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浙江理工大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 班 級 09機械設(shè)計制造及其自動化（4）班 姓 名 楊永賀 課題名稱 氣動翻轉(zhuǎn)機械手部件設(shè)計 目 錄 1 選題的背景與意義 1.1背景與意義 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2 發(fā)展趨勢 2.1重復高精度 2.2模塊化 2.3無給油化 3 研究的基本內(nèi)容 3.1氣動翻轉(zhuǎn)機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.2氣動翻轉(zhuǎn)機械手的三維建模、裝配 4 研究方案、可行性分析及預期研究成果 4.1研究思路方案 4.2可行性分析 5 研究工作計劃 參考文獻 成績： 答 辯 意 見 答辯組長簽名： 年 月 日 系 主 任 審 核 意 見 簽名： 年 月 日 氣動翻轉(zhuǎn)機械手設(shè)計的設(shè)計與分析 楊永賀 (機械設(shè)計制造及其自動化09(4)班 B09370126) 1 選題的背景與意義 1.1 背景與意義 氣動機械手的驅(qū)動力為氣壓，機械手并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，它主要是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。所以氣動機械手能夠降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率。但它的缺點也很明顯，因為氣體具有很大的可壓縮性, 要做到氣動機械手精確定位難度很大, 尤其是難以實現(xiàn)任意位置的多點定位；而且可壓縮性也帶來不能承受過重的負載的限制。傳統(tǒng)氣動系統(tǒng)只能靠機械定位置的調(diào)定位置而實現(xiàn)可靠定位, 并且其運動速度只能靠單向節(jié)流閥單一調(diào)定, 經(jīng)常無法滿足許多設(shè)備的自動控制要求[1-2]。 近20年來，氣動技術(shù)的應用領(lǐng)域迅速拓寬， 尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合, 使整個系統(tǒng)自動化程度更高, 控制方式更靈活, 性能更加可靠; 氣動機械手、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、抗污染能力強和成本低廉等特點, 國內(nèi)外都在大力研發(fā)氣動機械手[1]。 目前生產(chǎn)線上的氣動翻轉(zhuǎn)機械手一個運動進程只能實現(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)計出了一個運動進程能實現(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)達的歐美、日本等國家, 該比例已達到6：4, 甚至接近5：5。 90年代初，有布魯塞爾皇家軍事學院Y.Bando教授領(lǐng)導的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的電子氣動機器人--"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。它能在人不易進入的危險區(qū)域、污染或放射性的環(huán)境中進行地形偵察。六腳電子氣動機器人的上方安裝了一個照相機來探視障礙物，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器人的運動，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三個腳與地面接觸，機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，一個擺動馬達控制腳伸展、退回，另一個擺動馬達則負責圍繞腳的軸心作旋轉(zhuǎn)運動。每個氣缸都裝備了調(diào)節(jié)速度用的單向節(jié)流閥，使機械驅(qū)動部件在運動時保持平穩(wěn)，即在無級調(diào)速狀態(tài)下工作?？刂茪飧椎拈y內(nèi)置在機器人體內(nèi)，由FPC101-B可編程控制器控制。當接通電源時，氣動閥被切換到工作狀態(tài)位置，當關(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器人的運動，如果機器人的傳感器在它的有效范圍內(nèi)檢測到障礙物，機器人也會自動停止[13]。 由漢諾威大學材料科學研究院設(shè)計的氣動攀墻機器人，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，類似腳踏似的運動方式，使機器人產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)步進運動。這種攀墻式機器人可被用于工具搬運或執(zhí)行多種操作，如在核能發(fā)電站、高層建筑物氣動機械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究或船舶上進行清掃、檢驗和安裝工作。機器人用遙控方式進行半自動操作，操作者只需輸入運行的目標距離，然后計算機便能自動計算出必要的單步運行。操作者可對機器人進行監(jiān)控[7]。 國外的設(shè)計人員對于機械手的設(shè)計理念已經(jīng)非常成熟。Wright等人分析比較了機械手與人手抓取系統(tǒng)，并把機械手分成與機器人手臂和控制系統(tǒng)相兼容、安全抓取和握持對象、準確的完成復雜性任務三種類別。許多工廠的機械手的例子和機械手設(shè)計指導方針也被描述進去了。Pham等人總結(jié)了機械手在不同應用環(huán)境下設(shè)計方案應該如何選擇。在他們的研究中，影響機械手如何選擇的變量如下：（a）成分，（b）任務,(c)環(huán)境，（d）機械臂和控制條件?！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準又把這個變量分成了其他家族。對于“任務”這個變量，除了機械手的類型、不同組成部分的數(shù)量、準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，pham等人開發(fā)了一個用于選擇機械手的專家系統(tǒng)。 1.2.2 國內(nèi)氣動機械手情況 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24.2，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率10的水平。雖然市場和應用發(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 重復高精度 精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度, 它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復精度是指如果動作重復多次, 機械手到達同樣位置的精確程度重復精度比精度更重要, 如果一個機器人定位不夠精確, 通常會顯示一個固定的誤差, 這個誤差是可以預測的, 因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復運行機器人來測定[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。氣動機械手的重復精度將越來越高, 它的應用領(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向驅(qū)動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動機械手比組合 導向驅(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向系統(tǒng)裝置, 使機械手運動自如。