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第一章绪论1.1气动机械手的概述我国国家标准(GB/T12643–90)对机械手的定义:“具有和人手臂相似的动作功能,可在空间抓放物体,或进行其它操作的机械装置。”机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手:它作为整机的附属部分,动作简单,工作对象单一,具有固定(有时可调)程序,使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手,自动换刀机械手,装配焊接机械手等装置。通用机械手:它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。它的工作范围大,定位精度高,通用性强,广泛应用于柔性自动线。机械手最早应用在汽车制造工业,常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手扩大了人的手足和大脑功能,它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调的重复劳动,提高劳动生产率,保证产品质量。目前主要应用于制造业中,特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。机械手与数控加工中心,自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS),实现生产自动化。随着生产的发展,功能和性能的不断改善和提高,机械手的应用领域日益扩大。1.1.1气动技术气动技术—这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术,在加工制造业领域越来越受到人们的重视,并获得了广泛应用。目前,伴随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展,气动技术也不断创新,以工程实际应用为目标,得到了前所未有的发展。气动技术(Pneumatics)是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。“Pneumatics”一词起源于希腊文的“Pneuma”,其原义为“呼吸”,后来才一演变成“气动技术”。气动技术因具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单,以及防火、防爆、抗电磁干扰、抗幅射等优点广泛应用于汽车制造、电子、工业机械、食品等工业产业中。随着新材料、新技术、新工艺的开发和应用,气动技术己经突破传统的设计、制造理念,正在IC/LCD、微电子、生物制药、医疗机械等高技术领域扮演着重要角色。随着生产自动化程度的不断提高,气动技术应用面迅速扩大,气动产品品种规格持续增多,性能、质量不断提高,市场销售产值稳步增长。在工业技术发达的欧美、日本等国家,气动元件产值已接近液压元件的产值,而且仍以较快的速度在发展。气动工业的高速增长,进一步刺激了气动技术的发展。气动技术正朝着精确化、高速化、小型化、复合化和集成化的方向发展。1.1.2气动机械手工业机械手使用最多的一种驱动方式是电机驱动。驱动电机一般采用步进电机、直流伺服电机以及交流伺服电机。由于电机速度高,通常须采用减速机构(如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等)。这类机械手的特点是控制精度高,驱动力较大,响应快,信号检测、传递、处理方便,并可以采用多种灵活的控制方案。但是由于这类机械手价格昂贵,限制了在一些场合的广泛应用。因此,人们开始寻求其它一些经济适用的机械手驱动方式。随着气动技术获得了快速发展,其利用成本性能比低廉及同时具有许多优点的气动设备,在满足社会生产实践需要的同时也越来越多的受到重视。气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术。气动机械手与其它控制方式的机械手相比,具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点,表1.1给出了各种控制方式的比较。表1.1各种控制方式的比较项目气压传动液压传动电气传动机械传动系统结构简单复杂复杂较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高续表1.1动作速度大稍大大小响应速度慢快快中清洁度清洁可能污染清洁较清洁维护简单比气动复杂需要专门技术简单价格一般稍高高一般技术要求较低较高最高较低控制自由度大大中小危险性几乎没问题注意火一般无问题无特殊问题气动机械手是在己有的机械手基础上发展起来的。二者之间的区别在于气动机械手发展的起点颇高,它强调模块化的形式,把专用机械手和通用机械手结合起来。现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由智能阀岛来处理,气动伺服定位系统代替了伺服电机、步进马达或液压伺服系统;气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作;主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式,使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用情况的要求,选择相应功能和参数的模块,像积木一样随意的组合,这是一种先进的设计思想,代表气动机械手今后的发展方向,也将始终贯穿着气动机械手的发展及实用性。因此,气动机械手可以代替一些功能不理想的工业机械手的地位,在目前的工业自动线上有着及其广泛的应用前景。1.2.机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。一般来说,机械手主要有以下几部分组成:1.手部(或称抓取机构)包括手指、传力机构等,主要起抓取和放置物件的作用。2.传送机构(或称臂部)包括手腕、手臂等,主要起改变物件方向和位置的作用。3.驱动部分它是前两部分的动力,因此也称动力源,常用的有液压气压电力和机四种驱动形式。4.控制部分它是机械手动作的指挥系统,由它来控制动作的顺序(程序)、位置和时间(甚至速度与加速度)等。5.其它部分如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。1.3机械手应用意义机械工业是国民的装备部,是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此,世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。