【正文】 .............................................................. 37 參考文獻(xiàn) .................................................................. 38 致謝 ...................................................................... 39 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 1 1 前言 機(jī)械手的發(fā)展史 機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。商名為 Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 1962 年美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫 Vewrsatran 機(jī)械手。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1 毫米。 聯(lián)邦德國(guó) KnKa 公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。自 1969 年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。 第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過(guò)程中的任務(wù)。 現(xiàn)代研究趨勢(shì) 目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)械手共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。 (2) 機(jī)械手控制技術(shù) :重點(diǎn)研究開(kāi)放化 ，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。編程技術(shù) 不僅 進(jìn)一步提高在線編程的可操作性，離線編程的實(shí)用化 也 將成為研究氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 2 重點(diǎn)。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器信息融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器信息融合算法。 (5) 機(jī)械手遙控及監(jiān)控技術(shù)，半自主和自主技術(shù)，多個(gè)機(jī)械手和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)械手遙控系統(tǒng)，在有延時(shí)的情況下，建立預(yù)先顯示 從而 進(jìn)行遙控等。 (7) 多智能體調(diào) 控技術(shù) :這是目前機(jī)械手研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。 (8) 軟機(jī)械手技術(shù) :主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂(lè)場(chǎng)合。 (9) 仿人和仿生技術(shù) :這是機(jī)械手技 術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行 了 一些基礎(chǔ) 性 研究。改革開(kāi)放以來(lái)，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前基本掌握了機(jī)械手的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng) 的 硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃 等 技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)械手關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出了噴漆、弧焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)械手。機(jī)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(guó)外比有差距 。以上原因主要是 沒(méi)有實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的高度產(chǎn)業(yè)化。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，做 好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。每一支 動(dòng)作靈敏的 機(jī)械手，都是一個(gè)知識(shí)密集和技術(shù)密集的高科技機(jī)電一體化產(chǎn)品。本文將通過(guò)以下幾個(gè)內(nèi)容進(jìn)行論述： (1) 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂的整體設(shè)計(jì)； (2) 機(jī)械手臂的 運(yùn)動(dòng)模擬 ； (3) 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)； (4) 氣動(dòng)元件的 選擇 ； (5)機(jī)械手臂 PLC 控制部分設(shè)計(jì)； 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 4 2 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂 的整體設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)指揮機(jī)械 手臂類型選擇為非伺服多關(guān)節(jié)型。 圖 2— 1 五 自由度機(jī)器人簡(jiǎn)圖 如圖所示機(jī)器人手臂在 xo1y平面存在三 個(gè)分別沿 o2z和 o3z及 o5z軸的轉(zhuǎn)動(dòng) σ2和 σ3及 σ5，在肩部還有一個(gè)沿 o1y 軸的轉(zhuǎn)動(dòng) σ1，同時(shí) 腕部 還存在一個(gè)在 o4x 的轉(zhuǎn)動(dòng) σ4。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(yùn)行速度快，機(jī)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(jī)器人的自由度要多一些。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 5 機(jī)械手臂的工作速度 機(jī)械手的工作速度對(duì)于模擬人的指揮是至關(guān)重要的，這一過(guò)程 同樣也需要事先用軟件進(jìn)行模擬 ， 從而 才能真正的對(duì)機(jī)械手臂的各個(gè)關(guān)節(jié) 的 運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行設(shè)定。 機(jī)械手臂的控制方式 由于是要求同時(shí)控制 五 個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)，而且對(duì)運(yùn)動(dòng)的周期還有較高要求，所以我選擇用PLC 進(jìn)行控制。 (2) 功能強(qiáng) PLC 不但具有開(kāi) 關(guān)量控制、模擬量控制、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)通信、中斷控制等功能，還能 很方便地進(jìn)行功能及容量的擴(kuò)展。 (4) 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊 由于應(yīng)用了 現(xiàn)代 集成電路，使其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，很容易裝在機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，因而成為機(jī)電一體化產(chǎn)品及工業(yè)自動(dòng)控制的主要控制設(shè)備。