氣動翻轉(zhuǎn)機械手部件設(shè)計[動畫仿真][PPT]

喜歡這套資料就充值下載吧。資源目錄里展示的都可在線預(yù)覽哦。下載后都有，請放心下載，文件全都包含在內(nèi)，圖紙為CAD格式可編輯，有疑問咨詢QQ:414951605 或 1304139763p 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）文獻綜述報告 班 級 機械設(shè)計制造及其自動化09(4)班 姓 名 楊永賀 課題名稱 氣動翻轉(zhuǎn)機械手部件設(shè)計 目 錄 1 前言 2 氣動機械手的發(fā)展 3 發(fā)展趨勢 4 氣動機械手原理及部件舉例 5 國內(nèi)優(yōu)秀氣動機械手設(shè)計舉例 6 總結(jié) 參考文獻 指導(dǎo)教師 審批意見 簽名： 年 月 日 氣動翻轉(zhuǎn)機械手部件設(shè)計 楊永賀 (機械設(shè)計制造及其自動化09(4)班 B09370126) 1 前言 氣動機械手的驅(qū)動力為氣壓，機械手并不是在簡單意義上代替人工的勞動，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，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，它主要是用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。所以氣動機械手能夠降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率。但它的缺點也很明顯，因為氣體具有很大的可壓縮性, 要做到氣動機械手精確定位難度很大, 尤其是難以實現(xiàn)任意位置的多點定位；而且可壓縮性也帶來不能承受過重的負載的限制。傳統(tǒng)氣動系統(tǒng)只能靠機械定位置的調(diào)定位置而實現(xiàn)可靠定位, 并且其運動速度只能靠單向節(jié)流閥單一調(diào)定, 經(jīng)常無法滿足許多設(shè)備的自動控制要求[1-2]。 近20年來，氣動技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬， 尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合, 使整個系統(tǒng)自動化程度更高, 控制方式更靈活, 性能更加可靠; 氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展, 對氣動技術(shù)提出了更多更高的要求;由于氣動脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點, 國內(nèi)外都在大力研發(fā)氣動機械手[1]。 2 氣動機械手的發(fā)展 2.1 國外氣動機械手狀況 從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看, 近30多年來, 氣動行業(yè)發(fā)展很快。20世紀70年代, 液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為9：1, 而30多年后的今天, 在工業(yè)技術(shù)發(fā)達的歐美、日本等國家, 該比例已達到6：4, 甚至接近5：5。 90年代初，有布魯塞爾皇家軍事學(xué)院Y.Bando教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的電子氣動機器人--"阿基里斯"六腳勘測員，也被稱為FESTO的"六足動物"[12]。Y.Bando教授采用了世界上著名的德國FESTO生產(chǎn)的氣動元件、可編程控制器和傳感器等，創(chuàng)造了一個在荷馬史詩中最健壯最勇敢的希臘英雄--阿基里斯。它能在人不易進入的危險區(qū)域、污染或放射性的環(huán)境中進行地形偵察。六腳電子氣動機器人的上方安裝了一個照相機來探視障礙物，能安全的繞過它，并在行走過程中記錄和收集數(shù)據(jù)。六腳電子氣動機器人行走的所有程序由FPC101-B可編程控制器控制，F(xiàn)PC101-B能在六個不同方向控制機器人的運動，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三個腳與地面接觸，機器人便能以一種平穩(wěn)的姿態(tài)行走，六腳中的每一個腳都有三個自由度，一個直線氣缸把腳提起、放下，一個擺動馬達控制腳伸展、退回，另一個擺動馬達則負責(zé)圍繞腳的軸心作旋轉(zhuǎn)運動。