自動換刀機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計與plc控制

1、 自動換刀機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及plc控制研究摘 要數(shù)控機床的發(fā)展與應(yīng)用，大大降低了零件加工的輔助時間，極大的提高了生產(chǎn)率。數(shù)控機床發(fā)展成了當(dāng)今普遍應(yīng)用的一種更新、更先進的制造設(shè)備即加工中心。加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置，能對工件按預(yù)定程序進行多工序加工的高度自動化的多功能的數(shù)字控制機床。氣動機械手具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、可靠、節(jié)能、不污染環(huán)境、可實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護等優(yōu)點，特別適用于數(shù)控機床自動換刀上。為了增強機械手的通用性和互換性，使同一機械手由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，本文采用模塊化氣動機械手，對基座、立柱、手臂、手部等模塊進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過模塊選擇與組合，以構(gòu)成一定

2、范圍內(nèi)的不同功能或同功能不同性能、不同規(guī)格的系列產(chǎn)品，并且在產(chǎn)品變化或臨時對機械手進行新任務(wù)分配時，可以允許方便地改動或重新設(shè)計其新部件，能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費用，便于機械手的標準化生產(chǎn)和使用。在機械手的運動和動力學(xué)分析中，根據(jù)d-h法建立了機械手的運動學(xué)模型，確定各連接桿件與末端執(zhí)行器的空間位置和姿態(tài)關(guān)系；根據(jù)拉格朗日方程建立機械手動力學(xué)模型，確定各關(guān)節(jié)運動與作用力(或力矩)之間的關(guān)系。對機械手的定位控制分析，采用電氣-氣壓伺服定位技術(shù)設(shè)計機械手的驅(qū)動系統(tǒng)，氣動執(zhí)行元件根據(jù)輸入系統(tǒng)的電氣信號而動作，從而驅(qū)動負載輸出相應(yīng)的物理量。系統(tǒng)采用simatic s7-200 plc作為控

3、制核心，根據(jù)機械手的工作流程制定控制方案，實現(xiàn)了機械手的任意點定位和無級調(diào)速。關(guān)鍵詞：自動換刀機械手；模塊化設(shè)計；運動學(xué)；動力學(xué)；電氣-氣壓伺服定位系統(tǒng)i research on structure design and plc control ofautomatic tool change manipulatorabstractthe development and application of cnc has reduced lots of operation timewhen machining parts and increased productivity, cnc has deve

4、loped to be aclassofmoreadvancedequipments,namely,machiningcenter.machiningcenterthat is equipped with tool magazine and automatic tool changer is amulti-functional digital control machine which can make parts, according topre-setprogramsfordifferentstages.inaddition,pneumaticmanipulatorhasmanymerit

5、ssuchassimplestructure,lightweight,fastmovement,reliability,low cost, pollution free, steeples speed regulation, and overload protectionwhich is suitable for automatic tool changer on cnc.for strengthening the general availability of manipulator and making thesame manipulator has the different funct

6、ion with the different modules, thispaper adopted to modularize pneumatic manipulator. it carries out physicaldesign on modules such as pedestal, column, arm, hand part. selection andcombination of modules form a series of products with a range of differentfunctionsordifferentperformancesanddifferen

7、tspecifications.inaddition,the approach facilitates the modification and redesign of the module partsfor fast production, which reduces the cost of installation and workstransition and facilitates the standardalization of production andutilization of the manipulator. in the structure analyses of the

8、 manipulator,this paper establish the kinematics model of manipulator according to d-h,which ascertain space location and attitude connection between every memberand end implement; this paper establish the dynamics model of manipulatoraccording to lagrange, which ascertain relation between every art

9、hrosismotion and the acting force(or force moment). to analyze the manipulatorsii position control, the actuation system is designed based on theelectro-pneumatic servo orientation technology where the pneumatic actuatortakes effect according to the input systems electrical signals to drivethose phy

10、sical variables of load output. this paper adopt simatic s7-200 plcto accomplish controlling core, technological process has worked out the jobaccording to manipulator controlling scheme. the arbitrary orientation andstepless speed regulating of the manipulator has realized.key words：automatic tool

11、change manipulator； modularization design；kinematics；dynamics； electro-pneumatic servo orientation system.iii 目 錄第1章 緒論111 課題研究背景目的及意義 112 工業(yè)機械手的研究現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展 113 本文主要研究內(nèi)容及各章安排 3第2章 機械手總體設(shè)計方案421 機械手類型 422 機械手系統(tǒng)功能設(shè)計 523 機械手的坐標形式與自由度 724 機械手工作過程及工步時間分配 925 機械手的基本參數(shù)1026 模塊化設(shè)計11261 模塊劃分的一般原則12262 模塊設(shè)計的方法12

