PAGEI畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：三自由度圓柱坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)院（系）：機(jī)電系專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師單位：姓名：職稱：年5月1日摘要機(jī)械手是在在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展的一種新型裝置,使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置。機(jī)械手能代替人類、重復(fù)枯燥完成危險(xiǎn)工作，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力,減輕人勞動(dòng)強(qiáng)度。該裝置涵蓋了位置控制技術(shù)可編程控制技檢測(cè)技術(shù)等本課題擬開(kāi)發(fā)的物料氣動(dòng)機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù),可代替人工在高溫危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行作業(yè)。關(guān)鍵詞：機(jī)械手,氣動(dòng)機(jī)械手，抓取，提升 PAGEIVAbstractThemanipulatorisanewdevicedevelopedinthemechanization,automationoftheproductionprocess,agraspingandmovingtheworkpiecefunctionautomationdeviceuse.Manipulatorcanbeboringtododangerousworkinsteadofhumans,,improvelaborproductivity,reducelaborintensity.Thedeviceincludespositioncontroltechnologyandprogrammablecontroltechnology,detectiontechnology.Thispaperintendstodevelopmaterialpneumaticmanipulatorcangraspupinspaceobjects,flexiblemovement,anychangestotherelevantparametersaccordingtothechangingandthemovementprocessrequirements,itmayreplacehumanworkinhighriskareaKeywords:manipulator,pneumaticmanipulator,grab,lifting目錄摘要 IIAbstract III目錄 IV第1章緒論 11.1課題背景及目的 11.2機(jī)械手的定義 11.3氣動(dòng)機(jī)械手概念 11.4氣動(dòng)機(jī)械手的組成 21.5氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用 21.6課題研究的背景和意義 21.7國(guó)內(nèi)外氣動(dòng)機(jī)械手的研究 31.8氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用 3第2章氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求與方案 52.1氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求 52.2基本設(shè)計(jì)思路 52.2.1系統(tǒng)分析 52.2.2總體設(shè)計(jì)框圖 52.2.3氣動(dòng)機(jī)械手的基本參數(shù) 62.3氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 62.4機(jī)械手材料的選擇 72.5機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 72.6氣動(dòng)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇 82.7動(dòng)作要求分析 82.8氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型 9第3章系統(tǒng)各主要組成部分設(shè)計(jì) 103.1夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 103.1.1夾持器種類 103.1.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 113.1.3夾持器校核 123.2升降方向設(shè)計(jì)計(jì)算 123.2.1初步確系統(tǒng)壓力 123.2.2升降氣缸計(jì)算 133.2.3活塞桿的計(jì)算校核 153.2.4氣缸工作行程的確定 163.2.5活塞的設(shè)計(jì) 173.2.6導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算 173.2.7端蓋和缸底的計(jì)算校核 183.2.7缸體長(zhǎng)度的確定 193.2.8緩沖裝置的設(shè)計(jì) 193.2.9氣缸的選型 193.3水平方向設(shè)計(jì)計(jì)算 213.3.1水平方向計(jì)算 213.3.2氣缸的選型 213.4底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 233.4.1回轉(zhuǎn)部位負(fù)載計(jì)算校核 233.4.2馬達(dá)的選型 253.5機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核 263.5.1馬達(dá)的選擇 263.5.2螺柱的設(shè)計(jì)與校核 273.5.3機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu) 283.6氣動(dòng)機(jī)械手的定位及平穩(wěn)性確定 293.6.1常用的定位方式 293.6.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 293.6.3氣動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置 30第4章氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 324.1手部抓取缸 324.2腕部擺動(dòng)氣動(dòng)回路 334.3小臂伸縮缸氣動(dòng)回路 344.4總體系統(tǒng)圖 35第5章上位機(jī)控制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 375.1系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì) 385.2機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件部分 405.3機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件部分 41總結(jié) 42參考文獻(xiàn) 43致謝 44三自由度圓柱坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)第1章緒論1.1課題背景及目的畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)在校學(xué)習(xí)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，是對(duì)四年大學(xué)學(xué)習(xí)的繼續(xù)深化和檢驗(yàn)，即有實(shí)踐性又有綜合性，是其他單一課程所不能替代的，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)更能提高綜合訓(xùn)練能力，為即將走向工作崗位，提高實(shí)際工作能力起到十分重要的作用。