畢業(yè)論文--自動換刀機械手的結構設計及plc控制-機械結構設計

1、<p>　　編號 </p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　二〇一三年十月</b></p><p>　題 目自動換刀機械手的結構設計及PLC控制-機械結構設計</p><p><b>　　摘 要</b></

2、p><p>　　隨著數(shù)控技術的應用與發(fā)展，零件加工的輔助時間大大降低了，極大的提高了生產效率。伴隨著科學技術的發(fā)展和生產力的提高，使數(shù)控機床發(fā)展成為機械加工中普遍應用的一種更先進的制造方法叫做加工中心。大多數(shù)加工中心都帶有能夠自動換刀裝置的換刀系統(tǒng)，并按照程序實現(xiàn)自動加工。氣動機械手具有簡單的機構、動作靈敏、節(jié)能、環(huán)保、可靠性高、可實現(xiàn)無級調速等優(yōu)點。</p><p>　　為了提高機械手的應用

3、范圍，讓每一個機械手擁有不同的使用特性，所以對機械手的結構進行模塊化設計。特將其分為若干個模塊，其包括：立柱、基座、手臂、手部、手腕等模塊。為了滿足不同的使用特性和功能，我們可以通過選擇不同的模塊進行組合。當產品的使用性能發(fā)生變化時，我們可以根據需要對部分模塊進行修改或從新改造，這樣即節(jié)省了設計成本，又提供了設計效率。</p><p>　　經過對機械手在結構和運動方面上的分析后，采用電氣—氣壓伺服控制技術對機械手

4、進行控制和驅動，氣動執(zhí)行元件根據電氣控制信號的要求，驅動負載元件執(zhí)行相應的動作。</p><p>　　關鍵詞：自動換刀 機械手 電氣-氣壓伺服控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With CNC technology application and development of auxiliary p

5、arts processing time is greatly reduced, greatly improving production efficiency. With the development of science and technology to improve productivity and make CNC machining develop into a more universal application of

6、 advanced manufacturing method called machining centers. Most machining centers with automatic tool changer can ATC system, and follow the procedures for automatic processing. Pneumatic Manipulator has a simple mechani&l

7、t;/p><p>　　In order to improve the application range of the robot, so that each robot has different usage characteristics, so the structure of the robot modular design. Special will be divided into several modu

8、les, including: columns, base, arms, hands, wrists and other modules. In order to meet different features and capabilities, we can choose a different module combinations. When product performance changes, we may need to

9、make changes on the part of the module or re-transformation, so that the design c</p><p>　　After the manipulator on the structure and motion analysis, the use of electric servo control technology of the pneu

10、matic manipulator control and drive, pneumatic actuators according to the requirements of the electrical control signal to drive the load element the appropriate action. </p><p>　　Keywords: Automatic tool ch

11、ange; manipulator; Electro-pneumatic servo orientation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章

12、 緒論1</b></p><p>　　1.1換刀機械手概述1</p><p><b>　　1.2選題背景1</b></p><p><b>　　1.3設計意義1</b></p><p>　　1.4論文的主要工作2</p><p>　　第二章 機械手總體

13、設計方案4</p><p>　　2.1機械手類型4</p><p>　　2.1.1根據機械手的應用范圍分類4</p><p>　　2.1.2按機械手手臂的運動坐標型式分類4</p><p>　　2.1.3按機械手的驅動方式分類4</p><p>　　2.2機械手的坐標形式與自由度5</p>&

14、lt;p>　　2.3機械手工作過程及工步時間分配7</p><p>　　2.3.1確定完成動作及順序7</p><p>　　2.3.2工步時間分配9</p><p>　　2.4機械手的結構設計方案9</p><p>　　2.5機械手的驅動方案9</p><p>　　第三章 機械手的機械系統(tǒng)設計12&

15、lt;/p><p>　　3.1機械手伺服系統(tǒng)設計12</p><p>　　3.1.1氣動伺服系統(tǒng)設計12</p><p>　　3.1.2電氣伺服閥13</p><p>　　3.2機械手執(zhí)行機構設計15</p><p>　　3.2.1機械手手部設計16</p><p>　　3.2.2手臂結構

16、設計16</p><p>　　3.2.3基座結構設計20</p><p>　　第四章 總結與展望22</p><p><b>　　4.1總結22</b></p><p><b>　　4.2展望22</b></p><p><b>　　致 謝24<

17、;/b></p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1換刀機械手概述</p><p>　　換刀機械手是由集控制器、傳感器和伺服驅動系統(tǒng)為一體的機電一體化產品，它模仿人的操作，可實現(xiàn)自動控制、重復編程、能夠完成