新世纪,生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中,生产过程的机械化,自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来,不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度非常大,有时还会出现失误及伤害。显然,这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情况,它不存在重复的偶然失误,也能有效的避免了人身事故。在机械工业中,机械手的应用具有以下意义:1.可以提高生产过程的自动化程度应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业,大大地改善了工人的劳动条件。同时,在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3.可以减少人力,便于有节奏的生产应用机械手代替人手进行工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。因此,在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。1.4气动机械手的发展方向1)重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度,它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关[4]。重复精度是指如果动作重复多次,机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要,如果一个机器人定位不够精确,通常会显示一个固定的误差,这个误差是可以预测的,因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围,它通过一定次数地重复运行机器人来测定[13]。随着微电子技术和现代控制技术的发展,以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高,它的应用领域也将更广阔,如核工业和军事工业等[2]。2)模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术,而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置,使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承,使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能,扩大了机械手的应用范围,是气动机械手的一个重要的发展方向[23]。智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备,特别是紧凑型CP阀岛,它对分散上的集中控制起了十分重要的作用,特别对机械手中的移动模块。3)机电气一体化由“可编程序控制器~传感器~气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件,使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”;省配线的复合集成系统,不仅减少配线、配管和元件,而且拆装简单,大大提高了系统的可靠性[2,24]。而今,电磁阀的线圈功率越来越小,而PLC的输出功率在增大,由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC,而阀岛技术的发展,又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手[25]。第二章机械手的设计方案对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件,这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求,拟定最合理的作业工序和工艺,并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性,定位精度要求,抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等,从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件,简化设计制造过程,兼顾通用性和专用性,并能实现柔性转换和编程控制.2.1设计的基本理论简介工作空间的定义:机器人的工作空间是其正常运行时,手腕参考点能在空间活动的最大范围。工作空间是机器人的一项重要指标,是机器人研究的一项基本内容之一。当给定机器手结构尺寸时,要确定如何确定其工作空间,而当给定工作空间时,则要研究机械手具有什么样的结构。工作空间的确定一般来说有两种方法,几何法和包容正方形法。由于本次设计机构比较简单,所以没有必要计算出精确的工作空间。现在给出机械手的运动图。图2-1机械手的运动图总体设计要求机械手的尺度规划的优化设计和关键尺寸的优化设计。尺度优化设计要求当给定一组工作点时,需要使工作空间能够包络所有工作点,且尺寸最小;或者给定一组工作点,优化设计使工作空间能包含所有的工作点,且体积最大。总体设计还需要注意一些原则:(1)最小运动惯量原则。由于机械手运动部件的多,运动状态经常改变,必然产生冲击和震动,所以需要采用最小惯量原则来设计机械手,尽量减少这些对机械手不利的因素。(2)尺度优化原则。在机械手满足一定工作空间的前提下,通过尺度优化,设计出最小的机械手的结构,提高机械手的刚度,进一步减小运动惯量。(3)刚度设计原则。机械的设计中要合理的选择杆件剖面形状和尺寸,合理安排作用在机械手臂上的力矩,尽量减小机械手的变形。为便于设计出功能一定、能满足实际工业需求的产品,现将机械手的设计要求确定如下:用途小型搬运手负载1kg坐标型圆柱坐标最大工作半径mm机身最大中心高250mm手臂伸缩行程200手臂伸缩速度机身升降行程300机身升降速度机身回转范围机身回转速度60°/s2.2气动搬运机械手的结构机械手的种类很多,但按手臂坐标类型来分主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、SCARA型。本论文所针对的机械手属于圆柱坐标式,如图2.1所示,机械手主要是由基座和手臂两部分组成。基座的主要任务是支撑和完成手臂回转。手臂装在基座上,作上下直线运动,手部可夹紧/放
本文标题:气动机械手的设计
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