曲軸搬運機械手設計【關節(jié)型坐標系、全液壓驅動、4自由度】

曲軸搬運機械手設計【關節(jié)型坐標系、全液壓驅動、4自由度】,關節(jié)型坐標系、全液壓驅動、4自由度,曲軸搬運機械手設計【關節(jié)型坐標系、全液壓驅動、4自由度】,曲軸,搬運,機械手,設計,關節(jié),坐標系,液壓,驅動,自由度 關于曲軸搬運機械手研究——文獻綜述 【摘要】 本文歸納了工業(yè)機械手和曲軸搬運機械手研究中的關鍵問題，分析了工業(yè)機械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，討論了設計工業(yè)機械手及曲軸搬運機械手的方案。在此基礎上，對工業(yè)機械手及曲軸搬運機械手的進一步研究進行了展望。 【關鍵詞】工業(yè)機械手，曲軸，自動化，液壓驅動，智能化 1、引言 隨著社會生產不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產效率也不斷提出新要求。由于微電子技術和計算軟、硬件技術的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機械手技術快速發(fā)展。它能模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置，可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。這一技術在工業(yè)、農業(yè)、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務等眾多領域有著越來越多的應用, 尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。工業(yè)機器人在提高產品質量、加快產品更新、提高生產效率、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。其中液壓式機械手系統(tǒng)由于其介質來源簡便以及組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到工業(yè)領域的各個部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。可在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產很大程度上不是連續(xù)的，因此可看出裝卸、搬運等工序機械化的迫切性。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。隨著我國工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，工業(yè)機器人市場也會越來越大。 在生產實踐中，常常需要將上料、加工、卸料等工序進行合理的安排，組成一條自動流水加工線。但在流水線上加工時，搬運工作由人工完成，不可避免地存在著勞動強度大、生產安全難以保障、定位精度不高等問題，嚴重影響了生產質量、生產效率和單位的經濟效益。當生產效率很高時，為了減少工人數(shù)量，改善工人的勞動條件，提高勞動生產率這就需要使自動線上工件搬運自動化。于是針對這一問題就提出了要研制一種搬運機械手來代替工人實現(xiàn)工件的搬運上線,并且能滿足定位和重復定位精度。用搬運機械手來代替工人搬運工件可以減輕工人的勞動強度，減少自動線上的工人數(shù)目，同時也提高了生產效率并且精度也得到了保障。 設計說明書的第一部分介紹工業(yè)機械手的現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)，以及研究曲軸搬運上線機械手的目的和動機；第二部分給出這臺機械手的主要性能規(guī)格參量；第三部分介紹工業(yè)機械手的設計理論與方法，并對機械手的整體結構進行設計；第四部分對液壓驅動方面進行簡單設計。 2、工業(yè)機械手的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 2.1基本知識 曲軸是引擎的主要旋轉機件，裝上連桿后，可承接連桿的上下(往復)運動變成循環(huán)(旋轉)運動。它是發(fā)動機上的一個重要的機件，其材料是由碳素結構鋼或球墨鑄鐵制成的，有兩個重要部位：主軸頸，連桿頸。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與汽缸活塞連接，是一個典型的曲柄滑塊機構。曲軸的潤滑主要是指與搖臂間軸瓦的潤滑和兩頭固定點的潤滑。 這個一般都是壓力潤滑的，曲軸中間會有油道和各個軸瓦相通，發(fā)動機運轉以后靠機油泵提供壓力供油進行潤滑、降溫。發(fā)動機工作過程就是，活塞經過混合壓縮氣的燃爆，推動活塞做直線運動，并通過連桿將力傳給曲軸，由曲軸將直線運動轉變?yōu)樾D運動。曲軸的旋轉是發(fā)動機的動力源。 機械手（mechanical hand），也被稱為自動手（auto hand），它能模仿人手和臂的某些動作功能，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。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 點位控制，采用全功能的數(shù)控裝置或采用單板機或單片機控制某機構從一點準確地移動到另一點，而點與點之間運動的軌跡不需要嚴格控制。目前工業(yè)機器人以可編程控制器（PLC）點位控制為主，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小等優(yōu)點。 2.2 研究現(xiàn)狀 隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機器人智能化水平的提高，機器人的應用范周還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領域中。在工業(yè)生產中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等工業(yè)機器人都已被大量采用。