氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手部件設(shè)計(jì)[動(dòng)畫仿真][PPT]

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尤其是難以實(shí)現(xiàn)任意位置的多點(diǎn)定位；而且可壓縮性也帶來(lái)不能承受過(guò)重的負(fù)載的限制。傳統(tǒng)氣動(dòng)系統(tǒng)只能靠機(jī)械定位置的調(diào)定位置而實(shí)現(xiàn)可靠定位, 并且其運(yùn)動(dòng)速度只能靠單向節(jié)流閥單一調(diào)定, 經(jīng)常無(wú)法滿足許多設(shè)備的自動(dòng)控制要求[1-2]。 近20年來(lái)，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬， 尤其是在各種自動(dòng)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(dòng)技術(shù)相結(jié)合, 使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高, 控制方式更靈活, 性能更加可靠; 氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展, 對(duì)氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求;由于氣動(dòng)脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn), 國(guó)內(nèi)外都在大力研發(fā)氣動(dòng)機(jī)械手[1]。 2 氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展 2.1 國(guó)外氣動(dòng)機(jī)械手狀況 從各國(guó)的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看, 近30多年來(lái), 氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。20世紀(jì)70年代, 液壓與氣動(dòng)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(dá)的歐美、日本等國(guó)家, 該比例已達(dá)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(kāi)發(fā)研制的電子氣動(dòng)機(jī)器人--"阿基里斯"六腳勘測(cè)員，也被稱為FESTO的"六足動(dòng)物"[12]。Y.Bando教授采用了世界上著名的德國(guó)FESTO生產(chǎn)的氣動(dòng)元件、可編程控制器和傳感器等，創(chuàng)造了一個(gè)在荷馬史詩(shī)中最健壯最勇敢的希臘英雄--阿基里斯。它能在人不易進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域、污染或放射性的環(huán)境中進(jìn)行地形偵察。六腳電子氣動(dòng)機(jī)器人的上方安裝了一個(gè)照相機(jī)來(lái)探視障礙物，能安全的繞過(guò)它，并在行走過(guò)程中記錄和收集數(shù)據(jù)。六腳電子氣動(dòng)機(jī)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(gè)不同方向控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三個(gè)腳與地面接觸，機(jī)器人便能以一種平穩(wěn)的姿態(tài)行走，六腳中的每一個(gè)腳都有三個(gè)自由度，一個(gè)直線氣缸把腳提起、放下，一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)控制腳伸展、退回，另一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)氣缸都裝備了調(diào)節(jié)速度用的單向節(jié)流閥，使機(jī)械驅(qū)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)保持平穩(wěn)，即在無(wú)級(jí)調(diào)速狀態(tài)下工作?？刂茪飧椎拈y內(nèi)置在機(jī)器人體內(nèi)，由FPC101-B可編程控制器控制。當(dāng)接通電源時(shí)，氣動(dòng)閥被切換到工作狀態(tài)位置，當(dāng)關(guān)閉電源時(shí)，他們便回到初始位置。此外，操作者能在任何一點(diǎn)上停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，如果機(jī)器人的傳感器在它的有效范圍內(nèi)檢測(cè)到障礙物，機(jī)器人也會(huì)自動(dòng)停止[13]。 由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的氣動(dòng)攀墻機(jī)器人，它能在兩個(gè)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(jī)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(yùn)動(dòng)方式，使機(jī)器人產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。這種攀墻式機(jī)器人可被用于工具搬運(yùn)或執(zhí)行多種操作，如在核能發(fā)電站、高層建筑物氣動(dòng)機(jī)械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究或船舶上進(jìn)行清掃、檢驗(yàn)和安裝工作。機(jī)器人用遙控方式進(jìn)行半自動(dòng)操作，操作者只需輸入運(yùn)行的目標(biāo)距離，然后計(jì)算機(jī)便能自動(dòng)計(jì)算出必要的單步運(yùn)行。操作者可對(duì)機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控[7]。 