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沈陽化工大學科亞學院畢業(yè)論文文獻綜述 澆注機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計文獻綜述 姓名：趙利民 班級：機制1103 指導教師:趙艷春 摘要 機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術(shù)水平的要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。生產(chǎn)水平及科學技術(shù)的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展。 現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機械手的應(yīng)用很好的解決了這一情況，它不存在重復的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故。 機器人是一種智能機器人的簡化版本,僅僅通過模仿人類行為來幫助完成大量人類日常生產(chǎn)和生活,操作簡單,重復率高的工作。 在早期的工業(yè)機器人是一種教學和再現(xiàn)機器人。它由驅(qū)動器,教箱,框架控制器和機械臂爪等組成。運營商通過教學板輸入機械手的工作內(nèi)容。機器人收到啟動命令后,將從內(nèi)存讀取相關(guān)的程序指令,完成相對的工作內(nèi)容。 中期的工業(yè)機器人已經(jīng)配備外部傳感器設(shè)備(如觸覺傳感器、力傳感器、視覺傳感器和語音識別設(shè)備等等),可以得到關(guān)于工作條件和操作對象的基本信息。機器人根據(jù)信息反饋控制機械臂的運動。 現(xiàn)如今，工業(yè)機器人已經(jīng)發(fā)展成為一個擁有高度適應(yīng)性和各種認知功能的智能機器人。這種機器人控制系統(tǒng)可以自行判斷決定反饋信息,使機器人在未知環(huán)境中提前獨立操作,從事各種復雜的操作。工業(yè)機器人和其他專業(yè)自動化生產(chǎn)設(shè)備的主要區(qū)別是,它的工作內(nèi)容可以通過改變計算機程序完成。當生產(chǎn)任務(wù)改變,工業(yè)機器人編程和輔助器具配置,付出相對較低的成本就可以快速適應(yīng)新工作。 機器人機械手主要由本體和控制系統(tǒng)兩部分組成。本體部分包括機械臂,驅(qū)動器和爪子。爪用于抓取工件(或工具)的部件,根據(jù)抓住對象的形狀,尺寸,重量,材料和需求和結(jié)構(gòu)有很多類型,比如夾類型,類型和吸附型,等等運動旋轉(zhuǎn)手完成各種各樣的機械手臂(擺動),移動或復合運動來實現(xiàn),改變抓取工件的位置和姿態(tài)。機械臂的升降、縮放、旋轉(zhuǎn)、等獨立運動方式,稱為機械手的自由度。為了抓住任何在空間對象的位置和方向,需要一定程度的自由。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多,機械手的靈活性越大,通用性更廣泛,它的結(jié)構(gòu)比較復雜。 機械手通常用作機床或其他機器的附件,如自動機床和自動生產(chǎn)線裝卸或轉(zhuǎn)讓工件等,一般沒有獨立的控制裝置。一些操作需要由人直接操縱裝置,例如原子能部門。 正文 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。 其組成及相互關(guān)系如下圖: 手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉(zhuǎn)動軸，可把動作傳給手腕， 以轉(zhuǎn)動、伸屈手腕，開閉手指。 機械手手部的機構(gòu)系模仿人的手指， 分為無關(guān)節(jié)，固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕?jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作需要。 手臂有無關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分.本課所做的機械手的手臂采用無關(guān)節(jié)臂 手臂的作用是引導手指準確的抓住工件,并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作， 手臂的三個自由度都需要精確的定位。 總括機械手的運動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此，它采用的執(zhí)行機構(gòu)主要是直線油缸、擺動油缸、電液脈沖馬達、伺服油馬達、直流伺服馬達和步進馬達等。軀干是安裝手臂、動力源和執(zhí)行機構(gòu)的支架。 驅(qū)動機構(gòu)主要有四種:液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機械驅(qū)動用的較少。 液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、 馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動;利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、 齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6 個大氣壓，個別的達到 8-10 個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單,成本低。 缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止， 只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。 電氣驅(qū)動采用的不多。現(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu);直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu);有的采用直線電動機。 通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。 電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大; 缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。機械驅(qū)動只用于固定的場合。 一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低;缺點是不易調(diào)整。 機械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動作的要求， 設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應(yīng)用。 機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。 避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。同時，在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 應(yīng)用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上目前幾乎都設(shè)有機械手,以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。 目前國內(nèi)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件， 在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊， 正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 國外機械手在機械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。 使它具有一定的傳感能力， 能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。 目前已經(jīng)取得一定成績。 目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨 勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S， 量新產(chǎn)品達到6軸，負載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機械手、 柔性造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時， 隨著機械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機械手共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。 主要研究內(nèi)容集中在以下幾個方面: ① 工業(yè)機械手的優(yōu)化設(shè)計技術(shù):探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載/自重比，同時機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 ② 機械手控制技術(shù):重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機械手控制器的標準化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC 機網(wǎng)絡(luò)式控制器己成為研究熱點。編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。 ③ 多傳感器系統(tǒng):為進一步提高機械手的智能和適應(yīng)性，多種傳器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器信息融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器信息融合算法。另一個問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。 ④ 機械手的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 ⑤ 機械手遙控及監(jiān)控技術(shù)，半自主和自主技術(shù)，多個機械手和操作者之間的協(xié)調(diào)控制, 通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機械手遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進行遙控等。 ⑥ 虛擬機械手技術(shù)，基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機械手的虛擬遙操作和人機交互。 ⑦ 多智能體調(diào)節(jié)控制技術(shù):這是目前機械手研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法,建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。 ⑧ 軟機械手技術(shù): 主要用于醫(yī)療、護理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機械手設(shè)計未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，軟機械手技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機械手意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全， 機器人對人是友好的。 ⑨ 仿人和仿生技術(shù):這是機械手技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些基礎(chǔ)研究 總結(jié) 就本次設(shè)計而言，我在所掌握的資料的基礎(chǔ)上，增加了對液壓缸設(shè)計過程以及機械手手部和手腕結(jié)構(gòu)的分析和液壓控制系統(tǒng)的原理，這使我加深了對液壓系統(tǒng)和有關(guān)機械手知識的認識和理解，鞏固了以前書本上的理論知識。最重要的是，在這次設(shè)計中，我學會了液壓設(shè)計的步驟以及分析和解決問題的方法。開闊了視野，增加了自己的知識面，同時也鍛煉了自己獨立思考和實際動手的能力。 但是，在這次設(shè)計中也存在著一些不可避免的欠缺和不足。主要是因為缺少設(shè)計經(jīng)驗，對許多的細節(jié)問題考慮不周，希望老師給予批評和指導，我會在以后的學習和設(shè)計工作中不斷的完善和糾正自己，努力的提升自己的專業(yè)素質(zhì)。 參考文獻 [1] 董林福 ,趙艷春.液壓與氣壓傳動[M].沈陽：化學工業(yè)出版社，2006：15-36. 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