【文章內(nèi)容簡介】 卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手。專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應(yīng)用發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣壓傳動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視。氣動技術(shù)作為機器人中的驅(qū)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)已被接受。由于氣動技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合，以及周邊技術(shù)的成熟，在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，氣動機械手、氣動機器人的實用性已經(jīng)充分體現(xiàn)出來。因為氣動伺服定位技術(shù)一出現(xiàn)，就受到工業(yè)界和學術(shù)界的高度重視，同時為氣動機器人、氣動機械手大規(guī)模進入工業(yè)自動化領(lǐng)域開辟了十分寬廣的前景。研制具有一定感觸和智力的智能機器人。這種機器人，具有各種傳感裝置，并配備有計算機。根據(jù)仿生學的理論，用計算機充當起大腦，使它能思考、能分析、能記憶。用電視攝像機、測距儀、纖維光學傳感器、導光管或其它光敏元件作為眼睛，在其視野的范圍內(nèi)能看。用聽筒和聲敏元件等作耳朵能聽。用揚聲器等作嘴能說話進行應(yīng)答。用熱電偶和電阻應(yīng)變儀等作觸覺能感觸。用滾輪或雙足式的行走機構(gòu)作為腳來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機器人，可以由人用特殊的語言對其下達命令，布置任務(wù)。受令后的智能機器人，即可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的各種條件或信息，獨立地分析和判斷并自編或自變程序的進行工作；能夠自找（選擇）物件的方位，字調(diào)握力的大小，自找傳送路線以避開障礙物。因此，它將成為無人化系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)之一。2 機械手的設(shè)計 機械手設(shè)計的總體方案由于本次設(shè)計的機器人需要通過氣缸來實現(xiàn)機械手臂的三個方向上的自由度如：手臂的上下的升降運動、手臂的前后伸縮運動、手臂的回轉(zhuǎn)運動以及用氣壓馬達來實現(xiàn)小車按軌道運動?？傮w設(shè)計方案如下面的框圖所示： 設(shè)計示意圖如下所示 機械手的執(zhí)行機構(gòu)由于采用積木式連接，結(jié)構(gòu)非常簡單、實用。該機械手屬于圓柱坐標式。（一） 機器手的參數(shù)：主參數(shù) 機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，機械手最大抓重以10公斤左右的為最多。故該機械手主參數(shù)定為10公斤?；緟?shù) 運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低則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及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設(shè)計為1200毫米/秒，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為1200/秒。平均移動速度為1000毫米/秒，平均回轉(zhuǎn)速度為900/秒。機械手動作時有起動、停止過程的加、減速度存在，用速度行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。則手臂前后伸縮平均速度為1000毫米/秒，手臂上下升降平均速度為500毫米/秒，手臂回轉(zhuǎn)平均速度為900/秒。除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設(shè)計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而使剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600毫米，最大工作半徑為1500毫米，手臂安裝前后可調(diào)200毫米。