國(guó)外的設(shè)計(jì)人員對(duì)于機(jī)械手的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)非常成熟。Wright等人分析比較了機(jī)械手與人手抓取系統(tǒng)，并把機(jī)械手分成與機(jī)器人手臂和控制系統(tǒng)相兼容、安全抓取和握持對(duì)象、準(zhǔn)確的完成復(fù)雜性任務(wù)三種類別。許多工廠的機(jī)械手的例子和機(jī)械手設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針也被描述進(jìn)去了。Pham等人總結(jié)了機(jī)械手在不同應(yīng)用環(huán)境下設(shè)計(jì)方案應(yīng)該如何選擇。在他們的研究中，影響機(jī)械手如何選擇的變量如下：（a）成分，（b）任務(wù),(c)環(huán)境，（d）機(jī)械臂和控制條件?！俺煞帧边@個(gè)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(duì)于可重構(gòu)系統(tǒng)，他們以形狀和大小為標(biāo)準(zhǔn)又把這個(gè)變量分成了其他家族。對(duì)于“任務(wù)”這個(gè)變量，除了機(jī)械手的類型、不同組成部分的數(shù)量、準(zhǔn)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(dòng)和放置都要考慮。在合適的地方設(shè)計(jì)核實(shí)的機(jī)械手，必須考慮所有的因素，而且驗(yàn)證性的測(cè)試必須要多做。為了減少疲勞效應(yīng)，pham等人開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于選擇機(jī)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(dòng)機(jī)械手。這種機(jī)械手以壓縮空氣為動(dòng)力, 小巧靈便,它裝在一個(gè)圓形豎柱上, 該圓柱又能上下移動(dòng)0 至150 mm , 左右移動(dòng)350mm，機(jī)械手的最高速度為1000m/s，定位精度為500m/s;兩個(gè)機(jī)械手各能舉起5kg重物[14]。 圖1瑞典發(fā)明的氣動(dòng)機(jī)械手 2.2 國(guó)內(nèi)氣動(dòng)機(jī)械手情況 我國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。1986年至2003年間，氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年第增率達(dá)24.2，高于中國(guó)機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率10的水平。雖然市場(chǎng)和應(yīng)用發(fā)展迅速，但是我國(guó)的氣動(dòng)技術(shù)與歐美、日本等國(guó)相比，還存在著相當(dāng)大的差距。我國(guó)在氣動(dòng)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)的方面，缺乏先進(jìn)的儀器與設(shè)備，研究開(kāi)發(fā)手段落后，技術(shù)力量差，每年問(wèn)世的新產(chǎn)品數(shù)量極其有限。在許多開(kāi)發(fā)與研究領(lǐng)域還是空白，因此必須跟蹤國(guó)外氣動(dòng)技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向，以減小差距，提高我國(guó)氣動(dòng)技術(shù)的水平[8]。 3 發(fā)展趨勢(shì) 3.1 重復(fù)高精度 精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度, 它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次, 機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度重復(fù)精度比精度更重要, 如果一個(gè)機(jī)器人定位不夠精確, 通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差, 這個(gè)誤差是可以預(yù)測(cè)的, 因此可以通過(guò)編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍, 它通過(guò)一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來(lái)測(cè)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(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室和氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動(dòng)機(jī)械手的重復(fù)精度將越來(lái)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(dòng)裝置的氣動(dòng)機(jī)械手稱為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合 導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)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(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于模塊化氣動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件采用了特殊設(shè)計(jì)的 滾珠軸承, 使它具有高剛性、高強(qiáng)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(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。