以達(dá)到如下目的：（1）綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基本知識(shí)和基本技能，提高分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。（2）接受工程師必須的綜合訓(xùn)練，提高實(shí)際工作能力。如調(diào)查研究、查閱文獻(xiàn)和收集資料并進(jìn)行分析的能力；制訂設(shè)計(jì)或試驗(yàn)方案的能力；設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖能力；總結(jié)提高撰寫(xiě)論文的能力。（3）檢驗(yàn)綜合素質(zhì)與實(shí)踐能力。1.2機(jī)械手的定義目前，工業(yè)機(jī)械手的定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)械手協(xié)會(huì)給工業(yè)機(jī)械手下的定義：工業(yè)機(jī)械手是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過(guò)改變動(dòng)作程序，來(lái)完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。1.3氣動(dòng)機(jī)械手概念氣動(dòng)機(jī)械手（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。氣動(dòng)機(jī)械手是近50年才迅速發(fā)展起來(lái)的一種有代表性的、機(jī)械和電子控制系統(tǒng)組成的、自動(dòng)化程度高的生產(chǎn)工具。在生產(chǎn)制造業(yè)中，工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。它自動(dòng)化程度高，對(duì)改善勞動(dòng)條件，確保產(chǎn)品質(zhì)量和提升工作效率，起到非常重要的作用。可以說(shuō)他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術(shù)革命。1.4氣動(dòng)機(jī)械手的組成執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手部、腕部、臂部、機(jī)身機(jī)座等，其中最主要是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。氣動(dòng)機(jī)械手主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分組成。手部是夾緊（或吸附、托持）與松開(kāi)工件或工具的部件，由手指（或吸盤(pán)），驅(qū)動(dòng)元件和傳動(dòng)元件等組成。時(shí)間、速度和加速度等參數(shù)。氣動(dòng)機(jī)械手與主機(jī)及其它有關(guān)裝置之間的聯(lián)系[3]。1.5氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用按氣動(dòng)機(jī)械手布局形式分可分為：架空式氣動(dòng)機(jī)械手、附機(jī)式氣動(dòng)機(jī)械手、落地式氣動(dòng)機(jī)械手三種。此外，還有安裝在自動(dòng)線料道上或料道旁，實(shí)現(xiàn)工件上、下料、傳遞轉(zhuǎn)位、轉(zhuǎn)向等用途的氣動(dòng)機(jī)械手，他們具有運(yùn)動(dòng)單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位置靈活及精度一般要求較低的特點(diǎn)。氣動(dòng)機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置[3]。1.6課題研究的背景和意義由于現(xiàn)代科技的發(fā)展，無(wú)論是在工業(yè)生產(chǎn)中還是人類日常生活，氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)都得到廣泛的應(yīng)用。研究智能類人氣動(dòng)機(jī)械手是近年科學(xué)家一致致力于的方向。類人氣動(dòng)機(jī)械手是以人類模型的，它能仿照人類各種動(dòng)作和具有人類的外部特征。未來(lái)氣動(dòng)機(jī)械手管家將不是夢(mèng)。按氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的不同，氣動(dòng)機(jī)械手又可以分很多種。輪式移動(dòng)氣動(dòng)機(jī)械手、履帶氣動(dòng)機(jī)械手、機(jī)器手、步行氣動(dòng)機(jī)械手等等。值得一提的是步行氣動(dòng)機(jī)械手，他是近年來(lái)類人機(jī)器研究的重要成果。它的移動(dòng)方式跟大多數(shù)動(dòng)物一樣甚至可以跟人類一下。這是一種很復(fù)雜的自動(dòng)化程度很高的運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的輪式和履帶氣動(dòng)機(jī)械手，他對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。能在很小的空間作業(yè)，在不平的道路上如履平地，上下樓梯等等。將來(lái)不久，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)得到非常廣泛應(yīng)用。在氣動(dòng)機(jī)械手研究、制作中，運(yùn)用電腦對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的氣動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行仿真是一項(xiàng)非常重要的過(guò)程。氣動(dòng)機(jī)械手仿真包含零件建模，零件裝配，最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)仿真，設(shè)計(jì)員可以很直觀的觀察到各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況，知道有沒(méi)有出現(xiàn)干涉；可以清楚知道各個(gè)部件的受力情況，得出各種模擬數(shù)據(jù)。這種方法大大節(jié)約了研制時(shí)間和成本。1.7國(guó)內(nèi)外氣動(dòng)機(jī)械手的研究工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手在日本應(yīng)用的歷史非常悠久。