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400，又由于該機械手設(shè)計成手臂安裝方位可調(diào)，從而擴大了它的適用范圍。手臂升降行程定為150毫米。氣壓驅(qū)動工作壓力P為4～6公斤/厘米2。機械手臂定位和緩沖采用機械擋塊和緩沖器定位；定位精度為177。~177。1毫米。 氣動部件設(shè)計的簡要分析 氣缸 氣缸是利用壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。它可以輸出力，驅(qū)動工作部分作直線運動或往復擺動。氣缸是由缸體、活塞、活塞桿、密封件及緊固件等組成。氣缸的種類很多，主要有單作用氣缸、雙作用氣缸、組合氣缸，擺動氣缸。單作用氣缸又可分為柱塞式氣缸、活塞式氣缸、薄膜式氣缸；雙作用氣缸又可分為普通氣缸、雙活塞桿氣缸、不可調(diào)緩沖氣缸、可調(diào)緩沖氣缸、活塞帶導向桿氣缸、串聯(lián)式氣缸；組合氣缸又可分為氣液阻尼缸和步進式氣缸；擺動氣缸又可分為單葉片擺動氣缸和雙葉片擺動氣缸。本次機械手的設(shè)計中 ：① 手臂的升降機構(gòu)中采用了單作用氣缸中的柱塞式氣缸，壓縮空氣推動活塞單方向向上運動，借助自重下降。結(jié)構(gòu)簡單又實用。② 手臂的前后伸縮機構(gòu)中采用了雙作用氣缸中的普通氣缸，壓縮空氣推動活塞雙向運動，應(yīng)用很廣泛。③ 手臂的回轉(zhuǎn)機構(gòu)中采用了擺動氣缸中的單葉片擺動氣缸，將壓縮空氣的能量變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運動的機械能，擺動角度小于3600。剛開始打算采用兩個直動氣缸帶動鏈條鏈輪或帶動齒條齒輪來獲得回轉(zhuǎn)運動，經(jīng)設(shè)計方案的比較得出采用回轉(zhuǎn)氣缸的結(jié)構(gòu)要緊湊的多，所以還是采用了擺動氣缸。④ 手指夾緊氣缸中我采用了單作用氣缸中的活塞式氣缸，壓縮空氣推動活塞但方向運動，借助彈簧力反向運動。結(jié)構(gòu)簡單，壓縮空氣用量較柱塞式少。 空氣控制閥 空氣控制閥是氣動控制元件，它的作用是控制和調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)中壓縮空氣的壓力、流量和方向，從而保證氣動執(zhí)行機構(gòu)按規(guī)定的程序正常地進行工作。空氣控制閥按其作用可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥三類。 壓力控制閥根據(jù)它的作用不同又可分為：調(diào)壓法、安全閥和順序閥。 流量控制閥是用來調(diào)節(jié)和控制壓縮空氣的流量、流速以及改變執(zhí)行機構(gòu)的工作速度。它主要有截流閥、單向截流閥和排氣節(jié)流閥。 方向控制閥是用來控制氣流的方向、氣路的通斷，從而使執(zhí)行機構(gòu)的動作發(fā)生變化的氣動元件。方向控制閥按閥內(nèi)氣流的方向分：單向型方向控制閥，它只允許氣流沿一個方向流動。如單向閥、快速排氣閥等；換向型方向閥，它可以改變氣流流動的方向。按控制方式分：電磁、氣壓、機械和人力等控制方法實現(xiàn)。按動作方式可分為：直動式和先導式。按聯(lián)結(jié)方式分：管式連接、板式連接和法蘭連接式連接。本次機械手的設(shè)計中：經(jīng)過考慮和分析后，在不光滿足各氣路要求的條件下又考慮到控制閥的統(tǒng)一性和方便性，我統(tǒng)一選擇了型號為Q24D2H15S1的電磁方向控制閥。各氣缸凡能采用排氣節(jié)流方式的，都通過電磁閥的排氣口節(jié)流阻尼螺釘（錐面式）調(diào)速。手臂前后伸縮氣缸的氣路上，在最接近氣缸處，裝有兩個快速排氣閥，以加快啟動速度和調(diào)節(jié)全行程上的速度，同時通過調(diào)節(jié)閥又可使其加速度限制在允許的范圍內(nèi)，以減少制動時的慣性沖擊，提高定位精度。手臂的上下升降則采用進氣節(jié)流方式，用一個單向節(jié)流閥調(diào)整手臂的上升速度。下降（靠自重下降）速度仍有電磁閥排氣口節(jié)流調(diào)整。氣動基本回路 氣動回路和液壓回路相比，有幾方面的不同；一臺氣動機械手的氣動系統(tǒng)有時比較復雜，但經(jīng)過剖析卻不外乎一些基本回路所組成。掌握了氣動基本回路以后，對分析和設(shè)計氣動機械手的氣動系統(tǒng)都有較大的幫助。第一， 空氣壓縮機輸出的壓縮空氣首先儲存于儲氣罐中，然后供給各個回路使用。畫氣動回路圖示空氣壓縮機常省略不畫，但設(shè)計氣動東回路時，不要忘記考慮氣源的能力。第二， 氣動回路使用過的空氣是經(jīng)排氣口排入大氣的，因而不設(shè)回氣管道來回收空氣。