18、各種復雜的動作。它能在提高生產效率的同時，提高產品質量，對改善勞動條件，促進產品的更新?lián)Q代起著促進作用。機械手的使用情況，標志著一個國家工業(yè)自動化水平的高低。機械手并不是簡單的代替人的體力的勞動，而是將人的智慧體現(xiàn)在機器上。是機械人具有人的快速反應和分析判斷能力，又有具有高精度、高強度持續(xù)工作的能力，并且能夠適應比較差的環(huán)境，我們可以說機械手是工具進化的產物。隨著自動化技術的發(fā)展，機械手已經廣泛的應用在機械加工、自動換刀、流水線上生產及

19、裝配、上下料等。但是大多數(shù)機械手的專用型比較強，每臺機器上的機械手在不改造的情況下，很難在其他機器上使用。由于機械手能很大程度上提高生產效率，簡化機械加工的程序，所以它在機械加工中得到廣泛的應用。</p><p><b>　　1.2選題背景</b></p><p>　　機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程

20、中產生的一種新型裝置。機械手之所以更好的結合機械和自動化技術，得力于電子計算機的快速發(fā)展，使得機械手的生產與設計已經成為一門新興技術產業(yè)。我們可以把一些高危險、機械式重復而枯燥的工作交給機械手，這樣既減輕我們的體力勞動，又提高了生產效率。機械手在以下行業(yè)得到廣泛的應用，比如，零件的裝配、工件的搬運與拆卸、以及在數(shù)控機床上的自動換刀系統(tǒng)。</p><p>　　為了把機械手和機床的有機結合在一起，機械手隨著科學技術的

21、發(fā)展，已經發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元中一個重要組成部分。它主要應用在中小批量的生產，它可以省去工件運輸工具。而柔性生產系統(tǒng)比較適用于產品更新?lián)Q代比較快的品種，這樣既可以保證產品質量的穩(wěn)定性，又能更好的適用于市場發(fā)展的需求。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是

22、非常有意義的。</p><p><b>　　1.3設計意義</b></p><p>　　本設計通過對大學三年所學的知識進行整合，完成一個通用形式的普通圓棒料搬運的自動換刀機械手的設計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠實現(xiàn)理論和實踐的有機結合。</p>&

23、lt;p>　　目前，在國內很多工廠的生產中圓棒料的搬運擺放仍由人工完成，勞動強度大、生產效率低。為了提高生產加工的工作效率,降低成本,并使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應現(xiàn)代自動化大生產,針對具體生產工藝,利用機器人技術。為了提高生產率，我們特意設計了應用性比較廣泛的自動換刀機械手，從減輕工人的機械式體力勞動。</p><p>　　在現(xiàn)在的機械加工中，機械手手的普遍應用具有十分重要的意義。具體概括如下：&l

24、t;/p><p>　　1、以提高生產過程中的自動化程度</p><p>　　機械手的應用可以實現(xiàn)材料自動運輸、工件的安裝與拆卸、自動換刀以及零件的裝配，從而節(jié)省大量不必要的時間。</p><p>　　2、以改善工作條件，提高人身安全</p><p>　　比如，一些高溫、高壓、噪聲比較大、高污染的工作環(huán)境、以及對人體有大量傷害的有毒氣體和放射線，一

25、般這樣的環(huán)境不適合工人長時間在里面工作，所以機器人的使用無疑是比較好的選擇。機器人基本上可以代替人的大量機械式重復勞動，這樣不僅可以減輕工人的勞動強度，還可以改善勞動條件，提高工人的安全性。</p><p>　　有一些簡單的工作總是機械式的重復操作，時間長了很容易造成工人的極度疲勞或疏忽，很容易造成一些不必要的人身事故。</p><p>　　3、可以減輕人力，讓工作更有秩序</p&g

26、t;<p>　　比如，機械手可以代替我們去完成枯燥無味而又機械式重復的工作，這樣既可以減少人力，又可以保證一定的工作精度。還有一些流水線上的工作，本來就需要大量的人力資源，而且又需要比較高的工作效率和工作精度，但是有些工人卻不能跟上流水線的速度，這就很容易造成流水線上工作秩序的混亂，嚴重的影響生產效率的提高。由于自動控制技術的快速發(fā)展，特別是機器人的發(fā)展，讓機器人反映更加靈敏，機械精度更高，完全可以跟上比較緩慢的流水線，這

27、樣是整個流水線更加有秩序。</p><p>　　綜上所述，機械手使以后的工作更加有效率，是未來機械工業(yè)發(fā)展的趨勢。</p><p>　　1.4論文的主要工作</p><p>　　針對本次設計的要求，并總結自動換刀機械手的工作原理，我做了一下工作：</p><p>　　剛開始時，主要是從指導老師那里找一些資料，并綜合這些資料，初步設計出本次畢業(yè)

28、設計的目錄。</p><p>　　為了使內容更貼近設計的要求，我在校圖書館查閱了很多關于機械手方面的資料，并綜合這些資料，然后記錄重要成分，最后把這些資料應用到所做的設計當中。</p><p>　　整合所有資料，并根據設計要求，做出設計的雛形論文，最后將內容排版，初步完成設計論文。</p><p>　　將做好論文交給指導老師查看，指導老師對我所做的論文內容及格式中出