每個氣缸都裝備了調(diào)節(jié)速度用的單向節(jié)流閥，使機械驅(qū)動部件在運動時保持平穩(wěn)，即在無級調(diào)速狀態(tài)下工作?？刂茪飧椎拈y內(nèi)置在機器人體內(nèi)，由FPC101-B可編程控制器控制。當(dāng)接通電源時，氣動閥被切換到工作狀態(tài)位置，當(dāng)關(guān)閉電源時，他們便回到初始位置。此外，操作者能在任何一點上停止機器人的運動，如果機器人的傳感器在它的有效范圍內(nèi)檢測到障礙物，機器人也會自動停止[13]。 由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計的氣動攀墻機器人，它能在兩個相互垂直的表面上行走(包括從地面到墻面或者從墻面到天花板上)。該機器人軸心的圓周邊上裝備著等距離(根據(jù)步距設(shè)置)的吸盤和氣缸，一組吸盤吸力與另一組吸盤吸力的交替交換，類似腳踏似的運動方式，使機器人產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)步進運動。這種攀墻式機器人可被用于工具搬運或執(zhí)行多種操作，如在核能發(fā)電站、高層建筑物氣動機械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究或船舶上進行清掃、檢驗和安裝工作。機器人用遙控方式進行半自動操作，操作者只需輸入運行的目標距離，然后計算機便能自動計算出必要的單步運行。操作者可對機器人進行監(jiān)控[7]。 國外的設(shè)計人員對于機械手的設(shè)計理念已經(jīng)非常成熟。Wright等人分析比較了機械手與人手抓取系統(tǒng)，并把機械手分成與機器人手臂和控制系統(tǒng)相兼容、安全抓取和握持對象、準確的完成復(fù)雜性任務(wù)三種類別。許多工廠的機械手的例子和機械手設(shè)計指導(dǎo)方針也被描述進去了。Pham等人總結(jié)了機械手在不同應(yīng)用環(huán)境下設(shè)計方案應(yīng)該如何選擇。在他們的研究中，影響機械手如何選擇的變量如下：（a）成分，（b）任務(wù),(c)環(huán)境，（d）機械臂和控制條件。“成分”這個變量包括幾何、形狀、重量、表面質(zhì)量和溫度，這些因素都需要考慮好。對于可重構(gòu)系統(tǒng)，他們以形狀和大小為標準又把這個變量分成了其他家族。對于“任務(wù)”這個變量，除了機械手的類型、不同組成部分的數(shù)量、準確性及周期需要考慮外，還有主要的操作處理如抓取、握持、移動和放置都要考慮。在合適的地方設(shè)計核實的機械手，必須考慮所有的因素，而且驗證性的測試必須要多做。為了減少疲勞效應(yīng)，pham等人開發(fā)了一個用于選擇機械手的專家系統(tǒng)。瑞典E IE T R O IU X 公司于最近創(chuàng)造一種新產(chǎn)品一一氣動機械手。這種機械手以壓縮空氣為動力, 小巧靈便,它裝在一個圓形豎柱上, 該圓柱又能上下移動0 至150 mm , 左右移動350mm，機械手的最高速度為1000m/s，定位精度為500m/s;兩個機械手各能舉起5kg重物[14]。 圖1瑞典發(fā)明的氣動機械手 2.2 國內(nèi)氣動機械手情況 我國改革開放以來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。1986年至2003年間，氣動元件產(chǎn)值的年第增率達24.2，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率10的水平。雖然市場和應(yīng)用發(fā)展迅速，但是我國的氣動技術(shù)與歐美、日本等國相比，還存在著相當(dāng)大的差距。我國在氣動技術(shù)的研究與開發(fā)的方面，缺乏先進的儀器與設(shè)備，研究開發(fā)手段落后，技術(shù)力量差，每年問世的新產(chǎn)品數(shù)量極其有限。在許多開發(fā)與研究領(lǐng)域還是空白，因此必須跟蹤國外氣動技術(shù)的最新發(fā)展動向，以減小差距，提高我國氣動技術(shù)的水平[8]。 3 發(fā)展趨勢 3.1 重復(fù)高精度 精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度, 它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次, 機械手到達同樣位置的精確程度重復(fù)精度比精度更重要, 如果一個機器人定位不夠精確, 通常會顯示一個固定的誤差, 這個誤差是可以預(yù)測的, 因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機器人來測定[15] 。