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时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置,并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并与设定的位置进行比较,然后通过控制系统进行调整,从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。,关于分类的问题,目前在国内尚无统一的分类标准,在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点,适用于大批量的自动化生产,如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。:..2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内,其动作程序是可变的,通过调整可在不同场合使用,驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强,适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位,只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统,可以是点位的,也可以实现连续轨迹控制,一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格,不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统,可实现连续轨迹控制,使机械手的通用性扩大,但是电液伺服阀的制造精度高,油液过滤要求严格,成本高。2、气压传动机械手:..是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低。但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,冲击大,而且气源压力较低,抓重一般在30公斤以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手,其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠,动作频率大,但结构较大,动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手,因为不需要中间的转换机构,故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长,维护和使用方便。此类机械手目前还不多,但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制:..它的运动为空间点到点之间的移动,只能控制运动过程中几个点的位置,不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多,则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线,其特点是设定点为无限的,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳和准确的运动,并且使用范围广,但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。国内外发展状况国外机械手领域发展近几年有如下几个趋势:(1)工业机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的万美元降至97年的65万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机械手整机;国外已有模块化装配机械手产品问市。(3)工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。:..(4)机械手中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。(6)当代遥控机械手系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机械手的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机械手走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机械手就是这种系统成功应用的最着名实例。(7)机械手化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机械手从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前己基本掌握了机械手操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机械手关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机械手;其中有130多台套喷漆机械手在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机械手己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品;机械手应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与:..国外比有差距;在应用规模上,我国己安装的国产工业机械手约200台,约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机械手产业,当前我国的机械手生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机械手,6000m水下无缆机械手的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机械手、双臂协调控制机械手、爬壁机械手、管道机械手等机种:在机械手视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机械手、智能装配机械手、机械手化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。课题的提出及主要任务课题的主要任务设计技术要求:1、工件形状:..2、工件重量50g,为塑料件;运动部件总重6Kg3、动作要求单元一:提升机构:零件从振动料斗落料到20mm高的平台上,首先对其进行检测,检测到零件合格,则该将零件从20mm高处提升至40mm高处,便于物料转移机构进行抓取;如果检测到零件不合格,则将零件推入废料箱中,不进行提升动作。:..升起来的零件转运至距离该处440mm处,待装配。该机构的气动系统工作循环为:悬臂伸出→气爪下行→抓取工件→气爪上行→悬臂回缩→旋转合适的角度(小于180o)→悬臂伸出→气爪下行→松开工件(放到指定的工作台上),完成一个自动工作循环。本课题将要完成的主要任务如下:(1)机械手为专用机械手(2)选取机械手的座标型式和自由度(3)设计出机械手的各执行机构,包括:气爪,气缸的设计。(4)气压传动系统的设计本课题将设计出机械手的气压传动系统,包括气动元器件的选取,气动回路的设计,并绘出气动原理图。(6)机械手的控制系统的设计本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制,本课题将要选取PLC型号,根据机械手的工作流程编制出PLC程序,并画出梯形图。:..2章设计方案对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件,这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求,拟定最合理的作业工序和工艺,并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性,定位精度要求,抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等,从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件,简化设计制造过程,兼顾通用性和专用性,,其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩,无旋转,因此,可采用直角座标型式。机械手的手部结构方案设计本课题要抓取的是一圆柱形物体,所以可采用夹持式手部,直接采取气爪即可。:..机械手的手腕结构方案设计被抓取工件是水平放置,手腕无需设有回转运动。因此,手腕设计并无太大要求,只需连接手臂与手部即可。机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的,立柱的横向移动即为:..机械手的驱动方向设计由于气压传动系统的动作迅速,反应灵敏,阻力损失和泄漏较小,成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷。第3章手部结构设计手指的形状和分类夹持式是最常见的一种,其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作,手指可分为一支点回转型,二支点回转型和移动型(或称直进型),其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时,就变成了一支点回转型手指;同理,当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时,就成为移动型。回转型手指开闭角较小,结构简单,制造容易,应用广泛。移动型应用较少,其结构比较复杂庞大,当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置,能适应不同直径的工件。:..(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开,若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指,以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响,要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,当应尽量使结构简单紧凑,自重轻,并使手部的中心在手腕的回转轴线上,以使手腕的扭转力矩最小为佳。:..(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要,通过比较,我们采用的机械手的手部结构是左右两指弧形夹持气爪。(为了牢固抓取,将气爪部位,加装与零件外形较为接近的爪子)第4章手腕结构设计被抓取工件是水平放置,手腕无需设有回转运动。因此,手腕设计并无太大要求,只需连接手臂与手部即可。第5章手臂结构设计按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的,立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。.结构设计手臂的伸缩是直线运动,实现直线往复运动采用的是气压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻,因而在机械手的手臂结构中应用比较多。同时,气压驱动的机械手手臂在进行伸缩(或升降)运动时,为了防止手臂:..绕轴线发生转动,以保证手指的正确方向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式,具体的结构和抓取重量等因素加以确定,同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。在本机械手中,采用的是单导向杆作为导向装置,它可以增加手臂的刚性和导向性。第6章气动系统设计气压传动系统工作原理图图6-1所示为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机(排气压力大于~Pa)通过快换接头进入储气罐,经分水过滤器、调压阀、油雾器,进入各并联气路上的电磁阀,以控制气缸和手部动作。:..图6-1机械手气压传动系统工作原理图各执行机构的调速,凡是能采用排气口节流方式的,都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速,这种方法的特点是结构简单,效果尚好。如手臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀,可加快起动速度,也可调节全程上的速度。升降气缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂的上升速度,由于手臂靠自重下降,其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸侧的排气节流,可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。:..为简化气路,减少电磁阀的数量,各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器,这样可以省去电磁阀和切换节流阀或行程节流阀的气路阻尼元件。电磁阀的通径,是根据各工作气缸的尺寸、行程、速度计算出所需压缩空气流量,与所选用电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。第7章机械手PLC控制系统设计机械手的工艺过程机械手的工作均由电机驱动,它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。分析工艺过程机械手的初始位置停在原点,按下启动后按扭后,机械手将原点→下降→夹紧(T)→上升→右移→下降→放松(T)→上升→左移到原点,动作完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换,是由相应的限位开关来控制的,而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。为了确保安全,机械手右移到位后,必须在右工作台上无