气动机械手的设计

- 1浙江同济科技职业学院毕 业 设 计题目 气动机械手的设计 系别 机电系专业 机电一体化 班级 机电 1101姓名 褚水荣学号 1103130105指导老师 文 斌日期 2014 年 5 月- 2摘 要气 动 机 械 手 是 能 模 仿 人 手 和 臂 的 某 些 动 作 功 能 ， 用 以 按 固 定 程 序 抓 取 、 搬 运 物件 或 操 作 工 具 的 自 动 操 作 装 置 。 它 可 代 替 人 的 繁 重 劳 动 以 实 现 生 产 的 机 械 化 和 自 动 化 ，能 在 有 害 环 境 下 操 作 以 保 护 人 身 安 全 ， 因 而 广 泛 应 用 于 机 械 制 造 、 冶 金 、 电 子 、 轻 工和 原 子 能 等 部 门 。本 文 主 要 进 行 了 气 动 机 械 手 的 总 体 结 构 设 计 和 气 动 设 计 。 机 械 手 的 机 械 结 构 由气 缸 、 气 爪 和 连 接 件 组 成 ， 可 按 预 定 轨 迹 运 动 ， 实 现 对 工 件 的 抓 取 、 搬 运 和 卸 载 。气 动 部 分 的 设 计 主 要 是 选 择 合 适 的 控 制 阀 ， 设 计 合 理 的 气 动 控 制 回 路 ， 通 过 控 制 和调 节 各 个 气 缸 压 缩 空 气 的 压 力 、 流 量 和 方 向 来 使 气 动 执 行 机 构 获 得 必 要 的 力 、 动 作 速度 和 改 变 运 动 方 向 ， 并 按 规 定 的 程 序 工 作 。关键词：气动机 械 手 ； 气 缸 ； 气 动 回 路 。- 3目 录1 绪 论1.1 机 械 手 简 史1.2 机 械 手 的 分 类1.3 机 械 手 的 组 成1.4 应 用 机 械 手 的 意 义2 机 械 手 总 体 设 计 方 案 和 气 动 回 路 的 设 计2.1 机 械 手 的 运 动 规 划2.2 机 械 手 基 本 形 式 的 选 择2.3 机 械 手 的 主 要 部 件 及 运 动2.4 驱 动 机 构 的 选 择2.5 机 械 手 的 技 术 参 数 列 表2.6 气 动 回 路 的 设 计3 气动系统元件的选取3.1.1 夹紧气缸选型3.1.2 平移及伸缩气缸选型3.1.3 升降气缸选型3.2.1 方向控制阀选取3.3 气动三联件选取4 结论致 谢参 考 文 献- 41 绪论机 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 。 不 论 是 传 统 产 业 ， 还 是 新 兴 产 业 ， 都 离 不 开 各 种 各 样 的 机 械 装 备 ， 机 械 工 业所 提 供 装 备 的 性 能 、 质 量 和 成 本 ， 对 国 民 经 济 各 部 门 技 术 进 步 和 经 济 效 益 有 很 大 的 和直 接 的 影 响 。 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 。工 业 机 械 手 是 近 几 十 年 发 展 起 来 的 一 种 高 科 技 自 动 化 生 产 设 备 。 工 业 机 械 手 的 是工 业 机 器 人 的 一 个 重 要 分 支 。 它 的 特 点 是 可 通 过 编 程 来 完 成 各 种 预 期 的 作 业 任 务 ， 在构 造 和 性 能 上 兼 有 人 和 机 器 各 自 的 优 点 ， 尤 其 体 现 了 人 的 智 能 和 适 应 性 。 机 械 手 作 业的 准 确 性 和 各 种 环 境 中 完 成 作 业 的 能 力 ， 在 国 民 经 济 各 领 域 有 着 广 阔 的 发 展 前 景 。机 械 手 是 在 机 械 化 ， 自 动 化 生 产 过 程 中 发 展 起 来 的 一 种 新 型 装 置 。 在 现 代 生 产 过程 中 ， 机 械 手 被 广 泛 的 运 用 于 自 动 生 产 线 中 ， 机 械 人 的 研 制 和 生 产 已 成 为 高 技 术 邻域 内 ， 迅 速 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 的 技 术 ， 它 更 加 促 进 了 机 械 手 的 发 展 ， 使 得 机 械 手能 更 好 地 实 现 与 机 械 化 和 自 动 化 的 有 机 结 合 。 机 械 手 虽 然 目 前 还 不 如 人 手 那 样 灵 活 ，但 它 具 有 能 不 断 重 复 工 作 和 劳 动 ， 不 知 疲 劳 ， 不 怕 危 险 ， 抓 举 重 物 的 力 量 比 人 手 力 大的 特 点 ， 因 此 ， 机 械 手 已 受 到 许 多 部 门 的 重 视 ， 并 越 来 越 广 泛 地 得 到 了 应 用 。机 械 手 技 术 涉 及 到 力 学 、 机 械 学 、 电 气 液 压 技 术 、 自 动 控 制 技 术 、 传 感 器 技 术 和计 算 机 技 术 等 科 学 领 域 ， 是 一 门 跨 学 科 综 合 技 术 。 机 械 手 是 一 种 能 自 动 化 定 位 控 制 并可 重 新 编 程 序 以 变 动 的 多 功 能 机 器 ， 它 有 多 自 由 度 ， 可 用 来 搬 运 物 体 以 完 成 在 各 个 不同 环 境 中 工 作 。1.1 机械手简史现 代 工 业 机 械 手 起 源 于 20 世 纪 50 年 代 初 ， 是 基 于 示 教 再 现 和 主 从 控 制 方 式 、能 适 应 产 品 种 类 变 更 ， 具 有 多 自 由 度 动 作 功 能 的 柔 性 自 动 化 产 品 。机 械 手 首 先 是 从 美 国 开 始 研 制 的 。 1958 年 美 国 联 合 控 制 公 司 研 制 出 第 一 台 机 械手 。 