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氣動機(jī)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(qiáng)和成本低廉等特點, 國內(nèi)外都在大力研發(fā)氣動機(jī)械手[1]。 目前生產(chǎn)線上的氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手一個運(yùn)動進(jìn)程只能實現(xiàn)一次抓取和翻轉(zhuǎn)的功能，效率太低。本次設(shè)計針對這個缺點，設(shè)計出了一個運(yùn)動進(jìn)程能實現(xiàn)兩次抓取和翻轉(zhuǎn)，提高了工作效率，加快生產(chǎn)效率。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.2.1 國外氣動機(jī)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(jì)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(dá)的歐美、日本等國家, 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)部開發(fā)研制的電子氣動機(jī)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(jìn)入的危險區(qū)域、污染或放射性的環(huán)境中進(jìn)行地形偵察。六腳電子氣動機(jī)器人的上方安裝了一個照相機(jī)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(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能在六個不同方向控制機(jī)器人的運(yùn)動，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三個腳與地面接觸，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(dá)控制腳伸展、退回，另一個擺動馬達(dá)則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)械驅(qū)動部件在運(yùn)動時保持平穩(wěn)，即在無級調(diào)速狀態(tài)下工作。控制氣缸的閥內(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，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(jī)器人的運(yùn)動，如果機(jī)器人的傳感器在它的有效范圍內(nèi)檢測到障礙物，機(jī)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(jī)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(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)動方式，使機(jī)器人產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)步進(jìn)運(yùn)動。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、檢驗和安裝工作。機(jī)器人用遙控方式進(jìn)行半自動操作，操作者只需輸入運(yùn)行的目標(biāo)距離，然后計算機(jī)便能自動計算出必要的單步運(yùn)行。操作者可對機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控[7]。 國外的設(shè)計人員對于機(jī)械手的設(shè)計理念已經(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@個變量包括幾何、形狀、重量、表面質(zhì)量和溫度[5]，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(biāo)準(zhǔn)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(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、移動和放置都要考慮。在合適的地方設(shè)計核實的機(jī)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(jī)械手的專家系統(tǒng)。 1.2.2 國內(nèi)氣動機(jī)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(dá)24.2，高于中國機(jī)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(jìn)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]。 2 發(fā)展趨勢 2.1 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(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, 如果一個機(jī)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(jī)誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)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(jī)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。 2.2 模塊化 有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的氣動機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的氣動機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動機(jī)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(jī)械手運(yùn)動自如。由于模塊化氣動機(jī)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(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機(jī)械手的一個重要特點。模塊化氣動機(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, 是氣動機(jī)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(jī)械手和氣動機(jī)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(jī)械手中的移動模塊。 2.3 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(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]。 2.4 機(jī)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(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(jī)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(jī)械手、氣動控制中變得更加得心應(yīng)手[17-22]。 3 研究的基本內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計中主要完成的內(nèi)容包括： 3.1 氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 對氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的抓取系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)和連接系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，包括抓取部件、翻轉(zhuǎn)部件及連接部件和氣動執(zhí)行部件。根據(jù)氣動執(zhí)行部件來驅(qū)動抓取部件中的齒條運(yùn)動，帶動齒輪、齒條一起運(yùn)動，最終造成兩個齒條的相互運(yùn)動，實現(xiàn)外部的抓取功能。然后通過連接部件實現(xiàn)兩根軸在同一條線上的不同方向轉(zhuǎn)動，再通過翻轉(zhuǎn)部件實現(xiàn)兩個抓取物件同時翻轉(zhuǎn)的功能。 下面是可能方案一： 下面是可能方案2： 3.2 氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的三維建模、裝配 氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手各部分的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用Pro/Engineer軟件建立三維模型，進(jìn)行裝配分析，進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計。分別對各個零件進(jìn)行建模，再裝配分析是否出現(xiàn)尺寸大小不配套還有運(yùn)動機(jī)構(gòu)卡死等問題，如果有的話必須調(diào)整方案或數(shù)據(jù)。最后通過改進(jìn)實現(xiàn)最后的裝配。裝配完后進(jìn)行投影二維圖紙并標(biāo)注，某些重要的零部件要進(jìn)行剖視處理。最后得到較好的裝配圖、二維圖紙和三維圖紙。 3.3 氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)仿真 通過建立的三維模型，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析，分抓取系統(tǒng)、氣動驅(qū)動和連接系統(tǒng)三個階段進(jìn)行動力學(xué)分析。