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展, 以及氣動伺服技術(shù)走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機械手的重復(fù)精度將越來越高, 它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 3.2 模塊化 有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動機械手比組合 導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置, 使機械手運動自如。由于模塊化氣動機械手的驅(qū)動部件采用了特殊設(shè)計的 滾珠軸承, 使它具有高剛性、高強度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應(yīng)用范圍, 是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向。智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動機械手和氣動機器人的性能起到了十分重要的支持作用。因為智能閥島本來就是模塊化的設(shè)備, 特別是緊湊型CP 閥島, 它對分散上的集中控制起了十分重要的作用, 特別對機械手中的移動模塊。 3.3 無給油化 為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求, 不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進步, 新型材料(如燒結(jié)金屬石墨材料) 的出現(xiàn), 構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件, 不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境, 而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長[16]。 3.4 機電氣一體化 由“可編程序控制器-傳感器-氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動元件, 使氣動技術(shù)從“開關(guān)控制” 進入到高精度的“ 反饋控制”; 省配線的復(fù)合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC 的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC, 而閥島技術(shù)的發(fā)展, 又使PLC 在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應(yīng)手[17-22]。 4 氣動機械手原理及部件舉例 4.1 驅(qū)動力為由氣缸驅(qū)動 圖2為一常用氣動機械手的結(jié)構(gòu)示意圖。有四個氣缸組成，能在三個坐標內(nèi)工作，控制的執(zhí)行元件數(shù)目是四個：即由立柱回轉(zhuǎn)缸A實現(xiàn)機械手正、反轉(zhuǎn)的運動，立柱升降缸B實現(xiàn)機械手下降、升起的運動，夾緊缸C實現(xiàn)機械手夾緊、松開的運動，伸縮缸D實現(xiàn)機械手伸出、縮回的運動。驅(qū)動方式為在開口處通入空氣，即可實現(xiàn)運轉(zhuǎn)。 圖2氣缸驅(qū)動的機械手舉例1 在機械手加持物料時，需要氣缸C、D兩個聯(lián)動實現(xiàn)：即機械手先生出至物料處、再夾緊物料，反向需先松開物料、再收回機械手的運動。在加工和裝配零件時，存在對氣缸C的固定氣缸D活塞桿的運動限位等問題。而且整體結(jié)構(gòu)比較大，對一些受結(jié)構(gòu)限制的場合，采用這種夾持結(jié)構(gòu)就存在一些不足[3]。 圖3示是用于某設(shè)備上的機械手的結(jié)構(gòu)示意圖, 它由4個氣缸( 3個滑動氣缸, 1個擺動氣缸組成, 可在3個坐標內(nèi)工作, 圖中A 為夾緊氣缸,其活塞退回時夾緊工件, 活塞桿伸出時松開工件。B缸為長臂伸縮缸, 可實現(xiàn)伸出和縮回動作。