他 的 结 构 是 ： 机 体 上 安 装 一 回 转 长 臂 ， 端 部 装 有 电 磁 铁 的 工 件 抓 放 机 构 ， 控 制 系- 5统 是 示 教 型 的 。1962 年 ， 美 国 机 械 铸 造 公 司 在 上 述 方 案 的 基 础 之 上 又 试 制 成 一 台 数 控 示 教 再 现型 机 械 手 。 商 名 为 Unimate(即 万 能 自 动 )。 运 动 系 统 仿 造 坦 克 炮 塔 ， 臂 回 转 、 俯 仰 ，用 液 压 驱 动 ； 控 制 系 统 用 磁 鼓 最 存 储 装 置 。 不 少 球 坐 标 式 通 用 机 械 手 就 是 在 这 个 基 础上 发 展 起 来 的 。 同 年 该 公 司 和 普 鲁 曼 公 司 合 并 成 立 万 能 自 动 公 司 （ Unimaton） ,专门 生 产 工 业 机 械 手 。1962 年 ， 美 国 机 械 铸 造 公 司 也 试 验 成 功 一 种 叫 Versatran 机 械 手 ， 原 意 是 灵活 搬 运 。 该 机 械 手 的 中 央 立 柱 可 以 回 转 ， 臂 可 以 回 转 、 升 降 、 伸 缩 、 采 用 液 压 驱 动 ，控 制 系 统 也 是 示 教 再 现 型 。 虽 然 这 两 种 机 械 手 出 现 在 六 十 年 代 初 ， 但 都 是 国 外 工 业 机械 手 发 展 的 基 础 。1978 年 ， 美 国 Unimate 公 司 和 斯 坦 福 大 学 、 麻 省 理 工 学 院 联 合 研 制 一 种Unimate-Vic-arm 型 工 业 机 械 手 ， 装 有 小 型 电 子 计 算 机 进 行 控 制 ， 用 于 装 配 作 业 ， 定位 误 差 可 小 于 1 毫 米 。美 国 还 十 分 注 意 提 高 机 械 手 的 可 靠 性 ， 改 进 结 构 ， 降 低 成 本 。 如 Unimate 公司 建 立 了 8 年 机 械 手 试 验 台 ， 进 行 各 种 性 能 的 试 验 。 准 备 把 故 障 前 平 均 时 间 （ 注 ：故 障 前 平 均 时 间 是 指 一 台 设 备 可 靠 性 的 一 种 量 度 。 它 给 出 在 第 一 次 故 障 前 的 平 均 运 行时 间 ） ， 由 400 小 时 提 高 到 1500 小 时 ， 精 度 可 提 高 到 0.1 毫 米 。德 国 机 器 制 造 业 是 从 1970 年 开 始 应 用 机 械 手 ， 主 要 用 于 起 重 运 输 、 焊 接 和 设 备的 上 下 料 等 作 业 。 德 国 KnKa 公 司 还 生 产 一 种 点 焊 机 械 手 ， 采 用 关 节 式 结 构 和 程 序控 制 。瑞 士 RETAB 公 司 生 产 一 种 涂 漆 机 械 手 ， 采 用 示 教 方 法 编 制 程 序 。瑞 典 安 莎 公 司 采 用 机 械 手 清 理 铸 铝 齿 轮 箱 毛 刺 等 。日 本 是 工 业 机 械 手 发 展 最 快 、 应 用 最 多 的 国 家 。 自 1969 年 从 美 国 引 进 二 种 典型 机 械 手 后 ， 大 力 研 究 机 械 手 的 研 究 。 据 报 道 ， 1976 年 从 事 机 械 手 的 研 究 工 作 的大 专 院 校 、 研 究 单 位 多 达 50 多 个 。 1979 年 120 多 个 大 学 和 国 家 研 究 部 门 用 在 机 械手 的 研 究 费 用 42%。 1979 年 日 本 机 械 手 的 产 值 达 443 亿 日 元 ， 产 量 为 14535 台 。其 中 固 定 程 序 和 可 变 程 序 约 占 一 半 ， 达 222 亿 日 元 ， 是 1978 年 的 二 倍 。 具 有 记 忆功 能 的 机 械 手 产 值 约 为 67 亿 日 元 ， 比 1978 年 增 长 50%。 智 能 机 械 手 约 为 17 亿- 6日 元 ， 为 1978 年 的 6 倍 。 截 止 1979 年 ， 机 械 手 累 计 产 量 达 56900 台 。 在 数 量 上已 占 世 界 首 位 ， 约 占 70%， 并 以 每 年 50% 60%的 速 度 增 长 。 使 用 机 械 手 最 多 的是 汽 车 工 业 ， 其 次 是 电 机 、 电 器 。 预 计 到 1990 年 将 有 55 万 机 器 人 在 工 作 。第 二 代 机 械 手 正 在 加 紧 研 制 。 它 设 有 微 型 电 子 计 算 机 控 制 系 统 ， 具 有 视 觉 、 触 觉能 力 ， 甚 至 听 、 想 的 能 力 。 研 究 安 装 各 种 传 感 器 ， 把 感 觉 到 的 信 息 反 馈 ， 使 机 械 手 具有 感 觉 机 能 。 目 前 国 外 已 经 出 现 了 触 觉 和 视 觉 机 械 手 。第 三 代 机 械 手 （ 机 器 人 ） 则 能 独 立 地 完 成 工 作 过 程 中 的 任 务 。 它 与 电 子 计 算 机和 电 视 设 备 保 持 联 系 。 并 逐 步 发 展 成 为 柔 性 制 造 系 统 FMS(Flexible Manufacturing system)和 柔 性 制 造 单 元 (Flexible Manufacturing Cell)中 重 要 一 环 。随 着 工 业 机 器 手 （ 机 器 人 ） 研 究 制 造 和 应 用 的 扩 大 ， 国 际 性 学 术 交 流 活 动 十 分活 跃 ， 欧 美 各 国 和 其 他 国 家 学 术 交 流 活 动 开 展 很 多 。1.2 机械手的分类目 前 对 机 械 手 还 没 有 统 一 的 分 类 标 准 。 按 照 不 同 的 分 类 方 式 可 以 把 机 械 手 分 成多 种 类 型 。