29、現(xiàn)的不足做出指導，然后我根據老師的要求再次對論文做出修改，如此反復，最后將論文定稿。</p><p>　　根據論文內容進行答辯。</p><p>　　第二章 機械手總體設計方案</p><p><b>　　2.1機械手類型</b></p><p>　　2.1.1根據機械手的應用范圍分類</p><p

30、>　　(1)專用機械手一般沒有單獨的控制系統(tǒng)，而且只有固定的控制程序。這種機械手結構比較簡單，制造成本較低，適用于動作比較簡單且工作量比較大的場合。它通常安裝到某種機器或生產線上，用來自動傳送物件或夾持某種工件或刀具等操作功能。</p><p>　　(2)通用機械手具有獨立專門的控制系統(tǒng)，并且控制程序可以根據需要進行修改?？梢园惭b在各種機器上，能獨立完成工件的夾持與搬運以及刀具的安裝與拆卸。通用機械手因其工

31、作方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是分散的點動控制，故屬于程序控制類型，而伺服型是集點位控制和連續(xù)軌跡控制于一體的控制方式，通常認為屬于數(shù)字控制模型。這種機械手因手指結構可以根據需要更換，程序可以由用戶改換，可用于中、小批次的生產。但因其運動和結構復雜性，所以需要較高的設計要求，造成成本過高。</p><p>　　2.1.2按機械手手臂的運動坐標型式分類</p><p>　　

32、(1)直角坐標式機械手手臂 具有X、Y、Z三個方向上的自由度，即分別可以沿X、Y、Z三個直角坐標軸的方向上往返運動。我叫做機械手的前后伸縮、上下升降和左右移動。</p><p>　　(2)圓柱坐標式機械手手臂 可以沿X和Z兩個直角坐標軸移動，以及繞 Z 軸的轉動，我們叫做機械手的前后伸縮、上下升降和左右擺動。</p><p>　　(3)球坐標式機械手臂 沿X軸方向上的移動，以及繞 Y 軸和

33、 Z 軸的轉動。即機械手臂可以完成前后方向的伸縮、上下方向的擺動和左右方向上的轉動。</p><p>　　(4)多關節(jié)式機械手臂 此機械手的臂部可化分成大臂和小臂兩個部分。可以用鉸鏈將大小臂以及大臂和機體進行連接起來。即小臂可繞大臂上下擺動，同時大臂也可繞機體多角度擺動。</p><p>　　機械手手臂的運動坐標型式如圖2-1所示:</p><p>　　2.1.3按

34、機械手的驅動方式分類</p><p>　　由于工作的需要，特將機械手按驅動方式進行了如下分類：</p><p>　　(l)以壓力油進行驅動的液壓驅動機械手</p><p>　　(2)以壓縮空氣進行驅動的氣壓驅動機械手</p><p>　　(3)直接用電動機進行驅動的電力驅動機械手</p><p>　　(4)將發(fā)動機的動

35、力通過動力傳動機構傳給機械手的一種驅動方式叫做機械驅動機械手。</p><p>　　綜合各種技術要求，我們選用圓柱坐標型氣壓驅動機械手。本課題要求機械手具有較高的的定位精度、較快的反應速度，比較大的承載能力，以及工作空間比較寬廣和靈活的自由度，并具有自動定位的能力。擬定機氣動機械手設計的原則是根據工作對象的工作條件、運動要求和定位精度，從分利用現(xiàn)有的機械設計條件和設計能力，在滿足機械手各方面上的使用要求的前提下，

36、選擇最經濟的設計方案。并盡量選擇標準件進行設計，這樣既可以簡化設計過程，又可以在較低的制造成本上，提高產品的通用性。</p><p>　　2.2機械手的坐標形式與自由度</p><p>　　根據機械手手臂運動形式和自由度的不同，通常將其劃分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型和多關節(jié)坐標型，它們的特點如下：</p><p><b>　　1、直角坐標型<

37、/b></p><p>　　(1) 有三個方向上的直線自由度，簡單易懂。</p><p>　　(2) 機械結構簡單。</p><p>　　(3) 對一定的結構長度，宜采用兩端支持，剛性比較好。</p><p>　　(4) 因其移動空間比較大，側該機構占用空間大。</p><p>　　(5) 必須在較大的空間進行安

38、裝。</p><p>　　(6) 很難對各滑動部件進行密封，側容易受到污染。</p><p><b>　　2、圓柱坐標型</b></p><p>　　(1) 同樣結構簡單易于設計。</p><p>　　(2) 若要求有較大的動力輸出，直線部分可采用液壓進行驅動。</p><p>　　(3) 可以將

39、機械手部分伸入到機器的型腔內部。</p><p>　　(4) 機械手的氣爪部所能到達的空間受到限制，很難接觸到立柱和地面的位置。</p><p>　　(5) 直線驅動模的密封性、防塵及防御腐蝕性較差</p><p>　　(6) 手臂收縮時，手臂后端只能在一定的工作范圍內運動。</p><p><b>　　3、球坐標型</b&g