C 缸為立柱升降缸。D缸為立柱回轉(zhuǎn)缸。圖中的發(fā)信裝置為行程閥[4]。 圖3氣缸驅(qū)動的機械手舉例2 4.2 機械手夾持部件結(jié)構(gòu)示意圖 4.2.1 外夾持型機械手 圖4為一種較簡單平行開閉手爪的結(jié)構(gòu)。氣缸的活塞有壓縮空氣驅(qū)動，通過活塞桿7上的支點軸2帶動撥叉3轉(zhuǎn)動，再通過傳動軸4使手爪1沿導(dǎo)向槽做平行移動，圖中為雙作用氣缸，也可為單作用氣缸返回運動靠彈簧完成。該結(jié)構(gòu)的特點是重量輕，體積小，最小型重量為75g，最大型為300g，因此，可以與小型機械手配套使用[5]。 圖4外夾持型鉸鏈式平行開閉手爪結(jié)構(gòu)示意圖 4.2.2 內(nèi)夾持型機械手 前面介紹的是外加持機械手，下面介紹一種內(nèi)加持的機械手。 圖5所示的基于鉸桿-杠桿串聯(lián)增力機構(gòu)的內(nèi)夾持氣動機械手, 主要由氣壓缸、鉸桿1 和1c、杠桿2和2c組成。當(dāng)壓縮空氣的方向控制閥處于圖1所示左位工作狀態(tài)時, 氣壓缸的左腔即無桿腔進入壓縮空氣, 推動活塞向右運動, 導(dǎo)致鉸桿1和1c的壓力角A變小, 通過角度效應(yīng)第一次把輸入力放大, 然后傳遞到恒增力杠桿機構(gòu)2和2c上, 再一次將輸入力進行放大, 變?yōu)閵A持工件的作用力F。當(dāng)方向控制閥處于右位工作狀態(tài)時, 氣壓缸的右腔即有桿腔進入壓空氣, 推動活塞向左運動, 夾持機構(gòu)松開工件[6-21]。 圖5內(nèi)夾持型機械手舉例 5 國內(nèi)優(yōu)秀氣動機械手設(shè)計舉例 5.1 與模具切割相結(jié)合 第一個是鄭州輕工業(yè)學(xué)院和紡織工學(xué)院的老師設(shè)計的機械手，如圖6所示，它是與磨具切割想配合的一種設(shè)計。如圖所示，機械手由手部——手指（3）和夾緊氣缸（1）、手腕——拉伸臂（2）和拉伸氣缸（4）、手臂——剝離臂（5）和剝離氣缸（6）以及底座（D）組成。機械手的手部采用單支點回轉(zhuǎn)式活動手指配合以固定手指，在夾緊氣缸（1）的作用下夾持模組橡膠襯圈上的“凸耳”。為使手指在夾持襯圈的過程中不出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象，特在手指端部加工有鋸齒型斜槽，拉伸臂（2）和剝離臂（5）在后部鉸支的拉伸氣缸（4）和剝離氣缸（6）的作用下，分別繞支點（B）和支點（C）擺動，同時在切割裝置的配合下，完成襯圈的拉伸、切割和剝離任務(wù)。機械手通過底座（D）與自動剝離機有機相連，與剝離機其他機構(gòu)協(xié)調(diào)動作[9]。 圖6 氣動式機械手 5.2 機械手虛擬樣機 第二種如圖所示，設(shè)計的新型氣動機械手的虛擬樣機如圖1所示,其中腰部轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)由比例流量閥式擺動氣缸實現(xiàn); 大臂和中臂之間的俯仰運動由比例流量閥驅(qū)動單出桿雙作用直線汽缸實現(xiàn)。而中臂與小臂之間由可調(diào)支撐件來手動調(diào)節(jié)角度, 并配合調(diào)節(jié)小臂的螺紋連接件, 來控制機械手末端在笛卡爾空間坐標系中的位置。手抓部位的夾持力通過控制直線氣缸來調(diào)節(jié)。 圖7 機械手虛擬樣機 在設(shè)計的機械手虛擬樣機中, 底座與軀干以固定副相連, 軀干與大臂以轉(zhuǎn)動副相連, 大臂與中臂以轉(zhuǎn)動副相連, 中臂、可調(diào)支撐和小臂以固定副相連, 小臂與手腕以固定副相連, 直線氣缸部位以平動副相連, 添加約束后如圖所示[10]。 5.3 高精度機械手 第三種如圖8所示。機械手具備有：水平缸X軸方向移動、垂直升降缸Y軸方向運動、伸縮缸Z軸方向伸縮及伸擺缸繞Z軸選裝四個自由度（手指開合不記）。由于手臂采用懸臂方式，活塞缸所承受的徑向彎曲力矩較大，為解決這個問題，我們用了具有良好導(dǎo)向性能的高精度導(dǎo)軌型無桿缸和導(dǎo)向型伸縮缸。手指采用兩只肘潔是卡爪，通過鋁合金奧通和伸擺缸連接，增強了伸縮氣缸的導(dǎo)向型和抗彎能力。手指采用自行設(shè)計的V型塊，也可以根據(jù)被夾工件實際形狀要求設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)。無桿缸、升降缸和伸擺缸通過硬質(zhì)鋁合金連接板連接，結(jié)構(gòu)簡單，便于加工和連接。位移傳感器和無桿缸相連，檢測X軸方向位移 [11]。 