2005年，亞洲地區(qū)電子電氣行業(yè)對工業(yè)機器人的需求僅次于汽車及汽車零部件制造業(yè)，其占所有行業(yè)總需求的比例為31%；而在歐洲地區(qū)橡膠及塑料工業(yè)對工業(yè)機器人的需求則遠遠超過電子電氣行業(yè)而排名第二位；美洲地區(qū)由于汽車及汽車零部件制造業(yè)對工業(yè)機器人的需求遙遙領先，所以金屬制品業(yè)(包括機械)、橡膠及塑料工業(yè)以及電子電氣行業(yè)對工業(yè)機器人的需求比例相當，均在7%左右。另外諸如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)維護維修機器人等各種非制造行業(yè)。此外，在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務等領域機器人的應用也越來越多，如無人偵察機(飛行器)、警備機器人、醫(yī)療機器人、家政服務機器人等均有應用實例。機器人正在為提高人類的生活質量發(fā)揮著重要的作用。 國內工業(yè)機器人市場具有如下特征：（1）國內汽車業(yè)。汽車制造業(yè)屬于技術、資金密集型產業(yè)，也是自動化程度要求高、競爭相當激烈的行業(yè)?？梢哉f，汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國工業(yè)機器人增長的主要原動力之一。（2）沿海經濟發(fā)達地區(qū)。國內相當數(shù)量的企業(yè)技術實力得到很大提高，生產設備更新?lián)Q代，為了更好地適應市場經濟發(fā)展的需要，提高生產率，提高產品質量和企業(yè)競爭力，改善工人勞動條件，企業(yè)對工業(yè)機器人的需求自然不斷增加。（3）外商獨資企業(yè)、中外合資企業(yè)。外商獨資或中外合資企業(yè)自動化程度一般比較高，導致工業(yè)機器人的需求量較大。（4）國內一些現(xiàn)代化水平比較高的企業(yè)。國內一些汽車廠、軍工企業(yè)、船舶行業(yè)等。 機械手的驅動裝置一般有步進電機、伺服電機、液壓和氣動等。其中，電液伺服系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。但是，由于電液伺服系統(tǒng)中普遍存在著壓力—流量非線性、伺服閥零偏、雙向增益不等、死區(qū)等非線性環(huán)節(jié)，還存在由液壓介質粘溫特性引起的伺服閥時變特性、系統(tǒng)質量負載引起的系統(tǒng)慣量的變化等時變特性。所有這些非線性及時變特性都使得電液控制系統(tǒng)難以利用已有的古典控制方法對其控制器進行設計，因而這一問題就成為電液控制領域的研究熱點之一。其中人工神經網絡控制是新興起的研究熱點之一，神經網絡用于控制，具有如下特點：可以處理難以用模型或規(guī)則描述的過程；能同時處理大量的不同類型的信息；并行分布式信息處理模式等。 隨著計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)和柔性制造系統(tǒng)(FMS)的發(fā)展，越來越迫切地要求工業(yè)機器人系統(tǒng)能與現(xiàn)代化工廠的其他自動化系統(tǒng)成為一體，同時隨著生產技術的不斷更新，以及對機器人系統(tǒng)研究的需要等，這一切都要求機器人系統(tǒng)具有較強的開放性。在實際的應用中，人們總希望機器人的控制系統(tǒng)和結構在某種程度上，為了適應市場的變化而調節(jié)生產線和技術需求，可以按照自身和總體系統(tǒng)的功能要求來進行擴展和修改；同時,因為工業(yè)生產的自身特殊性——較高實時性、突出的安全性等特性，因此這些特殊要求必須在機器人的控制結構的軟件體系中得到實現(xiàn)。由此可見，機器人的控制系統(tǒng)在硬件和軟件結構上都必須具有開放性，同時還要保持有較高的實時響應。目前，開放式控制系統(tǒng)的研究已成為自動控制領域的一個熱門研究方向，并且在國內外取得了進展和成功。 2.3 發(fā)展趨勢 機械手雖然能代替人工操作，大大改善工人的勞動條件，將操作工人從繁重、單調的工作環(huán)境中解放出來，提高勞動生產效率。但是相對人的思維邏輯，如果機械手的邏輯時間設計不合理，也會造成生產延誤與浪費。要找到最優(yōu)的生產時間，需要經過生產實踐的驗證和摸索，對生產中影響到生產效率的幾個瓶頸工位進行分析，并制定可行性方案，從而實現(xiàn)曲軸線生產的產能最大化。對曲軸生產線機械手與設備上、下料之間的邏輯時間進行研究和分析，并根據實際生產狀況分析曲軸線上的機械手在機床設備之間上下料和清空緩沖之間的邏輯關系，找出能滿足實際生產的最優(yōu)生產節(jié)拍，避免機械手不必要的等待時間。 由于傳感器技術和控制技術的發(fā)展，機器人的作業(yè)能力不斷提高，其適應范圍也在不斷地擴大。從近幾年世界機器人推出的產品來看，工業(yè)機器人技術正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結構的模塊化和可重構化；控制技術的開放化、PC化和網絡化；伺服驅動技術的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術的實用化；工作環(huán)境設計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網絡化和智能化等方面。 3、設計方案的比較與分析 3.1機械手坐標形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據手臂的動作形態(tài)，按坐標形式大致可以分為1.直角坐標型機械手2.圓柱坐標型機械手3.球坐標（極坐標）型機械手4.關節(jié)型（回轉坐標）型機械手5. 平面關節(jié)型?。 圓柱坐標型是通過一個轉動兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標型比較，在相同的空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。 直角坐標型，其運動部分的三個相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個軸向的移動距離可在坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，結構簡單，但機體所占空間大，靈活性較差。 