在七十年代時(shí)工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手首先得到應(yīng)用，然后經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，在八十年代的時(shí)候工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)得到普及。相應(yīng)的他們工業(yè)年產(chǎn)值也得到了快速提高。1980年達(dá)到一千億日元，到1990年提高到六千億日元。在2004年時(shí)已達(dá)到了一萬(wàn)八千五百億日元?？梢?jiàn)工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手在提高生產(chǎn)效益方面的重要性。在國(guó)際方面，各個(gè)國(guó)家已經(jīng)意識(shí)到工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手的重要性。所以工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手的訂單急速上升。在2003年的訂單量相對(duì)于2002年增長(zhǎng)了百分之10。此后工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手的需求量仍然不斷上升。從2001年到2006年全球訂單增長(zhǎng)多達(dá)90000多臺(tái)。平均年增長(zhǎng)為7%。國(guó)際氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展方向:氣動(dòng)機(jī)械手涉及到非常多學(xué)科的知識(shí)和領(lǐng)域。包括：計(jì)算機(jī)、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)、控制、機(jī)械等等。氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展離不開(kāi)上述學(xué)科的發(fā)展。正是由于各個(gè)學(xué)科的相互影響和綜合集成，才能制造出自動(dòng)化程度高的及其人。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，氣動(dòng)機(jī)械手在應(yīng)用得范圍越來(lái)越廣泛；技術(shù)也越來(lái)越得到調(diào)高，功能更加強(qiáng)大?，F(xiàn)在很對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的研究都往小型化發(fā)展。氣動(dòng)機(jī)械手將會(huì)更多的進(jìn)入到人們的日常生活中去?？傮w的發(fā)展趨勢(shì)是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、更加智能化。工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手的廣泛應(yīng)用，對(duì)提升產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)能、保障人員安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，降低勞動(dòng)的強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，起著一個(gè)十分重要的作用。工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手的廣泛應(yīng)用體現(xiàn)以人為本的原則，它的出現(xiàn)讓人們的生活更加便利和美好。1.8氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用氣動(dòng)機(jī)械手產(chǎn)業(yè)是在計(jì)算機(jī)、繼汽車之后出現(xiàn)的又一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代，氣動(dòng)機(jī)械手產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景發(fā)展很好。從二十世紀(jì)起，世界氣動(dòng)機(jī)械手產(chǎn)業(yè)一直穩(wěn)步增長(zhǎng)。到了二十世紀(jì)九十年代，氣動(dòng)機(jī)械手產(chǎn)品發(fā)展快速增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)率平均在百分之十上下。2004年創(chuàng)記錄達(dá)到百分之二十。在亞洲氣動(dòng)機(jī)械手需求量更多，年增長(zhǎng)率高達(dá)百分之四十三。經(jīng)歷40多年的發(fā)展，工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手應(yīng)用到很多領(lǐng)域中去了。氣動(dòng)機(jī)械手在制造業(yè)中應(yīng)用的最廣泛。如在焊接、熱處理、表面涂覆、機(jī)械加工、裝配、檢測(cè)和倉(cāng)庫(kù)堆垛毛、坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)等等作業(yè)中，氣動(dòng)機(jī)械手替代了人工作業(yè)，并使得生產(chǎn)效益大大提高。

第2章氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求與方案2.1氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求1、根據(jù)要求設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)整套圖紙；2、機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)伸縮手300mm和升降功能500mm；3、機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向90度和定位功能；4、機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)抓緊和松開(kāi)功能。2.2基本設(shè)計(jì)思路2.2.1系統(tǒng)分析機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的一種有力工具。要在一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，需要對(duì)各種機(jī)械化、自動(dòng)化裝置進(jìn)行綜合的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，從而判斷機(jī)械手是否合適。所以要完成機(jī)械手的設(shè)計(jì)，一般要先做如下工作：根據(jù)機(jī)械手的使用場(chǎng)合，明確機(jī)械手的目的和任務(wù)。分析機(jī)械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境。認(rèn)真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)械手的基本功能和方案，如機(jī)械手的自由度數(shù)目、動(dòng)作速度、定位精度、抓取重量等。