模塊化氣動(dòng)機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能, 擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍, 是氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。智能閥島的出現(xiàn)對(duì)提高模塊化氣動(dòng)機(jī)械手和氣動(dòng)機(jī)器人的性能起到了十分重要的支持作用。因?yàn)橹悄荛y島本來(lái)就是模塊化的設(shè)備, 特別是緊湊型CP 閥島, 它對(duì)分散上的集中控制起了十分重要的作用, 特別對(duì)機(jī)械手中的移動(dòng)模塊。 3.3 無(wú)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(wú)污染要求, 不加潤(rùn)滑脂的不供油潤(rùn)滑元件已經(jīng)問(wèn)世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)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(rùn)滑材料制造的無(wú)潤(rùn)滑元件, 不僅節(jié)省潤(rùn)滑油、不污染環(huán)境, 而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)[16]。 3.4 機(jī)電氣一體化 由“可編程序控制器-傳感器-氣動(dòng)元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)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(dòng)元件, 使氣動(dòng)技術(shù)從“開(kāi)關(guān)控制” 進(jìn)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(jiǎn)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(lái)越小, 而PLC 的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來(lái)越可能。氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制越來(lái)越離不開(kāi)PLC, 而閥島技術(shù)的發(fā)展, 又使PLC 在氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制中變得更加得心應(yīng)手[17-22]。 4 氣動(dòng)機(jī)械手原理及部件舉例 4.1 驅(qū)動(dòng)力為由氣缸驅(qū)動(dòng) 圖2為一常用氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖。有四個(gè)氣缸組成，能在三個(gè)坐標(biāo)內(nèi)工作，控制的執(zhí)行元件數(shù)目是四個(gè)：即由立柱回轉(zhuǎn)缸A實(shí)現(xiàn)機(jī)械手正、反轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，立柱升降缸B實(shí)現(xiàn)機(jī)械手下降、升起的運(yùn)動(dòng)，夾緊缸C實(shí)現(xiàn)機(jī)械手夾緊、松開(kāi)的運(yùn)動(dòng)，伸縮缸D實(shí)現(xiàn)機(jī)械手伸出、縮回的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)方式為在開(kāi)口處通入空氣，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖2氣缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手舉例1 在機(jī)械手加持物料時(shí)，需要?dú)飧證、D兩個(gè)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)：即機(jī)械手先生出至物料處、再夾緊物料，反向需先松開(kāi)物料、再收回機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。在加工和裝配零件時(shí)，存在對(duì)氣缸C的固定氣缸D活塞桿的運(yùn)動(dòng)限位等問(wèn)題。而且整體結(jié)構(gòu)比較大，對(duì)一些受結(jié)構(gòu)限制的場(chǎng)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖, 它由4個(gè)氣缸( 3個(gè)滑動(dòng)氣缸, 1個(gè)擺動(dòng)氣缸組成, 可在3個(gè)坐標(biāo)內(nèi)工作, 圖中A 為夾緊氣缸,其活塞退回時(shí)夾緊工件, 活塞桿伸出時(shí)松開(kāi)工件。B缸為長(zhǎng)臂伸縮缸, 可實(shí)現(xiàn)伸出和縮回動(dòng)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(dòng)的機(jī)械手舉例2 4.2 機(jī)械手夾持部件結(jié)構(gòu)示意圖 4.2.1 外夾持型機(jī)械手 圖4為一種較簡(jiǎn)單平行開(kāi)閉手爪的結(jié)構(gòu)。氣缸的活塞有壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，通過(guò)活塞桿7上的支點(diǎn)軸2帶動(dòng)撥叉3轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)傳動(dòng)軸4使手爪1沿導(dǎo)向槽做平行移動(dòng)，圖中為雙作用氣缸，也可為單作用氣缸返回運(yùn)動(dòng)靠彈簧完成。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(jī)械手配套使用[5]。 圖4外夾持型鉸鏈?zhǔn)狡叫虚_(kāi)閉手爪結(jié)構(gòu)示意圖 4.2.2 內(nèi)夾持型機(jī)械手 前面介紹的是外加持機(jī)械手，下面介紹一種內(nèi)加持的機(jī)械手。 