40、t;</p><p>　　(1) 工作范圍較大的地方在中心支架附近。</p><p>　　(2) 直線驅動部分存在密封性差的情況。</p><p>　　(3) 需要較大的工作空間。</p><p>　　(4) 也有工作死區(qū)部分。</p><p>　　(5) 轉動部分密封比較容易。</p><p>

41、;　　(6) 由于坐標系很復雜，設計較困難。</p><p><b>　　4、多關節(jié)坐標型</b></p><p>　　(1) 工作空間比較寬廣，并且動作較靈活。</p><p>　　(2) 關節(jié)的密封性比較好。</p><p>　　(3) 可以在水下等要求比較低的工作條件下工作。</p><p>

42、;　　(4) 電動機比較容易實現(xiàn)動力的提供。</p><p>　　(5) 其運動狀態(tài)比較難以控制，機械結構的設計比較困難，不適合用液壓進行驅動。</p><p>　　可以將機械手的運動分為主運動和輔助運動。機械手的主運動包括立柱和手臂的運動，因主運動改變了工件空間的空間狀態(tài)。輔助運動包括手指和手腕的運動，因為他們分別改變工件的姿態(tài)，以及工件的位置和方位。</p><p&

43、gt;　　為了使機械手具有升降、伸縮和回轉運動，故選用圓柱坐標型機械手，因此機械手得到三個自由度。為了彌補立柱升降過程中造成的較大的震動和手臂的伸縮造成的機械剛度不足，我們增加了一個具有短行程升降的小臂結構，從而使機械手將刀具從刀庫中拔出，即在豎直方向上增加了一個自由度。所以，機械手總共具有四個運動自由度。圖2-2為機械手的運動示意圖。</p><p>　　我們稱升降行程比較大部分為立柱，行程較小的升降部分為小臂

44、。有時為了增加機械手的通用性，我們可以增加手腕部，使其具有回轉運動。此機械手省略手腕部分。</p><p>　　2.3機械手工作過程及工步時間分配</p><p>　　2.3.1確定完成動作及順序</p><p>　　換刀機械手的布局示意圖如圖2-3所示。圖中換刀機械手的初始位置在與刀架垂直90°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

45、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，并根據需要使刀庫旋轉適適當?shù)慕嵌?。機械手要把刀具送到刀架上，需要完成以下幾個動作：</p><p>　　(1)水平伸出——機械手水平機構伸出70mm，到達刀庫正上方。</p><p>　　(2)豎直下降——小臂升降機構下行30mm，使手部夾持機構到達與刀柄水平的位置。</p><p>　　

46、(3)夾緊——手臂機構迅速夾緊刀柄。</p><p>　　(4)豎直上升——待刀柄被夾緊后，小臂升降機構上行30mm，將刀具提出刀庫。</p><p>　　(5)水平收縮——水平機構快速收縮70mm，整個機構回到初始位置。</p><p>　　(6)擺動——機械手逆時針擺動90°，使機械手正對刀架。</p><p>　　(7)豎直下

47、降、松開——小臂升降機構下行30mm，將刀具放在刀架上，同時手部機構松開工件。</p><p>　　(8)豎直上升——小臂升降機構上行30mm，回到原始極限位置。</p><p>　　(9)擺動——機械手順時針擺動90°，回到初始位置。</p><p>　　當機械手完成換刀動作后，刀架上的推爪把刀具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

48、。</p><p>　　2.3.2工步時間分配</p><p>　　經研究決定機械手完成整個換刀過程需要5.5s，根據上述換刀的各個過程，對時間進行分配，如表2.1所示：</p><p>　　表2.1 機械手運動過程與時間分配</p><p>　　2.4機械手的結構設計方案</p><p>　　本方案采用模塊化的設計方

49、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。其結構示意圖如圖2-4所示：</p><p>　　2.5機械手的驅動方案</p><p>　　機器人關節(jié)的驅動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅動方式進行分析比較。</p><

50、p><b>　　1、液壓驅動</b></p><p>　　機器人的驅動系統(tǒng)采用液壓驅動，有以下幾個優(yōu)點：</p><p>　　(1)能夠輸出較大的力和力矩，同時能夠快速響應，定位精度比較高。</p><p>　　(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，又可以使其結構簡單。</p><p>　　

51、(3)可以方便的實現(xiàn)變速和方向控制，自動化程度比較高。</p><p>　　(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。</p><p>　　但液壓系統(tǒng)由于產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。</p><p><b>　　2、氣壓驅動</b></p><p>　　(1)機械結構

52、簡單，氣體選取方便，并且干凈環(huán)保。</p><p>　　(2)在管路中壓縮空氣流動速度比較快，所以該系統(tǒng)動作響應比較快。</p><p>　　(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。</p><p><b>　　3、電動機驅動</b></p><