與氣壓驅(qū)動(dòng)相近還有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)相比，氣壓驅(qū)動(dòng)有如下特點(diǎn)： (1) 壓縮空氣黏度小， 比較 容易達(dá)到高速（ 1m/s）； (2) 可 用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣，不必添加動(dòng)力設(shè)備； (3) 空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)； (4) 氣動(dòng)元件工作壓力低，故制造成本 也比液壓元件低； (5) 不足之處是，壓縮空氣常用壓力為 ~，若要獲得較大的力，其 外型 結(jié)構(gòu)就要相對(duì)增大； (6) 空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性 較 差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制比較 困難； (7) 壓縮空氣的 水分 問(wèn)題是一個(gè)很重要的問(wèn)題，處理不當(dāng)會(huì)使剛類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。 綜合所述，可以選用氣壓驅(qū)動(dòng)這種驅(qū)動(dòng)方式。因?yàn)檫x擇了氣壓 這種驅(qū)動(dòng)方式，所以機(jī)械手臂的分辨率不會(huì)高，但模擬指揮同樣也不需要高的分辨率，所以這點(diǎn)也不會(huì)造 成影響。 ADAMS 研究復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系 和動(dòng)力學(xué)關(guān)系，它以計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合高速計(jì)算機(jī) 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行仿真計(jì)算，得到各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和 解決問(wèn)題。在模型的建立完成后，對(duì)各驅(qū)動(dòng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，并選擇最佳方案。如圖（ 3— 1）所示，在用軟件進(jìn)行模擬的過(guò)程中，可以通過(guò)改變各氣缸的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)調(diào)節(jié)各部分的運(yùn)動(dòng)，用改變調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)中 STEP SIZE和 END TIME 的方法 調(diào)整 整體 運(yùn)動(dòng)的速度 和仿真運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 ，從而配合每種不同速度的音樂(lè)。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 8 圖 3— 1 仿真模型 首先通過(guò)前期設(shè)計(jì)要求做出模型，然后對(duì)各個(gè)部分的驅(qū)動(dòng) 參數(shù) 進(jìn)行修改，從而讓整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬人的指揮動(dòng)作（其中黑色空間曲線為指揮棒末端所畫(huà)出的軌跡）。同時(shí)可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析采集計(jì)算出 個(gè) 氣缸所需行程及速度和耗氣量。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 11 運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)分析 在對(duì)某一數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)入 PostProcess 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如圖（ 3— 3） ~圖（ 3— 10）所示。 圖 3— 4 A 缸 角 速度曲線 A 的 角 速度是 肩 部的旋轉(zhuǎn) 速度 。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 12 圖 3— 5 B 缸位移曲線 根據(jù)圖（ 3— 5）中曲線可以得出， B 的幅值 41mm，其控制部分為 大臂 部 位 的旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)圖（ 3— 6）中的曲線可以得出其 有效 速度是 。 圖 3— 8 C 缸速度曲線 C 的速度 是 肘部 的旋轉(zhuǎn) 速度 。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 14 圖 3— 9 D 缸隨時(shí)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(dòng)角度幅值 57deg，其控制部分為 手腕 的轉(zhuǎn)動(dòng)。 根據(jù)圖（ 3— 10）中的曲線可以得出其 有效 角速度是 。 圖 3— 12 E 缸速度曲線 E 缸的速度為手掌的擺動(dòng)速度。 然后 通過(guò)軟件對(duì)指揮棒末端的位移、速度、加速度隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行繪制，從而大體了解其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 16 圖 3— 13 指揮棒末端位移隨時(shí)間的曲線 圖 3— 14 指揮棒末端速度隨時(shí)間的曲線 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 17 圖 3— 15 指揮棒末端加速度隨時(shí)間的曲線 通過(guò) 以上各組 數(shù)據(jù)可以計(jì)算出氣缸所需行程。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 18 4 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì) 通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬設(shè)計(jì)相應(yīng)的氣動(dòng)回路 因?yàn)樵谶@個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)中控制部分由 PLC 來(lái)完成，所以該氣動(dòng)系統(tǒng)只由氣壓傳動(dòng)部分組成。進(jìn)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(yùn)動(dòng)時(shí)的速度。各氣缸所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部分是： A 缸對(duì)應(yīng)的是 O1 處的轉(zhuǎn)動(dòng)。 C 缸對(duì)應(yīng)的是 O3 處的運(yùn)動(dòng)。 E 缸對(duì)應(yīng)的是 O5 處的運(yùn)動(dòng) 根據(jù)模擬結(jié)果繪制氣動(dòng)系統(tǒng)的邏輯原理圖和氣動(dòng)回路圖，如圖（ 4— 1）和圖（ 4— 2）。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 19 圖 4— 2 氣動(dòng)回路圖 1氣壓發(fā)生裝置 2氣罐 3過(guò)濾器 4減壓閥 5油霧器 6壓力表 對(duì)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的分析 氣源的處理 首先由氣壓發(fā)生裝置產(chǎn)生的氣體進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，通過(guò)儲(chǔ)氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的壓力脈動(dòng)，使輸出氣流具有流 動(dòng) 連續(xù)和氣壓穩(wěn)定的性能，同時(shí)它還可以作為應(yīng)急氣源使用。接下來(lái)壓縮空氣進(jìn)入過(guò)濾器，在通過(guò)過(guò)濾器時(shí)壓縮空氣被進(jìn)一步的被干燥和凈化過(guò)濾。 壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程 壓縮空氣經(jīng)過(guò)一系列的處理后進(jìn)入各分支系統(tǒng)，以 B 缸為例，當(dāng)電磁換向閥 FB 不 處于中位時(shí)，氣缸的進(jìn)氣口和出氣口同時(shí)閉合，氣缸處于保壓狀態(tài)，當(dāng) YB1 得電，這時(shí)電磁換向閥處于左位，壓縮空氣由氣缸左端進(jìn)入推動(dòng)活塞，從而使氣缸活塞桿伸出。氣缸伸縮一個(gè)來(lái)回，就形成了運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 21 5 氣動(dòng)元件的選型 對(duì)運(yùn)動(dòng)氣缸的選型 對(duì) A 缸的選取 對(duì)氣缸 A 的外形沒(méi)有要求，它本身被安置在機(jī)