1.按 驱 动 方 式 分 类按 驱 动 装 置 的 动 力 源 ， 机 械 手 可 分 为 以 下 的 几 种 。（ 1） 液 压 式 机 械 手 。 这 种 机 械 手 的 驱 动 系 统 通 常 由 液 动 机 （ 各 种 油 缸 、 油 马 达 ）、 伺 服 阀 、 油 泵 、 油 箱 等 组 成 ， 这 种 机 器 人 通 常 具 有 很 大 的 抓 举 能 力 并 且 结 构 紧 凑 ，动 作 平 稳 ， 耐 冲 击 、 耐 振 动 ， 防 爆 性 好 ， 但 对 制 造 精 度 和 密 封 性 能 要 求 很 高 ， 否 则 易发 生 漏 油 而 污 染 环 境 。（ 2） 气 压 式 机 械 手 。 其 驱 动 系 统 通 常 采 用 通 常 汽 缸 、 气 阀 、 气 罐 和 空 压 机 组成 。 特 点 是 气 源 方 便 ， 动 作 迅 速 ， 结 构 简 单 、 造 价 较 低 、 维 修 方 便 ， 但 难 于 进 行 速 度控 制 ， 并 因 气 压 不 能 太 高 ， 固 抓 举 能 力 较 小 。（ 3） 电 动 式 机 械 手 。 电 力 驱 动 是 目 前 机 械 手 使 用 的 最 多 的 一 种 驱 动 方 式 。 其特 点 是 电 源 方 便 ， 响 应 快 ， 驱 动 力 较 大 ， 信 号 检 测 、 传 递 、 处 理 方 便 ， 可 以 采 用 多 种灵 活 的 控 制 方 案 。 驱 动 电 机 一 般 采 用 交 流 伺 服 电 机 、 直 流 伺 服 电 机 和 步 进 电 机 。 由 于- 7电 机 速 度 高 ， 通 常 还 须 采 用 减 速 机 构 （ 如 谐 波 减 速 机 构 、 论 析 减 速 机 构 、 滚 珠 丝 杠 和多 杆 机 构 ） 。 目 前 也 有 一 些 特 制 电 机 直 接 进 行 驱 动 ， 以 简 化 机 构 ， 提 高 控 制 精 度 。其 他 还 有 采 用 混 合 驱 动 的 机 械 手 ， 如 液 -气 混 合 驱 动 机 械 手 或 电 -气 混 合 驱 动 机械 手 。2.按 用 途 分 类机械手按用途可分为下列几种。（1） 搬运机械手;（2） 喷涂机械手;（3） 焊接机械手;（4） 装配机械手;（5） 其他用途的机械手。如航天用机械手，探海用机械手，以及排险作业机械手等。3.按操作机的位置机构类型和自由度数量分类操 作 机 的 位 置 机 构 是 机 械 手 的 重 要 外 形 特 征 ， 固 常 用 作 分 类 的 依 据 。 按 这 一 分类 要 求 ， 机 械 手 可 分 为 直 角 坐 标 型 、 圆 柱 坐 标 型 、 球 坐 标 型 、 关 节 型 机 械 手 。- 8a） 直角坐标型 b）圆柱坐标型 c）球坐标型 d）多关节型 e）平面关节型图 1-1 工业机械手的基本结构形式操 作 机 本 身 的 自 由 度 最 能 反 应 机 器 人 的 作 业 能 力 ， 也 是 分 类 的 重 要 依 据 。 按 这 一分 类 要 求 ， 机 械 手 可 分 为 4 自 由 度 、 5 自 由 度 、 6 自 由 度 和 7 自 由 度 机 械 手 。4.按 其 他 方 法 还 可 以 分 为（ 1） 家 务 型 机 械 手 ： 能 帮 助 人 们 打 理 生 活 ， 做 简 单 的 家 务 活 。（ 2） 操 作 型 机 械 手 ： 能 自 动 控 制 ， 可 重 复 编 程 ， 多 功 能 ， 有 几 个 自 由 度 ， 可 固定 或 运 动 ， 用 于 相 关 自 动 化 系 统 中 。- 9（ 3） 程 控 型 机 械 手 ： 按 预 先 要 求 的 顺 序 及 条 件 ， 依 次 控 制 机 械 手 的 机 械 动 作 。（ 4） 示 教 再 现 型 机 械 手 ： 通 过 引 导 或 其 它 方 式 ， 先 教 会 机 械 手 动 作 ， 输 入 工作 程 序 ， 机 械 手 则 自 动 重 复 进 行 作 业 。（ 5） 数 控 型 机 械 手 ： 不 必 使 机 械 手 动 作 ， 通 过 数 值 、 语 言 等 对 机 器 人 进 行 示 教 ，机 械 手 根 据 示 教 后 的 信 息 进 行 作 业 。（ 6） 感 觉 控 制 型 机 械 手 ： 利 用 传 感 器 获 取 的 信 息 控 制 机 械 手 的 动 作 。（ 7） 适 应 控 制 型 机 械 手 ： 能 适 应 环 境 的 变 化 ， 控 制 其 自 身 的 行 动 。（ 8） 学 习 控 制 型 机 械 手 ： 能 “体 会 ”工 作 的 经 验 ， 具 有 一 定 的 学 习 功 能 ， 并 将 所“学 ”的 经 验 用 于 工 作 中 。（ 9） 智 能 机 械 手 ： 以 人 工 智 能 决 定 其 行 动 的 机 械 手 。1.3 机械手的组成工业机械手通常由执行机构、驱动传动装置、控制系统和智能系统四部分组成。图 1-2 为工业机械手的典型结构，图 1-3 为工业机械手的组成方框图。 图 1-2 工业机械手的典型结构 - 10图 1-3 工业机械手的组成方框图执 行 机 构 （ 也 称 操 作 机 ） 是 机 械 手 赖 以 完 成 工 作 任 务 的 实 体 ， 通 常 由 杆 件 和 关节 组 成 。 从 功 能 的 角 度 ， 执 行 机 构 可 分 为 ： 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 和 基 座 等 。手 部 又 称 末 端 执 行 器 ， 是 工 业 机 械 手 直 接 进 行 工 作 的 部 分 ， 可 以 是 各 种 夹 持 器 。