球坐標型又稱極坐標型，它由兩個轉動和一個直線組成，即一個回轉，一個俯仰和一個伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結構緊湊、工作范圍大的特點，但是結構比較復雜。 關節(jié)型又稱回轉坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個自由度都是回轉關節(jié)，這種機器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉運動和使大臂作俯仰運動，小臂作俯仰擺動，其特點是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強，能抓取靠近機座的工件。 平面關節(jié)型采用兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)；兩個回轉關節(jié)控制前后、左右運動，而移動關節(jié)控制上下運動。這種機器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配。 本次設計中采用回轉坐標型。 3.2機械手驅動方式的選擇 根據動力源的不同，工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式。 液壓驅動：液壓技術比較成熟，具有動力大、力慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等特點。 氣壓驅動：具有速度快、系統(tǒng)結構簡單、維修方便價格低等特點，適用于中小負載的系統(tǒng)中，難于實現(xiàn)伺服控制。 電動驅動：控制性能差，慣性大，不易精確定位，安裝維修方便。 機械式：動作可靠，動作范圍小，結構比較復雜。 因為采用液壓機構驅動機械手具有結構簡單，尺寸緊湊，重量輕，控制方便，驅動力大等優(yōu)點，本次設計中選擇液壓驅動。 3.3控制方式的選擇 控制方式可分為點位控制和連續(xù)控制兩種，目前工業(yè)機器人以點位控制為主。 本次設計中選用可編程控制器（PLC），其具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小等優(yōu)點，但本次將不對PLC控制方面進行設計。 4、結束語 機械手的迅速發(fā)展源于它的積極作用。采用工業(yè)機器人具有如下優(yōu)點:第一，改善勞動條件，逐步提高生產效率；第二，更強與可控的生產能力，加快產品更新?lián)Q代；第三，提高零件的處理能力與產品質量；第四，消除枯燥無味的工作，節(jié)約勞動力；第五，提供更安全的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，減少勞動風險；第六，減少機床損耗；第七，減少工藝過程中的工作量及降低停產時間和庫存；第八，提高企業(yè)競爭力。機械手能代替人工操作，大大改善工人的勞動條件，將操作工人從繁重、單調的工作環(huán)境中解放出來，提高勞動生產效率。 在了解了工業(yè)機械手的現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)的基礎上，本次設計將根據給定的工礦條件和基本要求，從機械原理和機械結構對搬運機械手進行具體分析和設計。將詳細說明該機構的傳動、驅動等主要部件的選型原則和校核步驟，并結合原理圖等對機械手的工作方法和工作原理進行描述，對PLC控制方面將不進行設計。 參考文獻： ［1］郭洪紅.工業(yè)機器人運用技術[M].北京：科學出版社.2008.7 ［2］周壽明，鄧成良.可用于生產線的工業(yè)機器人研究[J].科技創(chuàng)新導報.2008第27期.2008 ［3］羅璟，趙克定，陶湘廳，袁銳波.工業(yè)機器人的控制策略探討[J]，機床與液壓.2008.10 ［4］李文明.曲軸搬運機械手的研究與設計[D].武漢：華中科技大學.2007 ［5］郭洪紅.工業(yè)機械人技術[M].西安：西安電子科技大學.2006.5 ［6］王小玲.工業(yè)機械手的PLC控制[J].機電工程技術.2004年第9期.2004 ［7］王楠．小型工業(yè)機器人的設計現(xiàn)狀與分析．機械與電氣，2008年第3期，2008.3 ［8］朱世強，王宣銀．機器人技術及其應用[J]．杭州：浙江大學出版社，2006 ［9］原魁．工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]．中國科學院自動化研究所，2007 ［10］趙臣，王剛．我國工業(yè)機器人產業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀調研報告[J]．機器人技術與應用，2009.3 ［11］周恩濤，周士昌．液壓驅動機械手的神經網絡控制[J]．中國機械工程第12卷第4期，2001．4 ［12］張新聚，曹慧琴，楊雪．程控通用機器人的設計[J]．液壓與氣動2007年第2期，2007 ［13］陳愛珍．日本工業(yè)機器人的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀[J]．機械工程師2008年第7期，2008 ［14］工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀淺談[J]．自動化博覽2007年4月刊，2007．4 ［15］韋文求，謝存禧，張鐵，莊煥偉．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的開放性與實時性研究[J]．現(xiàn)代制造工程2007年第3期，2007 ［16］Fathi Ghorbel, John Y. Hung, and Mark W. Spong. Adaptive Control of Flexible-Joint Manipulators. IEEE Control Systems Magazine, 1989.10, 9-13 ［17］D. Black. A Modular Approach to Robotic Automation of DOE Applications. ARM Automation,Inc 2000.7