12、263 模塊式機械手及組成1327 機械手的總體方案設(shè)計14271 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案14272 機械手的驅(qū)動方案15273 機械手的控制方案17274 機械手的設(shè)計流程1828 小結(jié)20第3章 機械手運動學(xué)及動力學(xué)分析2131 剛體運動學(xué)模型21311 剛體的位姿21312 坐標變換2232 機械手運動學(xué)方程描述25321 連桿參數(shù)以及連桿坐標系25 322 連桿變換和運動學(xué)方程2733 操作臂的雅可比矩陣2734 機械手的動力學(xué)模型構(gòu)建28341 拉格朗日動力學(xué)方程推導(dǎo)方法29342 仿真2r機械手的動力學(xué)方程實例3335 小結(jié)38第4章 機械手的機械系統(tǒng)設(shè)計3941 機械手伺服系統(tǒng)設(shè)計

13、39411 氣動伺服系統(tǒng)設(shè)計39412 電氣伺服閥4142 機械手執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計43421 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計43422 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計45423 基座結(jié)構(gòu)設(shè)計53424 氣動輔助元件選取5443 小結(jié)55第5章 plc控制系統(tǒng)設(shè)計5651 機械手控制系統(tǒng)plc的選型與i/o點確定56511 plc選型 56512 控制系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備與i/o點確定 5752 步進電機5853 plc編程 60531 plc編程時應(yīng)注意的問題 60532 plc程序設(shè)計軟件step7-micro/win32簡介60533 plc梯形圖設(shè)計 6154 小結(jié)64第6章 總結(jié)與展望6561 總結(jié)6562 展望65 致 謝67

14、參考文獻 68攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 70 第1章 緒論11 課題研究背景目的及意義 工業(yè)機械手技術(shù)是近年來新技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，是以微電子技術(shù)為主導(dǎo)的多種新興技術(shù)與機械技術(shù)交叉、融合而成的一種綜合性的高新技術(shù)。這一技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域有著越來越多的應(yīng)用。工業(yè)機械手在提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快產(chǎn)品更新、提高生產(chǎn)效率、促進制造業(yè)的柔性化、增強企業(yè)和國家的競爭力等諸方面具有舉足輕重的地位。在現(xiàn)實生活中，機械手并不是在簡單意義上代替人的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置。這種裝置既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可

15、長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。從某種意義上說，機械手是機器進化過程的產(chǎn)物，是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備 。1本課題的目的是研究關(guān)于自動換刀氣動伺服機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制的一些普遍性問題。加工中心在工作過程中，需要使用不同的刀具對零件進行加工，要求自動換刀氣動伺服機械手能夠?qū)崿F(xiàn)對刀庫中的刀具抓取、換位和傳送等功能，并且在傳送過程中能實現(xiàn)無級調(diào)速和任意點定位。具體參數(shù)是根據(jù)實驗平臺的總體布局和加工中心刀具為對象選取的，即設(shè)計用于模擬加工中心刀庫與主軸之間選擇性換刀過程的實驗平臺機械手。當(dāng)然，根據(jù)模塊化和參數(shù)化的原理，機械手的設(shè)計具有

16、普遍性的意義。對于不同的工作情況，只需選取必要的模塊，對氣動元件和機械零件進行參數(shù)化設(shè)計，即可滿足不同工作條件的設(shè)計要求。12 工業(yè)機械手的研究現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展 工業(yè)機械手最早應(yīng)用在汽車制造業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可代替人類從事危險、有害、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人類完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。隨著機械手功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益在擴大，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運輸業(yè)、原子能工業(yè)、醫(yī)療、福利事業(yè)、海洋和太空的開發(fā)事業(yè)中。1 可實現(xiàn)工業(yè)機械手自動化工作要求的自動控制方式

17、目前有許多種，其中包括氣動和電子一體化的氣電裝置、液壓和電氣、電子組合的液電裝置和電氣、電子的機電裝置等，側(cè)重利用它們各自的優(yōu)點，組合最合適的控制方式。由于氣動技術(shù)是以空氣為介質(zhì)，它具有防火、防爆、防電磁干擾、不受放射線及噪聲的影響，且對振動及沖擊也不敏感，和結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、壽命長等優(yōu)點，近幾年來氣動技術(shù)得到迅速的發(fā)展及普遍應(yīng)用 。2氣動機械手由感知部分、控制部分、主機部分和執(zhí)行部分四個方面組成。氣動伺服定位系統(tǒng)代替了伺服電機或液壓伺服系統(tǒng)；氣缸、擺動馬達完成原來由液壓缸或機械所作的執(zhí)行動作；主機部分采用標準型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動機械手能夠拓展成系列化、標準化的產(chǎn)品。隨

