机电一体化毕业设计气动机械手的毕业设计.docx
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机电一体化毕业设计气动机械手的毕业设计
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
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
1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（FlexibleManufacturingsystem）和柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell）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。
a）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。
（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
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
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。
2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。
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。
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：
335mm
5、机身最大中心高：
415mm
6、主要运动参数：
手臂伸缩行程：
200mm手臂伸缩速度：
1000mm/s
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°/s
2.6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。
3.1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μ=0.4,依据力的平衡方程有:
mg=N,N=mg/μ=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,L2^2=L1^2+16^2
F1=M/L2=147/0.062=2370N
部件在运动过程中的机械效率ζ=0.3,所以气缸提供的力至少应为:
F=2F1cosθ=2*2370*25/62=1911N,F0=F/ζ=1911/0.3=6370N
LG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*10^6*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。
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μ=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ζ=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*μ/ζ=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0.049~0.98MPa,取0.9MPa,计算气缸提供的推力为:
F=0.9*10^6*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ζ=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/ζ=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*10^6*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
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