由于模塊化氣動機械手的驅(qū)動部件采用了特殊設(shè)計的 滾珠軸承, 使它具有高剛性、高強度及精確的導向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應用范圍, 是氣動機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械手和氣動機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, 特別對機械手中的移動模塊。 2.3 無給油化 為了適應食品、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)合的自適應控制氣動元件, 使氣動技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復合集成系統(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 在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手[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)機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 對氣動翻轉(zhuǎn)機械手的抓取系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)和連接系統(tǒng)進行設(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動，帶動齒輪、齒條一起運動，最終造成兩個齒條的相互運動，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)機械手的三維建模、裝配 氣動翻轉(zhuǎn)機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，進行裝配分析，進一步改進結(jié)構(gòu)設(shè)計。分別對各個零件進行建模，再裝配分析是否出現(xiàn)尺寸大小不配套還有運動機構(gòu)卡死等問題，如果有的話必須調(diào)整方案或數(shù)據(jù)。最后通過改進實現(xiàn)最后的裝配。裝配完后進行投影二維圖紙并標注，某些重要的零部件要進行剖視處理。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)機械手的運動學仿真 通過建立的三維模型，進行運動學仿真分析，分抓取系統(tǒng)、氣動驅(qū)動和連接系統(tǒng)三個階段進行動力學分析。運動仿真時要看能不能運動的起來，確保氣動翻轉(zhuǎn)機械手實現(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)機械手的設(shè)計仿真，并對其進行初步的運動學分析。 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)機械手進行結(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)，基于以上理論可進行對氣動翻轉(zhuǎn)機械手機構(gòu)原理分析。 4.1.2 氣動機械手Pro/ E三維建模、裝配 目前,隨著計算機輔助技術(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 的強大功能,同時還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應用于工業(yè)設(shè)計、機械設(shè)計、模具設(shè)計、機構(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,避免高級語言的復雜編程,所開發(fā)設(shè)計出來的氣動翻轉(zhuǎn)機械手,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運動學仿真分析奠定了基礎(chǔ)。 4.1.3 氣動翻轉(zhuǎn)機械手Pro/ E運動學仿真分析 運動仿真是機構(gòu)設(shè)計的一個重要內(nèi)容, 在Pro /E的Mechanism模塊中,通過對機構(gòu)添加運動副、驅(qū)動器使其運動起來,來實現(xiàn)機構(gòu)的運動仿真。通過仿真技術(shù)可以在進行整體設(shè)計和零件設(shè)計后, 對各種零件進行裝配后模擬機構(gòu)的運動, 從而檢查機構(gòu)的運動是否達到設(shè)計的要求, 可以檢查機構(gòu)運動中各種運動構(gòu)件之間是否發(fā)生干涉，實現(xiàn)機構(gòu)的設(shè)計與運動軌跡校核。同時, 可直接分析各運動副與構(gòu)件在某一時刻的位置、運動量以及各運動副之間的相互運動關(guān)系及關(guān)鍵部件的受力情況。在Pro /E環(huán)境下進行機構(gòu)的運動仿真分析,不需要復雜的數(shù)學建模、也不需要復雜的計算機語言編程,而是以實體模型為基礎(chǔ),集設(shè)計與運動分析于一體,實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、分析的參數(shù)化和全相關(guān),反映機構(gòu)的真實運動情況。 本次畢業(yè)設(shè)計以PTC公司的三維建模軟件Pro/E及其中的運動學仿真功能建立氣動翻轉(zhuǎn)機械手的運動仿真模型。首先在Pro/E中建立氣動翻轉(zhuǎn)機械手的三維CAD模型，然后完成氣動翻轉(zhuǎn)機械手的裝配，設(shè)置機構(gòu)運動的初始位置，添加驅(qū)動和約束，進行運動仿真。在整個過程中，需要對建立模型等前續(xù)工作進行不斷的修改和完善，才能生成所要求的氣動翻轉(zhuǎn)機械手的仿真模型。 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)進行運動學和動力學、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,要進行抓取和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，從幾何、運動學、動力學及結(jié)構(gòu)關(guān)系等不同角度對機械手進行研究, 使機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)計論文進行氣動翻轉(zhuǎn)機械手設(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、機械原理和機械設(shè)計等方面的知識，以及Pro/ E設(shè)計工具，本人已學習了這些相關(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。 指導老師在氣動翻轉(zhuǎn)機械手的相關(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期的研究成果。 4.3 預期研究成果 設(shè)計出氣動翻轉(zhuǎn)機械手，完成三維建模和二維圖紙，并對其中一些零部件進行剖視建模和仿真。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，文獻查閱分析 2012.12.10~2012.12.31 外文翻譯、文獻綜述、開題報告，并熟悉理論力學、機械原理等相關(guān)知識 2013.01.01~2013.01.10 提交開題報告、文獻綜述及外文翻譯 2013.01.11~2013.01.20 開題答辯 2013.01.21~2013.03.01 氣動翻轉(zhuǎn)機械手的整體方案設(shè)計 2013.03.02~2013.03.28 氣動翻轉(zhuǎn)機械手抓取和翻轉(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、三維運動學分析仿真 2013.04.12~2013.04.24 結(jié)構(gòu)改進設(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 整理材料準備答辯 參考文獻 [1]陶湘廳，袁銳波，羅璟.氣動機械手的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 機床與液壓, 2007, 35(8):226-228. 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