第三， 由于空氣的粘性很小，在管路中的壓力損失較小。因此，在盡量縮短氣動管路的情況下管路仍然很長，并不妨礙使用。由于氣動執(zhí)行機構(gòu)中，以氣缸應(yīng)用最廣泛，故下面所論及的基本回路均以氣缸為其執(zhí)行機構(gòu)。設(shè)計機械手的氣動系統(tǒng)時，最簡便的方法是把選定的完成不同任務(wù)的基本回路組合起來。氣動基本回路的種類：氣動基本回路的種類很多，為了便于設(shè)計機械手的氣動回路，僅將氣動基本回路按方向控制回路和速度控制回路兩方面加以敘述。① 方向控制回路（一）單作用氣缸中間停止回路（圖21）這種回路可使活塞停在氣缸中間的任意位置。當三位三通電磁閥的滑閥處在中間位置時，氣缸的通路封閉，活塞停止運動?；y處在位置I時，活塞下腔進氣，推動活塞桿伸出?；y處在位置II時，活塞下腔排氣，彈簧力推動活塞下行。（二）雙作用氣缸換向回路（圖22）采用二位五通單電控滑閥控制活塞雙向運動。圖示位置，活塞右腔進氣，左腔排氣，活塞向左運動?；y切換后，活塞左腔進氣，右腔排氣，實現(xiàn)了氣缸活塞的換向。這種回路時雙作用氣缸的最基本的換向回路。 （三）雙作用氣缸的活塞可在任意位置停止的回路圖23所示為單活塞桿氣缸的這種回路。它采用中封式三位五通雙電控滑閥，當滑閥處在中間位置時，各口互不相通，活塞可停留在氣缸的任意位置。這種回路不允許有漏損，這樣才能保證氣缸可靠地工作。在氣缸終端需要保持活塞固定的停止位置時，也使用這種回路。圖24所示為雙活塞桿氣缸的這種回路。它采用中封式三位五通雙電控滑閥，當滑閥處在中間位置時，壓縮空氣同時與活塞左、右兩腔相通。因兩腔活塞的有效受壓面積相等，從而保證了活塞兩腔同時受壓時，活塞能停留在任意位置。但當外界加在活塞桿上的軸向力不平衡時，則活塞停止的位置不穩(wěn)定。為了克服這個缺點，可增設(shè)調(diào)壓閥進行壓力調(diào)解，控制活塞兩側(cè)壓力平衡，如圖25所示。這種回路可允許有少量漏損，比采用中封式閥較可靠。（四）延時控制回路圖26所示的延時控制回路，為控制信號A使二位四通單氣控滑閥1切換時，壓縮空氣經(jīng)閥單向節(jié)流閥3向氣容4充氣，經(jīng)過一定的時間，氣容壓力達到一定數(shù)值，控制二位三通氣控閥2切換。壓縮空氣經(jīng)閥2的B口輸往執(zhí)行機構(gòu)。信號A取消后，閥1又彈簧復位，壓縮空氣控制閥2也復位而關(guān)閉，B口無輸出。氣容4中的空氣經(jīng)閥3的單向閥、閥1而排空。延時控制回路用于不允許使用時間繼電器的場合，如易燃、易爆和大粉塵的場合。 ② 速度控制回路（一）單作用氣缸的速度控制回路（圖27）它由二位三通單電控滑閥1和兩個單向節(jié)流閥2和3所組成。閥1使氣缸換向，閥2 的節(jié)流閥控制氣缸活塞桿的伸出速度。閥3的節(jié)流閥控制活塞桿的退回速度。調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，可以改變活塞雙向的運動速度。 （二）雙作用氣缸單向速度控制回路（圖28）該回路是在氣缸的一個氣路上裝設(shè)單向節(jié)流閥1。圖示位置為壓縮空氣經(jīng)二位五通單電控滑閥2和閥1的單向閥進入氣缸活塞的右腔，推動活塞左移。當閥2切換后，活塞右腔的排氣速度受閥1可調(diào)節(jié)流閥的限制，從而控制了活塞桿的伸出速度。由于背壓的存在，也增加了氣缸工作行程的穩(wěn)定性。除此之外?；钊祷匦谐痰募被剡\動，也可用來提高機器的生產(chǎn)率。 （三）雙作用氣缸雙向速度控制回路圖29所示是將兩個單向節(jié)流閥裝在氣缸的兩條氣路上，分別控制活塞兩個方向運動時的排氣速度。調(diào)節(jié)節(jié)流閥，即可得到活塞不同的運動速度。 圖210所示是帶有排氣節(jié)流閥的速度控制回路。它是將節(jié)流閥安裝在二位五通單電控滑閥的排氣口上。調(diào)節(jié)節(jié)流閥，即可控制氣缸的排氣速度，從而使活塞得到不同的運動速度。這種回路的特點是結(jié)構(gòu)較簡單。 圖211所示使活塞可得到快速運動的速度控制回路。它是在單向節(jié)流閥1和2的后面氣路上并聯(lián)了二位二通閥3和4。這樣，不僅可以由閥1和閥2來調(diào)節(jié)（排氣節(jié)流）活塞兩個方向的運動速度，而且當閥3打開時，則活塞可快速左行。二位五通單電控滑閥5切換后，若閥4打開，則活塞可快速右行。因此，可根據(jù)需要得到活塞雙向的快速運動。 （四）雙作用氣缸速回運動控制回路該回路當活塞桿右行時，壓縮空氣經(jīng)由二位五通單電控滑閥3和快速排氣閥2進入氣缸活塞的左腔，推動活塞右行。此時，氣缸右腔的空氣經(jīng)單向節(jié)流閥1節(jié)流控制后排空。閥3切換（圖示位置）后，壓縮空氣經(jīng)閥1的單向閥進入氣缸的右腔。此時，