18、著生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，氣動技術(shù)會逐漸展現(xiàn)小型化、集成化；組合化、智能化；精密化；高速化；無油、無味、無菌化；高壽命、高可靠性和自診斷功能；節(jié)能、低功耗；機電一體化；滿足某些行業(yè)的特殊要求；應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料；標準化；安全性等的特點。機械手技術(shù)的研究與應(yīng)用水平，反映著一個國家的經(jīng)濟實力和科技發(fā)展水平，國內(nèi)外對發(fā)展這一技術(shù)都很重視，紛紛投入大量力量對機械手進行研究。近十幾年來，歐洲的德國、意大利、法國及英國的機械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較快。目前，世界上機械手無論是從技術(shù)水平上，還是從已裝備的數(shù)量上，優(yōu)勢集中在以日美為代表的少數(shù)幾個發(fā)達的工業(yè)化國家。我國于 1972 年開始研制工業(yè)機械手，數(shù)十家

19、研究單位和院校分別開發(fā)了固定程序、組合式、液壓伺服通用機械手，并開始了機構(gòu)學(xué)、計算機控制和應(yīng)用技術(shù)的研究。20世紀80年代，我國機械手技術(shù)的發(fā)展得到政府的重視和支持，機械手步入了跨越式發(fā)展時期。從“七五”科技攻關(guān)及實施863計劃開始，經(jīng)過20多年的研制和應(yīng)用，目前在工業(yè)機械手的一些機種方面，如噴漆機械手、焊接機械手、搬運機械手、裝配機械手和特種機械手都有了長足的進步，基本掌握了工業(yè)機械手的設(shè)計制造技術(shù)和機械手應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計、制造技術(shù)，有了一支具有一定技術(shù)水平的科技團隊。但是，我國工業(yè)機械手在總體技術(shù)上與世界先進水平還有很大的差距，僅相當(dāng)于國外90年代中期的水平。為了促進國內(nèi)機械手工業(yè)

20、的發(fā)展，必須在以市場需求的前提下，國家在政策上給以指導(dǎo)和鼓勵。目前，國內(nèi)機械手的發(fā)展方向主要是逐步擴大機械手應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、2 熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還可以研制示教型機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手，既便于設(shè)計制造、又便于改換工作，擴大了應(yīng)用范圍 。同時要提高精度，減少沖擊，定位準確，以更好地發(fā)揮機3械手的作用。另外，

21、對于高端機械手，國內(nèi)也進行了相關(guān)的研究，如上海交通大學(xué)機械手研究所開發(fā)了sma六足微小型仿嶂螂機械手，在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快，一般的工業(yè)機械手技術(shù)相當(dāng)成熟，預(yù)計在2005年到2008年間，全球工業(yè)機械手銷量預(yù)計年均增長 6.1%，到 2008 年增至 12.1 萬臺。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更，如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測。13 本文主要研究內(nèi)容及各章安排 工業(yè)機械手是一種以手部動作為主的機械手系統(tǒng)。合理的設(shè)計方案是提高機械手工作性能、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低制造成本的基礎(chǔ)；

22、合理的機械結(jié)構(gòu)、可靠的驅(qū)動系統(tǒng)、安全便利的控制方式又是機械手工作的重要保證。文章采用模塊化設(shè)計思路，將機械手分為若干個模塊，并對各個模塊分別進行設(shè)計，然后把這些模塊拼裝起來組成機械手，可滿足不同工作條件的需要，對各執(zhí)行元件了分別進行參數(shù)化設(shè)計。本文主要根據(jù)實驗平臺的總體布局以及機械手的特點，確定實驗平臺的總體方案，分析并解決存在的技術(shù)難題。文章第二章由機械手的功能和預(yù)期完成的的動作，確定機械手的總體結(jié)構(gòu)及機械手的設(shè)計流程，并闡述模塊化設(shè)計思路；第三章系統(tǒng)地對機械手進行了運動學(xué)和動力學(xué)分析，建立了機械手系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)模型和方程；第四章詳細地介紹了氣動伺服系統(tǒng)設(shè)計要求和工作原理，繪制出氣動伺服