53、p>　　電動機驅動可分為普通交、直流電動機驅動，交、直流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。</p><p>　　普通交、直流電動機驅動需要用減速機構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

54、用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，因為他們的控制精度不是很高。</p><p>　　各種驅動方式及特點如表2.2所示。</p><p>　　表2.2 各種驅動方式及特點的比較</p><p>　　綜合進行各方面的比較，我們選擇氣壓驅動系統(tǒng)，應為其結構簡單、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，在當今機械加工中應用比較廣泛。<

55、/p><p>　　第三章 機械手的機械系統(tǒng)設計</p><p>　　3.1機械手伺服系統(tǒng)設計</p><p>　　3.1.1氣動伺服系統(tǒng)設計</p><p>　　本課題機械手要求能實現(xiàn)伸縮、回轉、升降等的動作，每一個動作都是由電氣-氣壓伺服系統(tǒng)驅動的，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。</p><p

56、>　　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3-1所示，1-放大器、2-電氣伺服閥、3-氣缸、4-機械手手臂、5-齒輪齒條機構、6-電位器和7-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)。當電位器的觸頭處于中位時，觸頭上沒有電壓輸出。當它偏離這個位置時，由于產生了偏差就會輸出相應的電壓。電位器觸頭產生的微弱電壓，經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，步進電動機的偏轉方向以及角位移

57、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，所以當手臂帶動齒輪轉動時，電位器殼體同齒輪一起轉動，形成負反饋。</p><p>　　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過一定的角度(假定為順時針方向轉動)，動觸頭偏離電位器中位，產生微弱電壓，經放大器放大后，輸入給電氣伺服閥的控制線圈，使伺服閥產生一定

58、的開口量。這時，壓縮空氣經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動。當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動，手臂縮回。</p><p>　　根據

59、模擬換刀機械手的動作要求，在驅動系統(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3-2所示：</p><p>　　3.1.2電氣伺服閥</p><p>　　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系。</p><p>　　

60、由于電氣元件具有多方面的適應性，信號的檢測、傳輸、綜合、放大等都很方便，而且?guī)缀醺鞣N物理量都能轉換成電量，故氣動伺服系統(tǒng)中的輸入量以電信號居多，轉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換元件的可動部件上，通過其中的彈性元件轉變?yōu)槲灰?，通過此位移來調節(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。</p><p>　　電氣伺服閥是由電-機械轉換器(轉換元件

61、)和氣動放大器(放大元件)所組成。驅動電-機械轉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。</p><p>　　氣動放大器的結構形式有滑閥、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：</p><p>　　如圖3-3所示，若伺服放大器輸出的偏差信號(即設定的指令信號與反饋信號之差)經

62、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換器(結構原理如圖3-4)噴嘴處的氣體流量發(fā)生不均等的變化，因而造成一側噴嘴背壓腔壓力升高，另一側轉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。現(xiàn)假定以右側轉換器為例考察其動作原理，當桿件在偏差信號作用上偏離中向平衡位置移向

63、右側轉換器，由于擋板與噴嘴間隙減小，則隨著噴嘴背壓腔內壓力升高，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腔菌狀閥口開大，而C腔的小菌狀提動閥閥口關閉，這樣，由進氣口流入的控制氣流經過節(jié)流閥調節(jié)針閥流向氣壓缸，驅動活塞桿工作；與此同時，相反一側的左轉換器(各腔符合同右側，只是符號右上腳打“ˊ”來表示左側，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，而使左側帶噴嘴的閥座在Cˊ腔(與右側C腔

64、相對應)壓力作用下向右移動，菌狀提動閥在左</p><p>　　上圖中，零位(點)調整彈簧左右端均與帶擋板的桿件相聯(lián)，起著機械零位調整和對中彈簧補償作用；增益調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，當偏差信號超過某一數(shù)值后才接觸。它的作用是根據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。</p>

65、<p>　　3.2機械手執(zhí)行機構設計</p><p>　　執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。其中，每個執(zhí)行機構都要進行相應的氣動元件設計，必要的還要加裝導向裝置。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。下面分別對各驅動元件進行計算與選擇，并設計機械連接件與導向裝置。</p><p>　　

66、3.2.1機械手手部設計</p><p>　　進行機械手設計時應考慮以下問題：</p><p>　　(1) 應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力，應考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需要的驅動力大小是不同的。</p><p>　　(2) 手指應具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。</p><p>　　(3) 在保證本身剛度，強度的前提下，盡可能使

67、結構緊湊，重量輕，以利于減輕手臂負載。</p><p>　　(4) 應保證手抓的夾持精度。</p><p>　　通過綜合考慮，本設計選擇二指雙支點回轉型手抓，采用滑槽杠桿式，夾緊裝置采用常開式夾緊裝置，他在氣壓的控制下實現(xiàn)手抓的閉合。</p><p>　　圖3-5為常見的滑槽杠桿式手部結構。</p><p>　　3.2.2手臂結構設計<