進(jìn)一步根據(jù)抓取、氣動(dòng)物體的質(zhì)量、形狀、尺寸及生產(chǎn)批量等情況，來(lái)確定機(jī)械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。對(duì)此，我進(jìn)行如下分析：本設(shè)計(jì)課題為物料氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)，是通過(guò)機(jī)械手進(jìn)行兩地物料運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械手。而機(jī)械手的使用場(chǎng)合，非常廣泛，要涉及到物料的狀態(tài)，運(yùn)作流水線的環(huán)境等等因素，相較于我所掌握的理論知識(shí)和能力，我選擇非批量生產(chǎn)的小型物體加工流水線上的物料氣動(dòng)機(jī)械手。由于我所選擇的機(jī)械手是非批量生產(chǎn)的小型物體加工流水線上的物料氣動(dòng)機(jī)械手，所以，機(jī)械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境一定是工廠，要求精度高，容錯(cuò)率低，速度快。2.2.2總體設(shè)計(jì)框圖圖2總體設(shè)計(jì)框圖如圖2為總設(shè)計(jì)框圖，說(shuō)明如下：控制系統(tǒng)：任務(wù)是根據(jù)機(jī)械手的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，控制機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為CPU的選擇，CPU程序的編寫(xiě)調(diào)試等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作的驅(qū)動(dòng)裝置。機(jī)械系統(tǒng)：包括機(jī)身、機(jī)械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標(biāo)形式，并計(jì)算得出具體結(jié)構(gòu)。感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。2.2.3氣動(dòng)機(jī)械手的基本參數(shù)1.機(jī)械手的最大氣動(dòng)物料的重量是它的主參數(shù)。本論文物料氣動(dòng)機(jī)械手所氣動(dòng)的物料質(zhì)量可設(shè)定為1噸。2.運(yùn)動(dòng)速度直接影響機(jī)械手的動(dòng)作快慢和機(jī)械手動(dòng)作的穩(wěn)定性，所以運(yùn)動(dòng)速度也是是物料物料氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)主要的基本參數(shù)。設(shè)計(jì)速度過(guò)低的話，會(huì)無(wú)法滿足機(jī)械手的動(dòng)作功能，限制機(jī)械手的使用范圍。設(shè)計(jì)的速度過(guò)高又會(huì)加重機(jī)械手的負(fù)載并影響機(jī)械手動(dòng)作的平穩(wěn)性。3.伸縮行程和工作半徑是決定機(jī)械手工作范圍及整機(jī)尺寸的關(guān)鍵，也是機(jī)械手設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。3.定位精度也是機(jī)械手的主要基本參數(shù)之一。機(jī)械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味著成本的增加。綜合考慮，該物料氣動(dòng)機(jī)械手的定位精度設(shè)定為士0.5到士1mm之間。物料氣動(dòng)機(jī)械手的各個(gè)部分的基本參數(shù)可以由上面已經(jīng)知道的物料氣動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)的行程和時(shí)間分配來(lái)決定。2.3氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式：機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂的升降。根據(jù)上文所說(shuō)的，機(jī)械手按照坐標(biāo)的分類情況，選擇圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手更為妥當(dāng)。2.4機(jī)械手材料的選擇機(jī)械手手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來(lái)進(jìn)行選擇，并滿足機(jī)械手的設(shè)計(jì)和制作要求。從設(shè)計(jì)的思想出發(fā)，機(jī)械手手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這必然大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。所以在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。此外，機(jī)械手手臂選用的材料與一般的結(jié)構(gòu)材料不同。機(jī)械手手臂是一種伺服機(jī)構(gòu)，要受到控制，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時(shí)，可控性還要和材料的可加工性、結(jié)構(gòu)性、質(zhì)量等性質(zhì)一起考慮?？傊?，選擇機(jī)械手手臂的材料時(shí)，要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價(jià)格等多方面因素。下面介紹幾種機(jī)械手手臂常用的材料：(l)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強(qiáng)度鋼:這類材料強(qiáng)度好，尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增加了4~5倍、彈性模量E大、抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料;(2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料:其共同特點(diǎn)是重量輕、彈性模量E不大，但是材料密度小，則E/p之比仍可與鋼材相比;(3)陶瓷:陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，可加工型不好，與金屬等零件連接的接合部需要特殊設(shè)計(jì)。然而，日本己試制了在小型高速機(jī)械手上使用的陶瓷機(jī)械手手臂的樣品;從本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手的角度來(lái)看，在選用材料時(shí)不需要很大的負(fù)載能力，也不需要很高的彈性模量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各種因素和結(jié)合工作狀況的條件下，初步選用鋁合金作為機(jī)械臂的構(gòu)件。2.5機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式常見(jiàn)的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式有五種:SCARA型、直角坐標(biāo)型極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和圓柱坐標(biāo)型。