23、系統(tǒng)原理圖，選取氣動系統(tǒng)輔助元器件；論文第五章介紹采用可編制程序控制器(plc)對機械手進行控制，選取西門子 s7 系列 plc，根據(jù)機械手的工作流程畫出程序流程圖。最后進行了全文總結(jié)，提出了下一步的改進措施，并對該設(shè)備的發(fā)展前景進行了探討。3 第2章 機械手總體設(shè)計方案21 機械手類型 1、按機械手的使用范圍分類(l)專用機械手一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產(chǎn)線用以自動傳送物件或操作某一工具。這種機械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。(2)通用機械手具有可變程序和單獨驅(qū)動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機器，而且能自動完成物件或操作某些工具的

24、機械裝置。通用機械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。這種機械手由于手指可更換(或可調(diào)節(jié))，程序可變，故適用于中、小批生產(chǎn)。但因其運動較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，技術(shù)條件要求高，故制造成本一般也較高。2、按機械手臂部的運動坐標型式分類(1)直角坐標式機械手臂部可以沿直角坐標軸 x、y、z 三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿x方向的移動)、左右移動(定位沿y方向的移動)和上下升降(定為沿z方向的移動)。(2)圓柱坐標式機械手手臂可以沿直角坐標軸的x和z方向移動，亦可繞z軸轉(zhuǎn)動

25、(定為繞z軸轉(zhuǎn)動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動。(3)球坐標式機械手臂部可以沿直角坐標軸x方向移動，還可以繞y軸和z軸轉(zhuǎn)動，亦即手臂可以前后伸縮(沿x方向移動)、上下擺動(定為繞y軸擺動)和左右轉(zhuǎn)動(仍定為繞z軸轉(zhuǎn)動)。(4)多關(guān)節(jié)式機械手這種機械手的臂部可分為小臂和大臂。其大小臂的連接(肘部)以及大臂和機體的連接(肩部)均為關(guān)節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動。3、按機械手的驅(qū)動方式分類(l)液壓驅(qū)動機械手以壓力油進行驅(qū)動(2)氣壓驅(qū)動機械手以壓縮空氣進行驅(qū)動4 (3)電力驅(qū)動機械手直接用電動機進行驅(qū)動(4)機械驅(qū)動機械手

26、是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構(gòu)等傳給機械手的一種驅(qū)動方式。4、按機械手的比例大小分類(l)微型機械手臂力小于1kg(2)小型機械手臂力為1-10kg(3)中型機械手臂力為10-30kg(4)大型機械手臂力大于30kg本課題采用了圓柱坐標型氣壓驅(qū)動機械手。對氣動機械手的基本要求是能夠快速準確地拾放和搬運物品，這就要求氣動機械手具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計氣動機械手的原則是充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件，明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，滿足定位精度

27、要求及抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求；盡量選用的標準組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制 。422 機械手系統(tǒng)功能設(shè)計 加工中心的自動換刀裝置常采用公用換刀機械手。公用換刀機械手有單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等。除上述的公用機械手換刀方式外，還有很多機械手換刀方式，如：不用機械手的直接換刀方式和刀庫中每把刀配有一個機械手的換刀方式。刀庫的基本類型有轉(zhuǎn)塔式、鏈式和盤式等，如圖2-1所示。鏈式刀庫的特點是存刀較多、擴展性好、在加工中心上配置位置靈活，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。盤式和轉(zhuǎn)塔式刀庫的特點是構(gòu)造簡單、適當(dāng)選擇刀庫位

28、置還可省略換刀機械手，但刀庫容量有限。根據(jù)用途，加工中心刀庫的存刀量可為幾把到數(shù)百把，最常見的是2080把。轉(zhuǎn)塔式5 鏈式盤式圖2-1 加工中心刀庫的基本類型加工中心換刀時需從刀庫中選擇指定的刀具，主軸頭也必須回到換刀位置。從刀庫中挑選所需刀具的方法有順序選擇法、刀座編碼法、刀具編碼法和刀具刀座跟蹤記憶法。其中，刀具刀座跟蹤記憶法在加工設(shè)備內(nèi)使用最為方便，刀具編碼法適合于fms刀具的集中管理，所以在fms中常將這兩種方式混合使用。加工中心的換刀時間有兩種定量方法：刀對刀換刀時間(主軸和刀庫刀座都回到換刀點后交換刀具所需的時間)和加工對加工換刀時間(從上一把刀加工結(jié)束到刀具交換點后下一把刀進入加

