【文章內容簡介】 統(tǒng) ，可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類 型。 (1) 液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅動執(zhí)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(wěn)、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(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)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(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是 :介質李源極為方便，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(wěn)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(huán)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。它的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(zhí)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(fā)展前途。 (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(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 (2)連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)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(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 國內外發(fā)展狀況 國 外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢 : (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 萬美元降至 97年的 65萬美元。 、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 :由關節(jié)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(chǎn)品問市。 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)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(tǒng)的可 靠性、易操作性和可維修性。 ，除采用傳統(tǒng)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(huán)境建模及決策控制 。多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 ，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(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 。從 94 年美國開發(fā)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(yè)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(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā) 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(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線 (站 )上獲得規(guī)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(yè)機器人技術平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 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(chǎn) 品 ； 機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距 。在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”， 品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)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(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)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(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)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(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)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(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 課題的提出及主要任務 課題的提出 隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)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(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及 輕工業(yè)生 產(chǎn)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(xiàn)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 : (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(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。 。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 ，易產(chǎn)生噪聲。 ，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。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 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(yōu)點 : 。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 . ，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。 ，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要 需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)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(fā)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(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)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(tǒng)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(tǒng) 觀 點 認為 :由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服 系統(tǒng)中要實現(xiàn)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(yè)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(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)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。 課題的主要任務 本課題將要完成的主要任務如下 : ，因此相對于專用機械手來說，它的適用面必須更廣 . 式和自由度 ，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。 本課題將設計出機械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設計。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 本機械手擬采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制，本課題將要選 取PLC 型號，根據(jù)機械手的工作流程編制出 PLC程序 。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 第 2 章 機械手的設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾一放和搬運物件，這就要求它 們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及 在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是 :充分分析作業(yè)對象 (工件 )的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求 和環(huán)境條件 。明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的 受力特性、尺寸和質量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求 。 盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn) 柔性轉換和 編程控制 . 本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批 生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動強度大和操作單調頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞 動強度大和操作單調頻繁的生產(chǎn)場合。 機械手的座標型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加 一個手臂上下擺動的自由度 機械手的手部結構方案設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部 。當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 機械手的手腕結構方案設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。 機械手的手臂結構方案設計 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降 (或俯仰 )運動。手 臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 機械手的驅動方案設計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。 機械手的控制方案設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變 PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 機械手的主要參數(shù) ，目前機械手最大抓重以 10公斤左右的為數(shù)最多。故該機械手主參數(shù)定為 10 公斤，高速動作時抓重減半。使用吸盤式手部時可吸附 5 公斤的重物。 。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