運(yùn)動仿真時要看能不能運(yùn)動的起來，確保氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)和氣動的功能。 4 研究思路方案、可行性分析及預(yù)期成果 本設(shè)計論文擬采用理論分析與三維建模與仿真實驗的方法，在前人的基礎(chǔ)上，通過三維Pro/E環(huán)境完成氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的設(shè)計仿真，并對其進(jìn)行初步的運(yùn)動學(xué)分析。 4.1 研究思路方案 具體思路方案包含以下三個方面： 4.1.1 根據(jù)抓取物件大小與形狀對氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計 包括整體移動系統(tǒng)、氣動驅(qū)動系統(tǒng)、抓取系統(tǒng)、連接及可翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，基于以上理論可進(jìn)行對氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)原理分析。 4.1.2 氣動機(jī)械手Pro/ E三維建模、裝配 目前,隨著計算機(jī)輔助技術(shù)的不斷發(fā)展,三維造型軟件功能不斷完善,傳統(tǒng)的二維設(shè)計正逐漸被三維實體設(shè)計所代替。 Pro /Engineer是美國PTC公司于1988年開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng),是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機(jī)械自動化的三維實體模型(3DS)設(shè)計軟件,它不僅具有CAD 的強(qiáng)大功能,同時還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計、機(jī)械設(shè)計、模具設(shè)計、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析、加工制造及關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理等領(lǐng)域。而且能同時支持針對同一產(chǎn)品進(jìn)行同步設(shè)計,具有單一數(shù)據(jù)庫、全相關(guān)性、以特征為基礎(chǔ)的參數(shù)式模型和尺寸參數(shù)化等優(yōu)點。采用三維CAD 設(shè)計的產(chǎn)品,是和實物完全相同的數(shù)字產(chǎn)品,零部件之間的干涉一目了然,Pro/Engineer 軟件能計算零部件之間的干涉和體積,把錯誤消滅在設(shè)計階段[9]。 運(yùn)用Pro/ E三維設(shè)計平臺,通過對特征工具的操作,避免高級語言的復(fù)雜編程,所開發(fā)設(shè)計出來的氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手,便于研究人員通過對界面特征工具的操作,生成氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手實體模型，甚至輸出所需要的工程圖及相關(guān)分析數(shù)據(jù)。這樣既可輔助研究人員完成其設(shè)計構(gòu)思、減輕勞動強(qiáng)度、提高效率和精度、改善視覺的立體效果,并可有效地縮短研制周期,提高設(shè)計制造的成功率;也為后續(xù)的3D運(yùn)動學(xué)仿真分析奠定了基礎(chǔ)。 4.1.3 氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手Pro/ E運(yùn)動學(xué)仿真分析 運(yùn)動仿真是機(jī)構(gòu)設(shè)計的一個重要內(nèi)容, 在Pro /E的Mechanism模塊中,通過對機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動副、驅(qū)動器使其運(yùn)動起來,來實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真。通過仿真技術(shù)可以在進(jìn)行整體設(shè)計和零件設(shè)計后, 對各種零件進(jìn)行裝配后模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動, 從而檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動是否達(dá)到設(shè)計的要求, 可以檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動中各種運(yùn)動構(gòu)件之間是否發(fā)生干涉，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計與運(yùn)動軌跡校核。同時, 可直接分析各運(yùn)動副與構(gòu)件在某一時刻的位置、運(yùn)動量以及各運(yùn)動副之間的相互運(yùn)動關(guān)系及關(guān)鍵部件的受力情況。在Pro /E環(huán)境下進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真分析,不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模、也不需要復(fù)雜的計算機(jī)語言編程,而是以實體模型為基礎(chǔ),集設(shè)計與運(yùn)動分析于一體,實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、分析的參數(shù)化和全相關(guān),反映機(jī)構(gòu)的真實運(yùn)動情況。 本次畢業(yè)設(shè)計以PTC公司的三維建模軟件Pro/E及其中的運(yùn)動學(xué)仿真功能建立氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的運(yùn)動仿真模型。首先在Pro/E中建立氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的三維CAD模型，然后完成氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的裝配，設(shè)置機(jī)構(gòu)運(yùn)動的初始位置，添加驅(qū)動和約束，進(jìn)行運(yùn)動仿真。在整個過程中，需要對建立模型等前續(xù)工作進(jìn)行不斷的修改和完善，才能生成所要求的氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的仿真模型。 4.2 可行性分析 抓取和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究是機(jī)械手方面研究的基礎(chǔ)。因此，對具有理想結(jié)構(gòu)的抓取和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)、控制理論、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意義的。因此,要進(jìn)行抓取和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，從幾何、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)及結(jié)構(gòu)關(guān)系等不同角度對機(jī)械手進(jìn)行研究, 使機(jī)械手能比較完美的在抓取和翻轉(zhuǎn)物體。在前人研究工作基礎(chǔ)上，本設(shè)計論文進(jìn)行氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手設(shè)計與仿真，在基本原理上是可行的。 本設(shè)計的工作主要涉及力學(xué)、機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計等方面的知識，以及Pro/ E設(shè)計工具，本人已學(xué)習(xí)了這些相關(guān)課程，并取得了較好的成績，掌握了本設(shè)計所需的基本知識。 指導(dǎo)老師在氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的相關(guān)研究方面具有很多成功的經(jīng)驗，本設(shè)計的研究方法思路經(jīng)過深思熟慮，切實可行，能夠確保畢業(yè)設(shè)計的順利完成并取得預(yù)期的研究成果。 4.3 預(yù)期研究成果 設(shè)計出氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手，完成三維建模和二維圖紙，并對其中一些零部件進(jìn)行剖視建模和仿真。通過仿真分析，保證設(shè)計能較好的滿足設(shè)計要求。 5 研究工作計劃 表1 研究工作計劃 起止時間 內(nèi)容 2012.11.15~2012.12.10 調(diào)研、信息匯總，文獻(xiàn)查閱分析 2012.12.10~2012.12.31 外文翻譯、文獻(xiàn)綜述、開題報告，并熟悉理論力學(xué)、機(jī)械原理等相關(guān)知識 2013.01.01~2013.01.10 提交開題報告、文獻(xiàn)綜述及外文翻譯 2013.01.11~2013.01.20 開題答辯 2013.01.21~2013.03.01 氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的整體方案設(shè)計 2013.03.02~2013.03.28 氣動翻轉(zhuǎn)機(jī)械手抓取和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及零部件設(shè)計 2013.03.29~2013.04.11 三維CAD建模、裝配、三維運(yùn)動學(xué)分析仿真 2013.04.12~2013.04.24 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計及畢業(yè)論文撰寫 2013.04.25~2013.05.02 完成并提交畢業(yè)論文 2013.05.03~2013.05.10 整理材料準(zhǔn)備答辯 參考文獻(xiàn) [1]陶湘廳，袁銳波，羅璟.氣動機(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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