29、工所需的時間)。通常加工中心的技術(shù)參數(shù)中給出的換刀時間是刀對刀換刀時間(或稱凈換刀時間)，目前最快為0.45s，一般為5s左右。換刀時間取決于換刀機構(gòu)(如機械式快于機-液(氣)式)、刀柄規(guī)格(如小規(guī)格刀柄換刀速度快)、刀具重量(如刀具輕換刀速度快)、機床規(guī)格、機械手尺寸和慣量等。因此，通常刀柄號越大，換刀速度越低56。加工中心對自動換刀裝置有如下具體要求1、刀庫容量適當(dāng)2、換刀時間短3、換刀空間小4、動作可靠、使用穩(wěn)定5、刀具重復(fù)定位精度高6、刀具識別準確依據(jù)上述內(nèi)容，可確定實驗平臺基本方案。刀庫選用結(jié)構(gòu)較簡單的盤式刀庫，容量為12把刀。以公用換刀機械手的方式，每次換刀機械手需旋轉(zhuǎn)90 ，一個

30、完整的刀。6 對刀換刀時間為5秒左右。機械手挑選指定刀具采用較為簡單的刀座編碼法。23 機械手的坐標形式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標形式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和多關(guān)節(jié)坐標式，不同坐標結(jié)構(gòu)機械手(機械手)的特點如下一、直角坐標系1在三個直線方向上移動，運動容易想象2計算比較方便3由于可以兩端支撐，對于給定的結(jié)構(gòu)長度，其剛性最大4要求保留較大的移動空間，占用空間較大5要求有較大的平面安裝區(qū)域6滑動部件表面的密封較困難，容易被污染二、圓柱坐標系1容易想象和計算2直線驅(qū)動部分若采用液壓驅(qū)動，則可輸出較大的動力3能夠伸入型腔式機器內(nèi)部4手臂端部可以達到的空間受

31、限制，不能到達靠近立柱或地面的空間5直線驅(qū)動部分難以密封、防塵及防御腐蝕性物質(zhì)6后縮手臂工作時，手臂后端會碰到工作范圍內(nèi)的其他物體三、 極坐標系1在中心支架附近的工作范圍較大2兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封3覆蓋工作空間較大4坐標系較復(fù)雜，較難想象和控制5直線驅(qū)動裝置仍存在密封問題6存在工作死區(qū)四、多關(guān)節(jié)坐標系1動作較靈活，工作空間大2關(guān)節(jié)驅(qū)動處容易密封防塵7 3工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作4適合于電動機驅(qū)動5運動難以想象和控制，計算量較大6不適于液壓驅(qū)動機械手的運動可以分為主運動和輔助運動。手臂和立柱的運動稱為主運動，因為他們能改變被抓取工件在空間的位置；手腕和手指的運動稱為輔助運動，因為

32、手腕的運動能改變被抓取工件的方位(即姿態(tài))。而手指的夾放不能改變工件的位置和方位，故它不計為自由度數(shù)，其它運動均記為自由度數(shù)78。由于本機械手在換刀時手臂具有升降、伸縮及回轉(zhuǎn)運動，因此采用圓柱坐標形式，相應(yīng)的，機械手具有三個自由度。另外，機械手將刀具從刀庫中提出后需要提升一小段距離，為了彌補立柱升降運動行程較大并帶動手臂伸縮機構(gòu)一起運動，造成較大振動的缺陷，增加手臂短行程升降機構(gòu)，即增加了一個手臂升降的自由度。由于被抓取工件(刀具)是豎直抓取，然后豎直放置，搬運過程中無需改變工件的姿態(tài)，因此可以省略手腕模塊。因此，機械手總共具有四個自由。圖2-2所示為機械手的運動示意圖。圖2-2 機械手的運動

33、示意圖如遇到需抓取水平放置的工件時，要在手腕處設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的需8 要?？紤]到機械手的通用性，可以增加手腕模塊，將手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)的機構(gòu)選用回轉(zhuǎn)氣缸。為了區(qū)分兩個升降部分，本文將左邊行程較大的升降部分稱作立柱，右邊行程較小的升降部分稱作小臂。24 機械手工作過程及工步時間分配 1、確定完成動作及順序圖2-3 換刀機械手布局示意圖要確定換刀機械手的工作過程首先要了解各裝備的布局及機械手需要完成的動作。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是手部正對盤式刀庫，與刀架成90 夾角，水平機構(gòu)和垂直機構(gòu)均設(shè)在極限位置。采用刀座編碼。法選擇好要使用的刀具時

34、，盤式刀庫轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，使被選擇的刀具轉(zhuǎn)到正對換刀機械手下方的位置。換刀機械手為把刀庫上的被選擇刀具送到刀架上，需要以下幾個動作(1)水平伸出機械手水平機構(gòu)伸出70mm，到達刀庫正上方。(2)豎直下降小臂升降機構(gòu)下行30mm，使手部夾持機構(gòu)到達與刀柄水平的位置。(3)夾緊手臂機構(gòu)迅速夾緊刀柄。(4)豎直上升待刀柄被夾緊后，小臂升降機構(gòu)上行30mm，將刀具提出刀庫。(5)水平收縮水平機構(gòu)快速收縮70mm，整個機構(gòu)回到初始位置。(6)擺動機械手逆時針擺動90。，使機械手正對刀架。9 (7)豎直下降、松開小臂升降機構(gòu)下行30mm，將刀具放在刀架上，同時手部機構(gòu)松開工件。(8)豎直上升小臂升降機構(gòu)上