圖8 氣動機械手結(jié)構(gòu)圖 6 總結(jié) 經(jīng)過一段時間的學(xué)習(xí)和文獻參考，我對氣動機械手有了基本的認識，對機械手的發(fā)展歷程以及未來的研發(fā)趨勢也有了一定的了解。我國的氣動機械手起步較晚，但涌現(xiàn)出了一大批構(gòu)思巧妙、設(shè)計精良的氣動機械手，爆破[19-20]、搬運、夾持的研究也取得了很大的成果。本課題希望在原有的氣動翻轉(zhuǎn)機械手加以改進，提高它的生產(chǎn)效率。 參考文獻 [1]陶湘廳，袁銳波，羅璟.氣動機械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 機床與液壓, 2007, 35(8):226-228. [2]楊振球，易孟林.高精度氣動機械手的研發(fā)及其應(yīng)用[J].液壓與氣動，2005：55-56. [3]于傳浩，章滌峰. 一種氣動機械手夾持機構(gòu)的設(shè)計[J].液壓氣動與密封，2003，101(5):22-28. [4]鮑燕偉，吳玉蘭.一種通用氣動機械手的控制設(shè)計[J].機床與液壓，2006， 9：166-169. [5]吳淑英.機械手氣動手爪的結(jié)構(gòu)分析與選擇[J]. 制造技術(shù)與機床, 1998, 9:9-11. [6]郭瑞潔,鐘康民.基于鉸桿-杠桿串聯(lián)增力機構(gòu)的內(nèi)夾持氣動機械手[J]. 液壓與氣動, 2009, 1:55-56. [7]姚二民,王新杰，馬韜.一種氣動式機械手的設(shè)計[J]. 機械設(shè)計與制造, 1996, 2:19-20. [8]馬亮,張慶峰,顧寄南. 一種新型數(shù)控氣動機械手的設(shè)計與研究[J]. 機電工程,1998,28(2):162-171. [9]林黃耀，杜彥亭，董霞.一種積木式氣動機械手的研究設(shè)計[J].液壓與氣動，2005,10:12-13. [10]韋堯兵，姜明星，劉軍，剡昌鋒.氣動搬運機械手虛擬設(shè)計[J].液壓與氣動，2009,5:4-6. [11]A.J.G. Nuttall, A.J. Klein Breteler. Compliance effects in a parallel jaw gripper[J].Mechanism and Machine Theory,2003,38:1509–1522. [12]Ho Choi, Muammer Koc. Design and feasibility tests of a flexible gripper based on inflatable rubber pockets[J]. International Journal of Machine Tools &Manufacture,2006,46:1350–1361. [13]馬清艷，武文革，王彪，劉永姜，于大國. 多工位搬運氣動機械手教學(xué)的應(yīng)用[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報,2012,34(2):74-76. [14]聶彤.多機械手氣動系統(tǒng)的設(shè)計方法[J].液壓與氣動,2001，3：13-15. [15]黃崇莉，劉菊蓉.分揀機械手設(shè)計[J].液壓與氣動,2010，12：94-96. [16]梁承文，陳元旭，王儀明.基于GT-Designer的氣動包裝機械手的設(shè)計與研究[J].機械工程與自動化控制,2010：300-303. [17]諶渭.基于PLC的氣動機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案[J].工程技術(shù),2001,5：109. [18]朱梅.基于機械手的全氣動或電氣動控制設(shè)計[J].液壓與氣動，2004，1：3-4. [19]李增強, 章軍, 劉光元.蘋果被動抓取柔性機械手的結(jié)構(gòu)與分析包裝工程[J].2011，15(8)：14-18. [20]李庭貴. 氣動機械手搬運物料精確定位控制系統(tǒng)設(shè)計[J].液壓與氣動，2012，1：54-56. [21]張毅.氣動機械手概述[J].大觀周刊，2012，9:101-103. [22]孫友剛，盛小明.氣動送料機械手變尺寸自動對中夾持器的設(shè)計[J].液壓與氣動，2011，6:54-55. [23]吳慶達.新型氣動機械手[J]. 中國學(xué)術(shù)期刊,1994,1:71. [24]吳靜如. 一種氣動機械手及運動設(shè)計[J].高科技產(chǎn)品研發(fā),1998,2:69-70. 11