圖5所示的基于鉸桿-杠桿串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的內(nèi)夾持氣動(dòng)機(jī)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(shí), 氣壓缸的左腔即無(wú)桿腔進(jìn)入壓縮空氣, 推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng), 導(dǎo)致鉸桿1和1c的壓力角A變小, 通過(guò)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(jī)構(gòu)2和2c上, 再一次將輸入力進(jìn)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(shí), 氣壓缸的右腔即有桿腔進(jìn)入壓空氣, 推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng), 夾持機(jī)構(gòu)松開(kāi)工件[6-21]。 圖5內(nèi)夾持型機(jī)械手舉例 5 國(guó)內(nèi)優(yōu)秀氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)舉例 5.1 與模具切割相結(jié)合 第一個(gè)是鄭州輕工業(yè)學(xué)院和紡織工學(xué)院的老師設(shè)計(jì)的機(jī)械手，如圖6所示，它是與磨具切割想配合的一種設(shè)計(jì)。如圖所示，機(jī)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——?jiǎng)冸x臂（5）和剝離氣缸（6）以及底座（D）組成。機(jī)械手的手部采用單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式活動(dòng)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(guò)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(diǎn)（B）和支點(diǎn)（C）擺動(dòng)，同時(shí)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(jī)械手通過(guò)底座（D）與自動(dòng)剝離機(jī)有機(jī)相連，與剝離機(jī)其他機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動(dòng)作[9]。 圖6 氣動(dòng)式機(jī)械手 5.2 機(jī)械手虛擬樣機(jī) 第二種如圖所示，設(shè)計(jì)的新型氣動(dòng)機(jī)械手的虛擬樣機(jī)如圖1所示,其中腰部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)由比例流量閥式擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn); 大臂和中臂之間的俯仰運(yùn)動(dòng)由比例流量閥驅(qū)動(dòng)單出桿雙作用直線汽缸實(shí)現(xiàn)。而中臂與小臂之間由可調(diào)支撐件來(lái)手動(dòng)調(diào)節(jié)角度, 并配合調(diào)節(jié)小臂的螺紋連接件, 來(lái)控制機(jī)械手末端在笛卡爾空間坐標(biāo)系中的位置。手抓部位的夾持力通過(guò)控制直線氣缸來(lái)調(diào)節(jié)。 圖7 機(jī)械手虛擬樣機(jī) 在設(shè)計(jì)的機(jī)械手虛擬樣機(jī)中, 底座與軀干以固定副相連, 軀干與大臂以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連, 大臂與中臂以轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)副相連, 添加約束后如圖所示[10]。 5.3 高精度機(jī)械手 第三種如圖8所示。機(jī)械手具備有：水平缸X軸方向移動(dòng)、垂直升降缸Y軸方向運(yùn)動(dòng)、伸縮缸Z軸方向伸縮及伸擺缸繞Z軸選裝四個(gè)自由度（手指開(kāi)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(gè)問(wèn)題，我們用了具有良好導(dǎo)向性能的高精度導(dǎo)軌型無(wú)桿缸和導(dǎo)向型伸縮缸。手指采用兩只肘潔是卡爪，通過(guò)鋁合金奧通和伸擺缸連接，增強(qiáng)了伸縮氣缸的導(dǎo)向型和抗彎能力。手指采用自行設(shè)計(jì)的V型塊，也可以根據(jù)被夾工件實(shí)際形狀要求設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)。無(wú)桿缸、升降缸和伸擺缸通過(guò)硬質(zhì)鋁合金連接板連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工和連接。位移傳感器和無(wú)桿缸相連，檢測(cè)X軸方向位移 [11]。 圖8 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖 6 總結(jié) 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)和文獻(xiàn)參考，我對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手有了基本的認(rèn)識(shí)，對(duì)機(jī)械手的發(fā)展歷程以及未來(lái)的研發(fā)趨勢(shì)也有了一定的了解。我國(guó)的氣動(dòng)機(jī)械手起步較晚，但涌現(xiàn)出了一大批構(gòu)思巧妙、設(shè)計(jì)精良的氣動(dòng)機(jī)械手，爆破[19-20]、搬運(yùn)、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(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手加以改進(jìn)，提高它的生產(chǎn)效率。 參考文獻(xiàn) [1]陶湘廳，袁銳波，羅璟.氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 機(jī)床與液壓, 2007, 35(8):226-228. 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