35、行30mm，回到原始極限位置。(9)擺動機械手順時針擺動90 ，回到初始位置。以上是機械手換刀動作。當(dāng)換刀動作完成后，刀架的推爪將放在刀架上的刀具推到刀架的另一端。至此，整個機構(gòu)的一個完整動作就完成了。2、工步時間分配前面已經(jīng)確定了機械手的完整刀對刀換刀時間為5s，根據(jù)上述換刀機械手的動作以及各自的行程，對時間進行分配，如表2-1所示：表2-1機械手運動過程與時間分配工序號工步名稱行程(mm)預(yù)分配時間(s)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)水平伸出豎直下降夾緊70300.50.3o30.30.5l豎直上升水平收縮擺動(逆時針)豎直下降松開307090。300.30.3(8)(9)豎直

36、上升擺動(順時針)300.3l90?？傆?.525 機械手的基本參數(shù) l、主參數(shù) 最大抓重是機械手的主參數(shù)。由于該機械手的設(shè)計用途為學(xué)校的實驗平臺，所以抓重?zé)o需太大，可設(shè)定為100克。2、其他參數(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10 臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設(shè)計為1.2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為120。/s。機械手動作時有啟動、停止，故有加速度、減速度的存在，用速度一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。除了運動速度以

37、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(dāng)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剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為70mm，最大工作半徑約為180mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為90 。手臂升降行程定為100mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為0.5lmm。根據(jù)上述的表2-1機械手各關(guān)節(jié)的行程和時間分配，確定換刀機械手各部分的基本參數(shù)如表2-2所示表2-2 機械手各關(guān)節(jié)基本參數(shù)伸縮范圍070mm500mm/s500mm/slmm升降范圍o30mm150mm/

38、s150mm/slmm水平 速機構(gòu) 度伸出*垂直機構(gòu)速度上升*收縮*下降*定位精度定位精度擺動角度擺動速度定位精度o90。擺動機構(gòu)100。/s手部50mm抓取范圍5注釋：“*”表示運動速度可調(diào)26 模塊化設(shè)計 近幾十年來，產(chǎn)品更新速度越來越快，加之市場競爭日益激烈，許多企業(yè)被迫走上了多品種，中小批量的生產(chǎn)方式。因此，傳統(tǒng)的設(shè)計思想和制造方式已無法適應(yīng)現(xiàn)代化社會多樣化、快節(jié)奏的新要求。為適應(yīng)這一轉(zhuǎn)變，各種新思想、新方法，例如成11 組技術(shù)、計算機輔助技術(shù)等應(yīng)運而生，模塊化思想也是其中之一 。9模塊化是用來描述公共單元的使用，以便實現(xiàn)產(chǎn)品的的各種變型，它的主要目標就是確定獨立的、標準化的或可改變的

39、單元來滿足功能變化的要求。模塊化研究的理論基礎(chǔ)來自于麻省理工學(xué)院(mit)的suh教授提出的公理化設(shè)計理論(axiomaticdgign theory，adt)。其中，adt公理l獨立公理(axiom of independence)：保持功能的獨立性，即每個功能可以被滿足而不用影響其它的功能。 因此，在可能的情況10下，產(chǎn)品完成的每一個功能都應(yīng)獨立于產(chǎn)品完成的所有其他功能。這個公理就要求尋找物理結(jié)構(gòu)獨立性與功能獨立性之間的統(tǒng)一。261 模塊劃分的一般原則要建立模塊庫，首先必須要將產(chǎn)品劃分成若干模塊，劃分的一般原則為11(1)盡量減少產(chǎn)品包含的模塊總數(shù)，簡化模塊自身的復(fù)雜程度，以免模塊組合時產(chǎn)