有 时 人 们 也 把 诸 如 电 焊 枪 、 油 漆 喷 头 等 划 作 机 器 手 的 手 部 ； 腕 部 与 手 部 相 连 ， 主 要工业机械手执行机构驱动装置控制系统智能系统腕部腰部臂部基座部（固定或移动）电、液或气驱动装置单关节伺服控制器关节协调及其它信息交换计算机感觉装置子视觉装置子语言识别装置手部- 11功 能 是 带 动 手 部 完 成 预 定 姿 态 ， 是 操 作 机 的 中 结 构 最 为 复 杂 的 部 分 ； 臂 部 用 以 连 接 腰部 和 腕 部 ， 通 常 由 两 个 臂 杆 （ 小 臂 和 大 臂 ） 组 成 ， 用 于 带 动 腕 部 做 平 面 运 动 ； 腰 部 是连 接 臂 和 基 座 的 部 件 ， 通 常 是 回 转 部 件 ， 腰 部 的 回 转 运 动 加 上 臂 部 的 平 面 运 动 ， 就 能使 腕 部 做 空 间 运 动 。 腰 部 是 执 行 结 构 的 关 键 部 件 ， 它 的 制 造 误 差 、 运 动 精 度 和 平稳 性 ， 对 机 械 手 的 定 位 精 度 有 决 定 性 的 影 响 ； 基 座 是 整 个 机 械 手 的 支 撑 部 分 ， 有 固定 式 和 移 动 式 两 种 。 该 部 件 必 须 有 足 够 的 刚 度 和 稳 定 性 。工 业 机 械 手 的 驱 动 -传 动 装 置 包 括 驱 动 器 和 传 动 机 构 两 个 部 分 ， 它 们 通 常 与 执 行机 构 连 成 一 体 。 传 动 装 置 常 用 的 有 谐 波 减 速 器 、 滚 珠 丝 杠 、 链 、 带 以 及 各 种 齿 轮 系 。驱 动 器 通 常 有 电 机 （ 直 流 伺 服 电 机 、 步 进 电 机 、 交 流 伺 服 电 机 ） 、 液 压 或 气 动 装 置 ，目 前 使 用 最 多 的 是 交 流 伺 服 电 机 。控 制 系 统 一 般 有 控 制 计 算 机 和 伺 服 控 制 器 组 成 。 控 制 系 统 有 两 种 方 式 。 一 种 是集 中 式 控 制 ， 即 机 械 手 的 全 部 控 制 由 一 台 微 型 计 算 机 完 成 。 另 一 种 是 分 散 （ 级 ） 式控 制 ， 即 采 用 多 台 微 机 来 分 担 机 器 人 的 控 制 ， 如 当 采 用 上 、 下 两 级 微 机 共 同 完 成 机 器人 的 控 制 时 ， 主 机 常 用 于 负 责 系 统 的 管 理 、 通 讯 、 运 动 学 和 动 力 学 计 算 ， 并 向 下 级 微机 发 送 指 令 信 息 ； 作 为 下 级 从 机 ， 各 关 节 分 别 对 应 一 个 CPU， 进 行 插 补 运 算 和 伺服 控 制 处 理 ， 实 现 给 定 的 运 动 ， 并 向 主 机 反 馈 信 息 。 根 据 作 业 任 务 要 求 的 不 同 ，机 械 手 的 控 制 方 式 又 可 分 为 点 位 控 制 、 连 续 轨 迹 控 制 和 力 （ 力 矩 ） 控 制 。智 能 系 统 是 目 前 机 械 手 系 统 中 一 个 不 够 完 善 但 发 展 很 快 的 子 系 统 。 它 可 分 为 两个 部 分 ： 感 知 系 统 和 分 析 -决 策 智 能 系 统 。 前 者 主 要 靠 硬 件 （ 各 种 传 感 器 ） 实 现 ;后者 主 要 靠 软 件 （ 如 专 家 系 统 ） 实 现 。1.4 应用机械手的意义随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 机 械 手 也 越 来 越 多 的 地 被 应 用 。 在 机 械 工 业 中 ， 铸 、 焊 、铆 、 冲 、 压 、 热 处 理 、 机 械 加 工 、 装 配 、 检 验 、 喷 漆 、 电 镀 等 工 种 都 有 应 用 的 实 理 。其 他 部 门 ， 如 轻 工 业 、 建 筑 业 、 国 防 工 业 等 工 作 中 也 均 有 所 应 用 。在 机 械 工 业 中 ， 应 用 机 械 手 的 意 义 可 以 概 括 如 下 ：一 、 以 提 高 生 产 过 程 中 的 自 动 化 程 度- 12应 用 机 械 手 有 利 于 实 现 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 的 程 度 ， 从 而 可 以 提 高 劳 动 生 产 率 和 降 低 生 产 成 本 。二 、 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 他 毒 性 污 染以 及 工 作 空 间 狭 窄 的 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 的 完 成 作 业 ， 使 劳 动 条 件 得 以 改 善 。在 一 些 简 单 、 重 复 ， 特 别 是 较 笨 重 的 操 作 中 ， 以 机 械 手 代 替 人 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 。三 、 可 以 减 轻 人 力 ， 并 便 于 有 节 奏 的 生 产应 用 机 械 手 代 替 人 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 的 工 作 ， 这 是 减 少 人 力 的 另 一 个 侧 面 。 因 此 ， 在 自 动 化 机 床 的 综 合 加 工 自动 线 上 ， 目 前 几 乎 都 没 有 机 械 手 ， 以 减 少 人 力 和 更 准 确 的 控 制 生 产 的 节 拍 ， 便 于 有 节奏 的 进 行 工 作 生 产 。综 上 所 述 ， 有 效 的 应 用 机 械 手 ， 是 发 展 机 械 工 业 的 必 然 趋 势 。