68、/p><p>　　手臂是機械手的主要部分，它是支撐被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。前面已經敘述了，按照抓取工件的要求，本機械手有四個自由度，即手臂的伸縮、小臂的升降、立柱的回轉和升降運動。對手臂結構的要求：一是重量盡量輕，以達到動作靈活、運動速度高、節(jié)約材料和動力，同時減少運動的沖擊；二是要有足夠的剛度，以保證運動精度和定位精度。手臂的結構設計重點是驅

69、動力的計算。</p><p><b>　　1、小臂升降模塊</b></p><p>　　小臂升降模塊安裝在手臂伸縮模塊上，其作用是將模擬刀具從刀庫插孔(刀架槽)中提出或插入，采用單桿雙作用氣缸。</p><p>　　對于直線運動氣缸的缸徑，可按載荷/安全系數(shù)選取。氣缸活塞桿的穩(wěn)定性與工作壓力、安裝形式、最大行程有關，即使氣缸不受橫向載荷也需要加

70、上導向裝置，保證氣缸按正確方向運行。</p><p>　　(1)氣缸內徑的確定</p><p>　　由作用在活塞桿上的工作載荷和初選的工作壓力，利用下述公式可計算出缸徑D。當活塞桿輸出推力克服載荷做功時</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中：D—氣缸內徑(m)</p>&

71、lt;p>　　—活塞上的推力(或稱工作載荷)(N)</p><p>　　p—初選的工作壓力(Pa)，一般為P=0.51Mpa</p><p>　　?—總機械效率，當氣缸動態(tài)性能要求工作顴率高時，取?=0.3～0.5。速度低時取大值，速度高時取小值。氣缸動態(tài)性能要求一般，工作頻率較低時，可取0.7～0.85。</p><p>　　當活塞桿輸出拉力克服載荷做功時&

72、lt;/p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中：F2—活塞桿的拉力(N)；</p><p>　　d—根據拉力預先估定的活塞桿直徑。估定活塞桿直徑d/D=0.16～0.5。</p><p>　　把d/D=0.16～0.5代入上式得</p><p><b>　?。?

73、-3）</b></p><p>　　將式(3-1)與式(3-3)相比，D取大值， </p><p><b>　　(2)氣缸耗氣量</b></p><p>　　氣缸耗氣量與氣缸直徑D、行程S、缸的動作時間和換向閥到氣缸管道的容積有關。忽略氣缸管道容積時，則氣缸的單位時間壓縮空氣消耗量按下式計算</p><p>

74、<b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中：Q—每秒鐘壓縮空氣消耗量(）</p><p>　　、—氣缸無、有活塞桿端進氣時壓縮空氣消耗量（）</p><p>　　D、d—缸的內徑和活塞桿直徑(m)</p><p>　　—氣缸活塞桿伸出與縮回時所需時間(s)</p><p>　　S—氣

75、缸的行程(m)。</p><p>　　(3)小臂升降氣缸計算</p><p>　　根據換刀機械手立柱升降氣缸運動過程的要求，氣缸收縮時承受的外力F≤15N，行程為30mm，伸出或縮回的時間為0.3s。其主要尺寸的確定如下：</p><p><b>　　A、缸徑D的計算：</b></p><p><b>　　B、

76、耗氣量計算</b></p><p>　　缸徑D=20mm，行程s=30mm，時間t=0.3s，依據公式(3-4)，得：</p><p><b>　　C、驗算輸出力</b></p><p>　　設，當P=0.5Mpa時，該氣缸的推力為102N，而拉力為80N，均遠遠大于實際需要的15N緩沖</p><p>　　

77、該氣缸終端位置的沖擊能量為：</p><p>　　設，當P=0.5Mpa時，終端位置的最大沖擊能量為0.1Nm>0.0075Nm，所以安全。</p><p>　　2、根據氣缸的運動要求，設：氣缸收縮時承受的外力F≤15N(慣性負載較大)，行程為70mm，伸出或縮回的時間為0.3s。其主要尺寸的確定如下：</p><p><b>　　（1)缸徑D的計算

78、</b></p><p>　　取d/D=0.5，依據公式(3-3)，取P=0.5Mpa，?=0.3計算，即</p><p><b>　　(2)耗氣量計算</b></p><p>　　水平缸缸徑D=32mm，行程S=70mm。時間t=0.3s，依據公式(3-4)，得：</p><p><b>　　3、

79、立柱升降模塊</b></p><p>　　立柱是安裝在與基座連接的轉臺之上，用以支撐手臂并帶動它升降和移動的機構。對立柱的設計要求是堅固，剛性好。</p><p>　　根據換刀機械手立柱升降氣缸的運動要求，氣缸收縮時承受的外力F≤60N，行程為100mm，伸出或縮回的時間為0.4s。其主要尺寸的確定如下：</p><p><b>　　(1)缸徑

80、D的計算</b></p><p>　　取d/D=0.5，依據公式(3-3)取P=0.5Mpa, ?=0.3計算，即</p><p><b>　　2)耗氣量計算</b></p><p>　　缸徑D=16mm，行程S=100mm，t=0.4s，依據公式(3-4)，得：</p><p><b>　　4、手