40、生混亂(2)以有限的模塊數(shù)來獲得盡可能多的實用組合方案，以滿足用戶的需要(3)劃分中應(yīng)使模塊具有一定的功能獨立性和結(jié)構(gòu)完整性(4)要充分注意模塊間的結(jié)合要素，以便于結(jié)合和分離(5)要考慮模塊的劃分對產(chǎn)品的精度、剛度帶來的影響(6)模塊單元的劃分必須考慮經(jīng)濟因素等262 模塊設(shè)計的方法模塊設(shè)計的方法有很多，比較成熟的方法是基于功能結(jié)構(gòu)的模塊設(shè)計方法。這種方法首先是對產(chǎn)品進行功能分析。功能是系統(tǒng)必須完成的任務(wù)，也可以說是系統(tǒng)的用途12。它是系統(tǒng)的輸入與輸出之間的總關(guān)系，各種系統(tǒng)都有一定的功能，功能基本上分為兩類：一種是必要功能，它包括用戶要求的基本功能，這在設(shè)計時是不能改變的；另一種是非必要功能，

41、它不是根據(jù)用戶的要求而是設(shè)計者主觀加上去的功能。功能分析就是根據(jù)一定的邏輯關(guān)系把對象系統(tǒng)各組成部分的功能相互聯(lián)系起來，從局部功能與整體功能的相互關(guān)系上研究對象系統(tǒng)的功能的一種方法。對于一個系統(tǒng)，既存在一個構(gòu)造體系，也存在一個功能體系，而功能體系是更本質(zhì)的東西。在系統(tǒng)的許多功能中存在著上下關(guān)系和并行關(guān)系，所謂功能的上下關(guān)系是指在功能體系中，某些功能之間存在目的與手段的關(guān)系，目的功能稱為上位功能，手段功能稱為下位功能。上位功能與下位功能都是相對的，一個功能對它的上位功能來12 說是手段，對它的下位功能來說是目的。功能的并列關(guān)系是指比較復(fù)雜的功能體系中，上位功能之后往往有幾個并列的功能存在，這些并列

42、的功能有可能各自成為子體系，構(gòu)成一個功能范圍。通過這些關(guān)系可以得到功能結(jié)構(gòu)圖，如圖2-4所示(f代表一級功0能，f，f，f代表二級功能，f ，f ，f ，f ，f ，f ,f 代表三級功能)。2212311122123n1n2圖2-4 功能結(jié)構(gòu)圖263 模塊式機械手及組成模塊式機械手是將一些通用部件，根據(jù)作業(yè)的要求，選擇必要的能完成預(yù)定機能的單元部件，以基座為基礎(chǔ)進行組合，配上與其相適應(yīng)的控制部分，即成為能完成特殊要求的機械手。通過模塊選擇與組合，以構(gòu)成一定范圍內(nèi)的不同功能或同功能不同性能、不同規(guī)格的系列產(chǎn)品，并且在產(chǎn)品變化或臨時對機械手進行新任務(wù)分配時，可以允許方便地改動或重新設(shè)計其新部件，

43、能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費用。各模塊劃分如圖2-5所示。13 圖2-5 氣動機械手各模塊組成氣動通用機械手按其功能分析可分為基座、立柱、手臂、小臂、手腕和手部模塊。其中手臂模塊和手部模塊是該機械手的基本模塊，可以細分為不同功能的局部模塊。立柱模塊和手腕模塊為可選模塊，如機械手不需要實現(xiàn)手臂的升降功能則可省略立柱模塊。各部分連接件和關(guān)節(jié)具備一定的互換性和繼承性，夾持式和吸附式手部模塊可以根據(jù)需要互換，根據(jù)各種實際情況需要還可以增加或減少功能模塊。27 機械手的總體方案設(shè)計 271 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案根據(jù)模塊化設(shè)計思想，機械手的各模塊化機構(gòu)分別為：立柱、手臂、小臂、手腕和手爪幾個部分。

44、如前所述，本機械手采用圓柱坐標形式，共有四個自由度。根據(jù)工作需要，本機械手只需要立柱、手臂、小臂和手爪幾個模塊構(gòu)成。氣動機械手的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-6所示。14 圖2-6 氣動機械手結(jié)構(gòu)簡圖a-手臂擺動氣缸 b-升降氣缸 c-伸縮氣缸 d-小臂 e-氣爪1-基座 2-手臂關(guān)節(jié) 3-手腕關(guān)節(jié) 4-導(dǎo)向裝置 5-定位擋塊272 機械手的驅(qū)動方案通常，工業(yè)機械手的驅(qū)動方式可分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電力驅(qū)動三種基本類型。各種驅(qū)動方式的基本特點如下一、液壓驅(qū)動(1)驅(qū)動力或驅(qū)動力矩大，即功率重量比大，響應(yīng)速度快，重復(fù)精度高，壓力可達2030mpa。(2)液壓缸可直接用作機械手關(guān)節(jié)的一部分，實現(xiàn)直線驅(qū)動，結(jié)