- 132 机械手总体设计方案和气动回路的设计本 课 题 是 一 个 用 于 传 送 带 上 轻 型 平 动 搬 运 机 械 手 的 设 计 。 本 设 计 主 要 任 务 是 完成 机 械 手 的 结 构 方 面 设 计 ， 以 及 气 动 回 路 的 设 计 。 在 本 章 中 对 机 械 手 的 坐 标 形 式 、自 由 度 、 驱 动 机 构 等 进 行 了 确 定 。 因 此 ， 在 机 械 手 的 执 行 机 构 、 驱 动 机 构 是 本 次 设计 的 主 要 任 务 。2.1 机械手的运动规划机 械 手 运 动 规 划 包 括 序 列 规 划 (又 可 称 为 全 局 路 径 规 划 )， 路 径 规 划 和 轨 迹 规 划3 个 部 分 。 序 列 规 划 是 指 在 一 个 特 定 的 工 作 区 域 中 自 动 生 成 一 个 从 起 始 作 业 点 开 始 ，经 过 一 系 列 作 业 点 。 再 回 到 起 始 点 的 最 优 工 作 序 列 ； 路 径 规 划 是 指 在 相 邻 序 列 点 之 间通 过 一 定 的 算 法 搜 索 一 条 无 碰 撞 的 机 械 手 运 动 路 径 ； 轨 迹 规 划 是 指 通 过 插 补 函 数 获得 路 径 上 的 插 补 点 ， 再 通 过 求 解 运 动 学 逆 解 转 换 到 关 节 空 间 (若 插 补 在 关 节 空 间 进行 则 无 需 转 换 )， 形 成 各 关 节 的 运 动 轨 迹 。序 列 规 划 为 机 械 手 的 所 有 作 业 点 生 成 一 个 最 优 的 工 作 序 列 。 作 业 点 是 机 械 手 为完 成 工 作 所 必 须 达 到 的 位 置 和 姿 态 。 机 械 手 的 一 次 作 业 任 务 往 往 有 几 十 个 到 上 百 个作 业 点 ， 这 些 作 业 点 的 加 工 次 序 通 常 是 任 意 的 ， 或 者 仅 仅 存 在 局 部 的 限 制 (即 某 几个 作 业 点 之 间 存 在 着 固 定 的 前 后 关 系 )， 序 列 规 划 的 目 标 就 是 通 过 某 种 算 法 生 成 一 个能 满 足 作 业 限 制 的 最 优 作 业 序 列 ， 一 般 以 时 间 作 为 规 划 优 劣 的 度 量 标 准 。当 机 械 手 在 有 障 碍 物 的 环 境 中 运 动 时 ， 为 了 从 当 前 作 业 位 置 到 达 下 一 个 位 置 ，需 要 在 机 械 手 工 作 空 间 确 定 一 条 无 碰 撞 的 运 动 路 径 ， 即 这 条 路 径 应 处 于 机 械 手 的自 由 空 间 中 ， 因 此 ， 路 径 规 划 的 过 程 实 际 上 是 一 个 带 几 何 约 束 的 问 题 求 解 过 程 。从 上 面 的 论 述 可 以 看 出 ， 机 械 手 运 动 规 划 主 要 包 括 两 个 方 面 ， 一 是 生 成 所 有 作业 点 最 优 工 作 序 列 的 序 列 规 划 ， 二 是 在 相 邻 作 业 点 之 间 生 成 无 碰 撞 路 径 的 路 径 规 划 。序 列 规 划 和 路 径 规 划 的 总 体 目 标 是 作 业 时 间 最 短 ， 规 划 的 约 束 条 件 是 作 业 顺 序 的 限 制以 及 碰 撞 的 避 免 。- 14机 械 手 运 动 规 划 的 算 法 建 立 在 已 有 的 各 种 方 法 之 上 ， 下 面 简 要 分 析 已 有 的 各 种序 列 规 划 和 路 径 规 划 方 法 ， 以 及 路 径 规 划 过 程 中 的 碰 撞 检 测 方 法 。1 序 列 规 划 目 前 机 械 手 序 列 规 划 方 法 的 研 究 还 处 于 发 展 阶 段 ， 由 于 各 种 作 业任 务 的 复 杂 性 。 至 今 还 没 有 通 用 的 序 列 规 划 算 法 。 在 使 用 机 械 手 进 行 装 配 ， 插 孔 ， 点焊 的 应 用 中 ， 较 为 普 遍 的 方 法 是 把 序 列 规 划 问 题 转 化 为 “旅 行 商 问 题 ”(TSP)来 解决 。 即 机 械 手 从 起 始 点 开 始 ， 经 过 一 系 列 作 业 点 ， 并 在 各 作 业 点 停 留 ， 完 成 所 有 作 业后 ， 最 终 回 到 起 始 点 的 时 间 最 短 规 划 算 法 。旅 行 商 问 题 的 求 解 成 为 求 解 序 列 规 划 问 题 的 关 键 。 目 前 ， 旅 行 商 问 题 的 近 似 最 优解 求 解 算 法 已 经 得 到 了 充 分 的 研 究 ， 提 出 了 很 多 可 行 的 算 法 ， 包 括 启 发 式 算 法 ， 模 拟退 火 算 法 ， 遗 传 算 法 等 。 其 中 启 发 式 算 法 可 以 细 分 为 环 路 扩 充 法 和 环 路 改 进 法 ， 或 是两 种 方 法 的 综 合 ， 一 般 利 用 邻 接 矩 阵 按 照 一 定 的 规 则 变 换 来 求 解 ， 计 算 量 和 求 解 结 果都 能 满 足 要 求 。2 路 径 规 划 机 械 手 路 径 规 划 的 目 标 是 在 两 个 作 业 点 之 间 生 成 一 条 无 碰 撞 路 径 。机 械 手 路 径 规 划 算 法 主 要 有 4 类 ： C-空 间 法 ， 人 工 势 力 场 法 ， 假 设 -修 正 法 ， 预 处理 -规 划 算 法 。另 外 ， 遗 传 算 法 、 神 经 网 络 算 法 等 智 能 算 法 已 经 成 为 机 器 人 路 径 规 划 的 研 究 热点 和 发 展 方 向 ， 这 些 算 法 在 实 际 中 都 有 初 步 的 应 用 ， 取 得 了 较 好 的 规 划 效 果 。