81、臂的回轉模塊</b></p><p>　　擺動氣缸是利用壓縮空氣驅動輸出軸在一定角度范圍內作往復回轉運動的氣動執(zhí)行元件，用于物體的轉位、夾緊、閥門的開閉以及機械手的手臂動作等。擺動氣缸有齒輪齒條式和葉片式兩大類。本機械手臂采用齒輪齒條式擺動氣缸。</p><p>　　表3.1 擺動氣缸的比較</p><p>　　3.2.3基座結構設計</p>

82、<p>　　基座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于基座上，是支撐機械手全部重量的構件。對其結構的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀?；Y構從形式上可分為落地式和懸掛式，或分為固定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機械手工作時基座應給予以固定。根據總體設計中換刀機械手的設計要求，本機械手的基座采用落地固定式。</p><p>　　換刀機械手立柱模塊需要一個

83、旋轉模塊，擺動氣缸則應固定在基座上。如果水平缸、垂直缸和手部機構直接安裝到擺動氣缸輸出軸上，機構雖然簡單，但擺動氣缸的軸向受力增大，對氣缸的自身要求較高，容易造成擺動氣缸的損壞。同時，機械手本身重心偏離立柱軸線對擺動氣缸轉動軸產生傾覆力矩。所以采用一個連接組件，將機械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機架來承擔。該連接組件主要由四個部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉臺和扣罩，如圖3-6所示，采用雙向推力球軸承可以方便地將軸承內環(huán)與轉臺連接，外

84、環(huán)用扣罩固定在底座上。另外，推力軸承要選擇公稱尺寸相對較大一些的，這樣可以更好地承受傾覆力矩。</p><p>　　第四章 總結與展望</p><p><b>　　4.1總結</b></p><p>　　本文對自動換刀機械手的結構、類型、坐標形式、自由度、驅動方案以及伺服系統(tǒng)的一些普遍性問題進行了深入的研究，并對機械手的執(zhí)行機構進行了設計。現(xiàn)

85、對已解決的問題總結如下：</p><p>　　l、根據系統(tǒng)的設計要求，即換刀機械手的工作環(huán)境以及工作過程，并依此確定了機械手坐標形式和自由度以及各關節(jié)運動參數(shù)。介紹了模塊化設計原理以及氣動機械手的模塊劃分。對自動換刀機械手進行了總體方案設計。</p><p>　　2、對機械手電氣-氣壓伺服系統(tǒng)進行設計。執(zhí)行機構仍使用標準氣缸，與傳統(tǒng)氣壓驅動不同的是，運用電氣伺服閥實現(xiàn)閉環(huán)的伺服系統(tǒng)控制，由

86、齒輪齒條機構檢測到機械手的位移，通過電位器轉換成電信號，反饋到電氣伺服閥，控制壓縮空氣的流量，從而控制氣缸的位移量。</p><p>　　總之，本次畢業(yè)設計不僅從機械手的總體設計方面，對機械手的劃分類型、構成、系統(tǒng)功能設計以及自由度等方面做出了詳細以及明確地設計。同時，在此之前，還做了大量的方案，這對設計過程提供了很大的助力。通過本次設計，我對機械手的內部構造以及運動過程的了解有了進一步的提高。</p>

87、;<p>　　當然，在對機械手設計的過程中，也用到了很多技術，典型的技術就是伺服技術，這之中不僅包括氣動伺服，還有電氣伺服，這是推動機械手運作的裝置，就好像心臟一般，有著不可或缺的作用！</p><p>　　與此同時，正如上文機械手的發(fā)展背景所講，隨著時代的發(fā)展，機械手的應用越來越普遍，它已成為各個產業(yè)中不可或缺的一部分，它能代替人們完成很多需要復雜加工的工序，同時，還能使加工出來的部件更加完美。當

88、然，有時需要加工的工種比較繁重，這時，機械手的應用就能最大化的減輕工人的負擔，最終達到利益的最大化。</p><p>　　所以說機械手使以后的工作更加有效率，是未來機械工業(yè)發(fā)展的趨勢。</p><p><b>　　4.2展望</b></p><p>　　本課題在完成機械手結構設計的基礎上，進一步設計了機械手的驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。由于時間的限制，

89、一些問題未來得及研究，具體有：</p><p>　　1、機械手的力控制問題</p><p>　　當機械手在空間跟蹤軌跡運動時，可采用位置控制，但當末端執(zhí)行器與機械手工作環(huán)境發(fā)生碰撞時，純粹的位置控制已經不適用了。如今，一些機械手已經能夠實現(xiàn)簡單的力控制，如磨削和去毛刺。顯然工業(yè)機械手的下一個大量應用領域將會是在裝配線作業(yè)中執(zhí)行一個或多個零件的裝配任務。在這種零件裝配任務中，接觸力的監(jiān)控非常