45、構(gòu)簡單緊湊。(3)速度調(diào)節(jié)方便易控，可實現(xiàn)平穩(wěn)的無級調(diào)速和換向，容易實現(xiàn)自動化。(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。但液壓驅(qū)動需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄露而影響運動精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。二、氣壓驅(qū)動(1)氣源方便，氣源系統(tǒng)簡單、清潔無污染。(2)壓縮空氣在管路中流速可達100m/s(液壓油流速只有5m/s)，所以動作速度快。15 (3)與液壓相比，氣壓工作壓力低，通常為0.4-0.6mpa。氣動系統(tǒng)體積大，由于空氣可壓縮，因而運動平穩(wěn)差，工作時噪聲大，位置精度低。一般用于中小負荷機械手。三、電力驅(qū)動電力驅(qū)動可分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和

46、步進電動機驅(qū)動。普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機械手。伺服電動機和步進電動機輸出力矩相對較小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制。交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。表2-3為各種驅(qū)動方式及特點。1表2-3各種驅(qū)動方式及特點的比較特點驅(qū)動方式輸出力控制性能 維修使用 結(jié)構(gòu)體積 使用范圍 制造成本可高速，沖擊較嚴重，精確定位困難。氣體壓縮性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易與cpu連接氣 壓 壓 力低，輸出力維修簡單，能在高溫、粉塵等惡劣環(huán) 境 中 使用，泄漏

47、無影響中、小型專用機械手或機械手都有應(yīng)用結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低較小，如需氣壓驅(qū)動輸 出 力 大體積較大時，其結(jié)構(gòu)尺寸過大油液不可壓縮,壓力、流量均容易控制，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制中小型專用維修方便，在 輸出力液體對溫度相 同的情變化敏感，況下，體積油液泄漏易比 氣壓驅(qū)機械手或機液 壓 元 件械手都有應(yīng)成本較高，用，中型機械油 路 也 較手多為液壓復(fù)雜動方式小驅(qū)動壓力高，可液壓驅(qū)動 獲得大的輸出力著火16 異 步 電動機、直流 電 動機適用于速度低、抓重大物體的專用機械手控制性能較差，輸出力較大 慣性大，不易精確定位需要減速裝置，體積較大維修使用方便成本低電力容 易 與 c

48、pu 連接，控制性能可用于程序復(fù)雜、運動軌驅(qū)動步 進 或維修使用較復(fù)雜伺 服 電輸出力較小 好，響應(yīng)快，可體積較小 跡要求嚴格成本較高機精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜的工業(yè)機械手速度較高，速度與加速度均由自由度多適用于自由機構(gòu)控制。定位維修使用方時，機構(gòu)復(fù)度少，速度較結(jié)構(gòu)簡單，機械聯(lián)動 輸出力較大精度高，可與主便機嚴格同步。不易與cpu連接雜，體積也高的專用機成本低較大械手綜合比較，氣壓驅(qū)動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、工作可靠、無污染、耐高溫、防火、防爆、防電磁干擾等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越多的重視，適合于中小型機械手。273 機械手的控制方案1、非伺服機械手非伺服機械手工作能力比較有限，機械

49、手按照預(yù)先編好的程序順序進行工作，使用限位開關(guān)、制動器、插銷板和定序器來控制機械手的運動。插銷板是用來預(yù)先規(guī)定機械手的工作順序，而且往往是可調(diào)的。定序器是一種定序開關(guān)或步進裝置，它能夠按照預(yù)定的正確順序接通驅(qū)動裝置的能源。驅(qū)動裝置接通能源后，就帶動機械手的手臂、手腕和手部等裝置運動。當(dāng)他們移動到由限位開關(guān)所規(guī)定的位置時，限位開關(guān)切換工作狀態(tài)，給定序器送去一個工作任務(wù)已完成的信號，并使終端制動器動作，切斷驅(qū)動器能源，使機械手停止運動。2、伺服機械手17 伺服機械手比非伺服機械手有更強的工作能力。伺服系統(tǒng)的被控制量可為機械手手部執(zhí)行裝置的位置、速度、加速度和力等。通過傳感器取得的反饋信號與來自給定裝置的綜合信號，用比較器加以比較后，得到誤差信號，經(jīng)過放大后用以激發(fā)機械手的驅(qū)動裝置，進而帶動手部執(zhí)行裝置以一定規(guī)律運動，達到規(guī)定的位置或速度等，這是一個反饋控制系統(tǒng)。伺服控制機械手可分為點位伺服控制和連續(xù)伺服控制兩種。（1）點位伺服控制機械手的受控運動方式為從一個點位目標移向另一個點位目標，只在目標點上完成操作。機械手可以以最快的和最直接的路徑從一個端點移到另一個