3 碰 撞 检 测 路 径 规 划 的 目 标 是 在 起 始 点 和 目 标 点 之 间 生 成 一 条 无 碰 撞 路 径 ，这 使 得 碰 撞 检 测 成 为 解 决 路 径 规 划 问 题 的 关 键 上 面 提 到 的 4 种 路 径 规 划 算 法 都 需要 进 行 碰 撞 检 测 或 需 要 计 算 机 器 人 和 障 碍 物 之 间 的 距 离 。判 断 两 个 物 体 是 否 有 碰 撞 发 生 有 两 种 方 式 ， 一 是 定 性 判 断 。 二 是 定 量 计 算 。 定 性判 断 方 法 最 主 要 有 “包 围 盒 层 次 法 ”， 其 基 本 思 路 是 用 一 个 简 单 的 包 围 盒 将 复 杂 的几 何 形 体 围 住 。 当 对 两 个 物 体 进 行 碰 撞 检 测 时 。 首 先 检 测 两 者 的 包 围 盒 是 否 相 交 ， 若不 相 交 。 则 说 明 两 个 物 体 未 相 交 ， 否 则 再 进 一 步 对 两 个 物 体 做 检 测 。 因 为 求 包 围 盒 的交 比 求 物 体 的 交 简 单 很 多 ， 所 以 可 以 快 速 排 除 很 多 不 相 交 的 物 体 ， 从 而 加 速 了 算 法 。对 于 复 杂 物 体 ， 可 以 将 物 体 及 其 子 部 分 的 包 围 盒 组 成 层 次 结 构 ， 如 二 叉 树 。在 各 种 机 器 人 路 径 规 划 算 法 中 ， 往 往 需 要 以 机 器 人 和 障 碍 物 之 间 的 距 离 及 其 关 于机 器 人 形 位 的 梯 度 作 为 路 径 规 划 的 启 发 性 信 息 ， 以 加 快 规 划 速 度 ， 因 此 在 路 径 规 划 中- 15不 仅 需 要 判 断 有 无 碰 撞 发 生 ， 还 要 计 算 机 器 人 与 障 碍 物 之 间 的 距 离 及 其 关 于 机 器 人 形位 的 梯 度 。目 前 ， 两 个 刚 性 物 体 之 间 的 距 离 计 算 有 很 多 算 法 。 其 中 对 凸 多 面 体 的 计 算 最 为 成熟 。 凸 多 面 体 之 间 的 距 离 有 两 类 ： 分 离 距 离 和 嵌 入 距 离 。 目 前 ， 凸 多 面 体 间 的 距 离 范数 主 要 有 平 移 距 离 、 成 长 距 离 、 收 缩 距 离 、 伪 平 移 距 离 等 。在 现 实 环 境 中 ， 机 器 人 及 障 碍 物 一 般 是 凹 几 何 体 ， 可 以 采 用 分 割 的 方 法 把 凹 几 何体 分 割 为 多 个 凸 几 何 体 的 组 合 。 对 一 般 凸 几 何 体 如 球 、 圆 柱 等 ， 可 以 用 紧 包 围 它 的凸 多 面 体 来 近 似 。 然 后 用 凸 多 面 体 间 的 距 离 近 似 原 凸 几 何 体 之 间 的 距 离 。2.2 机械手基本形式的选择常 见 的 工 业 机 械 手 根 据 手 臂 的 动 作 形 态 ,按 坐 标 形 式 大 致 可 以 分 为 以 下 4 种 : (1)直角 坐 标 型 机 械 手 ;(2)圆 柱 坐 标 型 机 械 手 ; (3)球 坐 标 (极 坐 标 )型 机 械 手 ; (4)多 关 节 型 机机 械 手 。 其 中 圆 柱 坐 标 型 机 械 手 结 构 简 单 紧 凑 ,定 位 精 度 较 高 ,占 地 面 积 小 ， 因 此 本设 计 采 用 圆 柱 坐 标 型 。图 2-1 是 机 械 手 搬 运 物 品 示 意 图 。 图 中 机 械 手 的 任 务 是 将 传 送 带 A 上 的 物 品搬 运 到 传 送 带 B。 其 工 艺 流 程 ： 机 械 手 原 位 机 械 手 下 降 机 械 手 抓 取 并 夹 紧 机械 手 上 升 机 械 手 正 转 机 械 手 前 伸 机 械 手 下 降 机 械 手 松 开 机 械 手 上 升 机械 手 后 退 机 械 手 逆 转 退 至 原 位 停 止 。- 16图 2-1 机械手基本形式示意图2.3 机械手的主要部件及运动在 圆 柱 坐 标 式 机 械 手 的 基 本 方 案 选 定 后 ， 根 据 设 计 任 务 ， 为 了 满 足 设 计 要 求 ，本 设 计 的 机 械 手 具 有 3 个 自 由 度 ： 手 臂 伸 缩 ； 机 身 回 转 ； 机 身 升 降 。本 设 计 的 机 械 手 主 要 由 3 个 大 部 件 和 3 个 气 缸 组 成 ： （ 1） 手 部 ， 采 用 一 个 气爪 ， 通 过 机 构 运 动 实 现 手 爪 的 张 合 。 （ 2） 臂 部 ， 采 用 直 线 缸 来 实 现 手 臂 的 伸 缩 。（ 3） 机 身 ， 采 用 一 个 直 线 缸 和 一 个 回 转 缸 来 实 现 手 臂 升 降 和 回 转 。2.4 驱动机构的选择驱 动 机 构 是 工 业 机 械 手 的 重 要 组 成 部 分 , 工 业 机 械 手 的 性 能 价 格 比 在 很 大 程 度上 取 决 于 驱 动 方 案 及 其 装 置 。 根 据 动 力 源 的 不 同 , 工 业 机 械 手 的 驱 动 机 构 大 致 可 分为 液 压 、 气 动 、 电 动 和 机 械 驱 动 等 四 类 。 气 动 机 械 手 因 为 结 构 简 单 、 成 本 低 廉 、重 量 轻 、 动 作 迅 速 、 平 稳 、 安 全 、 可 靠 、 节 能 和 不 污 染 环 境 等 优 点 而 被 广 泛 应 用 在生 产 自 动 化 的 各 个 行 业 。 因 此 ， 机 械 手 的 驱 动 方 案 选 择 气 压 驱 动 。