口流入的控制氣流經(jīng)過節(jié)流閥調(diào)節(jié)針閥流向氣壓缸，驅(qū)動活塞桿工作；與此同 時，相反一側(cè)的左轉(zhuǎn)換器 (各腔符合同右側(cè)，只是符號右上腳打“ˊ”來表示左側(cè)，以下同 )，由于桿件端部的擋板與噴嘴間的間隙增加，造成左噴嘴背壓腔壓力降低，而使左側(cè)帶噴嘴的閥座在 Cˊ腔 (與右側(cè) C 腔相對應(yīng) )壓力作用下向右移動，菌狀提動閥在左側(cè)彈簧力作用下使左轉(zhuǎn)換器 Dˊ腔的閥關(guān)小，而 Cˊ腔的閥開大，則氣缸左端與排氣孔相通，壓力下降，實現(xiàn)活塞桿向消除偏差信號方向移動 (即活塞左向移動 )：偏差信號為零時，左右側(cè)兩個轉(zhuǎn)換器的輸出相等，這樣氣缸活塞停止在新的相對平衡位置上。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 15 頁 圖 33 電氣一氣壓伺服閥工作原理圖 上圖中，零位 (點 )調(diào)整彈簧左右端均與帶擋板的桿件相聯(lián)，起著機械零位調(diào)整和對中彈簧補償作用；增益調(diào)整彈簧在偏差信號為零時 (即輸出壓力處于平衡狀態(tài)時 )，不與桿件接觸，當(dāng)偏差信號超過某一數(shù)值后才接觸。它的作用是根據(jù)偏差信號大小改變補償流量增益的變化，確保氣缸定位精度的穩(wěn)定。另外，采用噴嘴擋板控制的菌狀提動閥，抗污染性能強，不容易堵塞。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 16 頁 圖 34 轉(zhuǎn)換器原理圖 、機械手執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。其中，每個執(zhí)行機構(gòu)都要進行相應(yīng)的氣動元件設(shè)計，必要的還要加裝導(dǎo)向裝置。氣動元件 的計算與選擇，對整個氣動系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。所選擇的元件既要滿足系統(tǒng)的性能要求，又不能浪費。下面分別對各驅(qū)動元件進行計算與選擇，并設(shè)計機械連接件與導(dǎo)向裝置。 、機械手手部設(shè)計 進行機械手設(shè)計時應(yīng)考慮以下問題： (1) 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力，應(yīng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需要的驅(qū)動力大小是不同的。 (2) 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。 (3) 在保證本身剛度，強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕手臂負載。 (4) 應(yīng)保證手抓的夾持精度。 通過綜合考慮 ，本設(shè)計選擇二指雙支點回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿式，夾緊裝置采用常開式夾緊皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 17 頁 裝置