90、重要。使用機械手完成裝配任務要求零件之間的位置精度非常高。目前工業(yè)機械手一般不能勝任如此精確的任務。高精度機械手只能以尺寸、重量和成本為代價來實現(xiàn)。然而，測量和控制手部產生的接觸力為提高機械手的精度提供了一種有效的方法。</p><p>　　由于使用相對測量方法，機械手和被操作對象的絕對位置誤差不像它們在純位置控制系統(tǒng)中那樣重要了。當中等剛度的零件相互作用時，相對位置的微小變化會產生很大的接觸力，因此，了解并控制

91、這些力可以極大地提高有效位置精度。</p><p>　　2、機械手運動軌跡的生成</p><p>　　為了進一步提高機械手的通用性，就要解決如何通過人機交互指定機械手通過空間的一條軌跡或路徑。為了使用戶便于對機械手的運動進行描述，不應當要求用戶必須寫出復雜的時間和空間的函數(shù)才能指定機械手任務。相反，應該允許用戶通過簡單的描述來指定機械手的期望運動，然后由系統(tǒng)來完成詳細的計算。用戶可能只需要

92、給定末端執(zhí)行器期望的目標位姿，而由系統(tǒng)來確定到達目標的準確路徑、時間歷程和速度曲線等等。此外，如果能簡單地把機械手運動的期望目標點告訴機械手系統(tǒng)，讓系統(tǒng)自行決定所需中間點的位置和數(shù)量，以使機械手到達目標而不碰到任何障礙，這將是非常方便的。</p><p>　　3、氣壓伺服技術的控制理論研究</p><p>　　在氣壓伺服系統(tǒng)方面，因工作介質可壓縮性大所造成的輸出剛度低、固有頻率低和響應慢等

93、缺點，應提高供氣壓力，即向中、高壓供氣發(fā)展；或在氣壓動力回路中實施某種補償方法等，以提高控制精度。在氣壓伺服系統(tǒng)的控制方法上，需廣泛的引入現(xiàn)代控制理論和智能控制等方法。對氣動伺服系統(tǒng)分析不應只局限于位置控制的研究分析，對速度的控制及力的控制有待作進一步研究</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在論文完成之際，我首先向關心幫助和指導我的指導

94、老師**老師表示衷心的感謝并致以崇高的敬意！ </p><p>　　在論文工作中，遇到了很多問題，涉及到排版，格式等等，一直得到*老師的親切關懷和悉心指導，使我克服重重困難，并最終完成設計。*老師以其淵博的學識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、求實的工作作風和他敏捷的思維給我留下了深刻的印象，我將終生難忘。再一次向她表示衷心的感謝，感謝她為學生營造的濃郁學術氛圍，以及學習、生活上的無私幫助! 值此論文完成之際，謹向薛老師致以最崇

95、高的謝意!</p><p>　　在學校的學習生活即將結束，回顧兩年多來的學習經歷，面對現(xiàn)在的收獲，我感到無限欣慰。為此，我向熱心幫助過我的所有老師和同學表示由衷的感謝!</p><p>　　在我即將完成學業(yè)之際，我深深地感謝我的家人給予我的全力支持！</p><p>　　最后，衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家、教授</p><p&

96、gt;<b>　　參考文獻</b></p><p>　　陸祥生，楊秀蓮編.機械手理論及應用.北京：中國鐵道出版社，1985</p><p>　　機電傳動與控制(第三版)/程憲平 主編—武漢：華中科技大學出版社，2010—9</p><p>　　孫樹棟.工業(yè)機器人技術基礎.西安：西北工業(yè)大學出版社，2006</p><p>

97、;　　孫好章.基于神經網絡的機械手控制系統(tǒng)的研究.無錫：江南大學，2008</p><p>　　李文明.曲軸搬運機械手的研究與設計.武漢：華中科技大學，2007</p><p>　　鄧康一.氣動機械手的結構設計及伺服控制研究.西安：西安建筑科技大學，2008</p><p>　　《工業(yè)機械手編寫設計基礎》編寫組.工業(yè)機械手設計基礎.天津：天津科學技術出版社，1979

98、</p><p>　　李超.氣動通用上下料機械手的研究與開發(fā)[D].西安：陜西科技大學，2003</p><p>　　王承義.機械手及其應用.北京：機械工業(yè)出版社，1981</p><p>　　戚昌滋，楊紅旗，雷文字.機械現(xiàn)代設計方法學.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987</p><p>　　肖瓏.液壓與氣動傳動技術.西安：西安電子科技大學出

99、版社，2007</p><p>　　李建藩.氣壓傳動系統(tǒng)動力學.廣東：華南理工大學出版社，1991</p><p>　　天津大學《工業(yè)機械手設計基礎》編寫組.工業(yè)機械手設計基礎.天津：天津科學技術出版社，1980.</p><p>　　徐灝. 機械設計手冊第5卷[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.</p><p>　　齊進凱.氣動機械手的