2.5 机械手的技术参数列表一 、 用 途 ： 车 间 皮 带 机 之 间 的 搬 运二 、 设 计 技 术 参 数 ：1、 抓 重 ： 10Kg (夹 持 式 手 部 )2、 自 由 度 数 ： 3 个 自 由 度3、 坐 标 型 式 ： 圆 柱 坐 标4、 最 大 工 作 半 径 ： 335mm5、 机 身 最 大 中 心 高 ： 415mm6、 主 要 运 动 参 数 ：手 臂 伸 缩 行 程 ： 200mm 手 臂 伸 缩 速 度 ： 1000mm/s- 17机 身 升 降 行 程 ： 100mm 机 身 升 降 速 度 ： 100mm/s机 身 回 转 范 围 ： 0- 190 机 身 回 转 速 度 ： 60/s2.6 气动回路的设计机 械 手 气 动 回 路 的 设 计 主 要 是 选 用 合 适 的 控 制 阀 ， 通 过 控 制 和 调 节 各 个 气 缸 压缩 空 气 的 压 力 、 流 量 和 方 向 来 使 气 动 执 行 机 构 获 得 必 要 的 力 、 动 作 速 度 和 改 变 运动 方 向 ， 并 按 规 定 的 程 序 工 作 ， 设 计 的 气 动 回 路 图 如 图 2-2 所 示 。图 2-2 机械手气动回路图本 设 计 的 气 动 机 械 手 完 成 各 个 运 动 的 气 缸 只 有 完 全 伸 出 和 完 全 缩 回 两 个 状 态 ，选 择 两 位 五 通 换 向 阀 控 制 各 个 气 缸 的 运 动 方 向 ， 气 缸 的 进 出 口 回 路 各 设 置 一 个 单向 节 流 阀 ， 通 过 控 制 进 出 口 空 气 流 量 的 大 小 来 控 制 气 缸 执 行 器 动 力 的 大 小 和 运 动 速度 。 设 计 中 采 用 PLC 控 制 机 械 手 实 现 各 种 规 定 的 预 定 动 作 ， 既 可 以 简 化 控 制 线 路 ，节 省 成 本 ， 又 可 以 提 高 劳 动 生 产 率 。- 183.1气动系统的设计要求气压传动是指以压缩空气为工作介质,传递动力和控制信号的系统。随着工业自动化的发展,气压传动已逐步发展成为一门新技术。因为以空气为介质的气压传动具有防火、防爆、防电磁干扰、抗振动冲击和结构简单等优点,在机械、化工和航空等工业中得到广泛应用。冲床机械手工作环境比较恶劣,气动系统的以上优点刚好适应这种作业环境。3.2气动系统元件的选取3.2.1气缸选取(1)夹紧气缸选型根据机械手手部所夹持零件重为10kg估算手部气缸的推力。设指尖与工件间的摩擦系数=0.4,依据力的平衡方程有:mg=N,N=mg/=10*9.8/0.4=245N则手指另一端所提供的力矩为:M=NL1=245*0.06=147N/ m所以在提供力矩这端的力F1为:F1=M/L2,L22=L12+162,F1=M/L2=147/0.062=2370N部件在运动过程中的机械效率=0.3,所以气缸提供的力至少应为:F=2F1cos=2*2370*25/62=1911N,F0=F/=1911/0.3=6370NLG系列气缸为烟台厂自主开发的新产品,安装尺寸与国内主要产品10A-5系列、QGBQ系列相同,二者可以通用、互换。依据要求可以选择LG系列气缸,缸径40mm的提供的推力为:F=0.8*106*3.14*0.0004=251N根据气缸在手部结构中的安装要求选取气缸的具体型号为:LGB4030M-FA,属于轻型铝合金系列,前法兰式气缸。气缸外形如图3所示。(2)平移及伸缩气缸选型控制前后运动的气缸要支撑更多的机构,它所需要的推力远远大于平移机构所需要的,以其为标准来选择,控制平移运动的气缸的性能一定满足要求。- 19依据前面设计的各个机构,推断气缸要推动的总质量为300kg,导轨的摩擦系数=0.5(为使气缸的性能能满足要求, 值取得大一点)。取气缸完成运动的机械效率=0.4,则作用在导轨上的总重量为:G=mg=3000N所需的推力为:F=G*/=3000*0.5/0.4=3750N依据要求可以选择LG系列气缸,缸径为80mm,压力范围0.0490.98MPa,取0.9MPa,计算气缸提供的推力为:F=0.9*106 *3.14*0.0016=4716N 计算可知,缸径为80mm的LG系列气缸的性能能够满足要求,所以选定的控制平移运动的气缸型号为LGB80*150LB,控制前后运动的气缸型号为LGB80*100LB,都属于轴向脚架式气缸。 (3)升降气缸选型依据前面设计的各个机构,推断气缸推动的总质量300kg,取气缸完成运动的机械效率=0.7,气缸实现升降运动所需要的推力为: G=mg=3000*10=3000N 则F=G/=3000/0.7=4286N 所以要能实现升降运动,气缸的推力必须大于4286N。可初选缸径为100mm的LG系列气缸。依据要求可以选择LG系列气缸,缸径为100mm,压力范围0.049-0.98MPa,取0.9MPa,计算气缸提供的推力为: F=0.9*106 *3.14*0.0025=7350N计算可知,缸径为100mm的LG系列气缸的性能能够满足要求,所以选定的控制升降运动的气缸型号为LGB100*30FA。3.2.2方向控制阀选取 单向节流阀选型计算。单向节流阀可以通过每秒钟的流量来确定。伸缩、平移和上下气缸上面已选,它们的速度范围都为1000mm/s。以其中的最大缸径100mm为标准,算出值是回路中的最大流量,可以保证其它回路的绝对安全。计算流量:q=vA,其中v为平均流速,A为通流截面面积。q=1000 (502-202)*60/1000000=395.64L/min查阅机械设计手册,选取XQ系列单向节流阀,型号为XQ100600,其流量范围为0420L/min。根据已计算的回路流量值,选择双电控二位五通电磁阀,型号为XQ251041 气动三联件选取根据前面选择的气缸,可知其工作压力范围为0.0490.98MPa;又根据前面所选的单向阀的流量范- 20围,确定气动三联件的型号为QLPY1。其中包括了过滤器、减压阀和油雾器。4 结论本 文 所 设 计 的 气 动 机 械 手 结 构 比 较 简 单 ， 功 能 比 较 简 单 ， 设 计 比 较 合 理 ， 能 够满 足 部 分 不 同 形 状 的 工 件 的 转 移 、 夹 取 、 安 装 等 功 能 ， 方 便 快 捷 。 其 设 计 主 要 考 虑 以下 几 个 方 面 ：（ 1） 机 械 手 气 动 回 路 设 计选 用 合 适 的 气 动 元 件 ， 通 过 控 制 和 调 节 各 个 气 缸 压 缩 空 气 的 压 力 、 流 量 和 方 向来 使 气 动 执 行 机 构 获 得 必 要 的 力 、 动 作 速 度 和 改 变 运 动 方 向 ， 并 按 规 定 的 程 序 工 作 。（ 2） 末 端 执 行 器 的 设 计末 端 执 行 器 采 用 平 行 开 闭 型 气 爪 ， 结 构 简 单 ， 直 接 采 用 成 品 材 料 。 针 对 实 际 的要 求 ， 可 以 换 用 其 他 各 种 末 端 执 行 器 ， 对 不 同 种 类 的 工 件 实 现 夹 取 、 转 移 、 安 装 。（ 3） 机 械 手 手 臂 的 设 计将 旋 转 气 缸 安 装 在 底 板 上 ， 实 现 机 械 手 的 回 转 运 动 ， 使 机 械 手 向 左 或 向 右 摆 动 。机 械 手 末 端 执 行 器 的 水 平 伸 缩 运 动 和 竖 直 升 降 运 动 各 由 一 个 气 缸 控 制 ， 即 以 最 简 单 的形 式 ， 在 两 个 位 置 （ 完 全 伸 出 和 回 缩 位 置 ） 之 间 进 行 切 换 。由 于 个 人 知 识 及 能 力 水 平 有 限 ， 设 计 中 难 免 会 有 一 些 纰 漏 或 错 误 之 处 ， 恳 请 各位 老 师 批 评 指 正 ， 不 胜 感 谢 ！- 21致 谢在 设 计 完 成 之 际 ， 我 首 先 向 我 的 导 师 致 以 衷 心 的 感 谢 和 崇 高 的 敬 意 ！ 在 这 期 间 ，导 师 在 学 业 上 严 格 要 求 ， 精 心 指 导 ， 在 生 活 上 给 了 我 无 微 不 至 的 关 怀 ， 给 了 我 人生 的 启 迪 ， 使 我 在 顺 利 的 完 成 学 业 阶 段 的 学 业 的 同 时 ， 也 学 到 了 很 多 做 人 的 道 理 ， 明确 了 人 生 目 标 。 导 师 严 谨 的 治 学 态 度 ， 渊 博 的 学 识 ， 实 事 求 是 的 作 风 ， 平 易 近 人 、宽 以 待 人 和 豁 达 的 胸 怀 ， 深 深 感 染 着 我 ， 使 我 深 受 启 发 ， 必 将 终 生 受 益 。经 过 近 半 年 努 力 的 设 计 与 计 算 ， 设 计 终 于 可 以 完 成 了 ， 我 的 心 里 无 比 的 激 动 。虽 然 它 不 是 最 完 美 的 ， 也 不 是 最 好 的 ， 但 是 在 我 心 里 ， 它 是 我 最 珍 惜 的 ， 因 为 它 是我 用 心 、 用 汗 水 成 就 的 ， 也 是 我 在 大 学 三 年 来 对 所 学 知 识 的 应 用 和 体 现 。三 年 的 学 习 和 生 活 ， 不 仅 丰 富 了 我 的 知 识 ， 而 且 锻 炼 了 我 的 能 力 ， 更 重 要 的 是从 周 围 的 老 师 和 同 学 们 身 上 潜 移 默 化 的 学 到 了 许 多 。 在 此 ， 向 他 们 表 示 深 深 的 谢 意与 美 好 的 祝 愿 。- 22参考文献1张福学编著.机器人技术及其应用.北京：电子工业出版社，20002何发昌著，邵远编著.多功能机器人的原理及应用.北京：高等教育出版社，19963张利平著. 液压气动技术速查手册. 北京：化学工业出版社，2006.124李宝仁著. 气动技术低成本综合自动化. 北京：机械工业出版社，1999.95宋学义著. 袖珍液压气动手册. 北京：机械工业出版社，1995.36陈奎生著. 液压与气压传动. 武汉：武汉理工大学出版社，2008.57SMC（中国）有限公司. 现代实用气动技术. 北京：机械工业出版社，2003.108徐文灿著. 气动元件及系统设计. 北京：机械工业出版社，19959曾孔庚.工业机器人技术发展趋势. 机器人技术与应用论坛10寿庆丰.一种多指多关节机器手爪. 机械设计 1999 年第 3 期，第 3 卷11高微,杨中平,赵荣飞等.机械手臂结构优化设计. 机械设计与制造 2006.1 第 1 期12孙兵,赵斌,施永辉.物料搬运机械手的研制. 中国期刊全文数据库13马光,申桂英.工业机器人的现状及发展趋势. 中国期刊全文数据库 2002 年第 3 期14李如松.工业机器人的应用现状与展望. 中国期刊全文数据库 1994 年第 4 期15李明.单臂回转式机械手设计.制造技术与机床 2005 年第 7 期16李杜莉，武洪恩，刘志海.搬运机械手的运动学分析. 煤矿机械 2007 年 2 月第 2 期17成大先主编.机械设计手册（第三版）.北京：化学工业出版社，199418Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space. IEEE Transactions on Robotics and Automation.Vo1.9.No.1.1993本文提出一种无需在每个关节上设置驱动器就能控制机械手进行作业的方法。19Abhinandan Jain and Guillermo Roderguez. An Analysis of the Kinematics and Dynamics of Underactuated Manipulators.IEEE Transactions on Robotics and Automation. Vo1.9.No.4.1993- 2320张利平 液压气动技术