根據(jù)主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇運(yùn)動(dòng)形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。同一種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。位置具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場(chǎng)、以及氣動(dòng)前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。這類機(jī)械手一般由2個(gè)肩關(guān)節(jié)和1個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中，一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰。這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線，考慮到機(jī)械手的作業(yè)特點(diǎn)，即要求其動(dòng)作靈活、有較大的工作空間、且要求結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小等特點(diǎn)，故選用關(guān)節(jié)型機(jī)械手。如圖所示。這種構(gòu)形動(dòng)作靈活、工作空間大、在作業(yè)時(shí)空間內(nèi)手臂的干涉最小、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、關(guān)節(jié)上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。但是這類機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解比較困難;確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大。圖3常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)方式2.6氣動(dòng)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇機(jī)械手常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)四種基本形式。但與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)相比，功率較小，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單速度不易控制，精度不高。馬達(dá)傳動(dòng)能源簡(jiǎn)單，速度和位置精度都很高，使用方便，噪聲低，機(jī)構(gòu)速度變化范圍大，效率高，控制靈活。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可省去減速裝置，響應(yīng)快，精度較高。但是需要有氣動(dòng)源，而且容易發(fā)生氣體泄漏。起初，我先選擇電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，但是考慮到機(jī)械手的升降運(yùn)動(dòng)運(yùn)用純機(jī)械結(jié)構(gòu)并不能達(dá)到理想傳動(dòng)效果。而機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)如若使用氣動(dòng)或者氣動(dòng)傳動(dòng)，就必須帶有旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)氣缸，相對(duì)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于設(shè)計(jì)。故改良方案，將驅(qū)動(dòng)方式分成兩個(gè)部分。其中，機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)采用傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)馬達(dá)帶動(dòng)齒輪鏈進(jìn)行旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)；而機(jī)械臂的伸縮、升降和機(jī)械手抓的抓取，都采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。2.7動(dòng)作要求分析動(dòng)作一：送料動(dòng)作二：預(yù)夾緊動(dòng)作三：手臂上升動(dòng)作四：手臂旋轉(zhuǎn)動(dòng)作五：小臂伸長(zhǎng)動(dòng)作六：手腕旋轉(zhuǎn)預(yù)夾緊手臂上升手臂旋轉(zhuǎn)手臂伸長(zhǎng)手臂轉(zhuǎn)回手腕旋轉(zhuǎn)圖2.2氣動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作簡(jiǎn)易圖2.8氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型本課題所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手為通用型的氣動(dòng)機(jī)械手，其中坐標(biāo)系為圓柱坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)用于機(jī)座的旋轉(zhuǎn)和手臂的上下移動(dòng)，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)用于手臂的伸縮和氣動(dòng)機(jī)械手的夾取和翻轉(zhuǎn)[3]。第3章系統(tǒng)各主要組成部分設(shè)計(jì)3.1夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核3.1.1夾持器種類1.連桿杠桿式手爪這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。2.楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的松、開(kāi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取工件。3.齒輪齒條式手爪這種手爪通過(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開(kāi)動(dòng)作。4.滑槽式手爪當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過(guò)銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開(kāi)。這種手爪開(kāi)合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。5.平行杠桿式手爪不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)移動(dòng)，通過(guò)活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開(kāi)或閉合。手指的最小開(kāi)度由加工工件的直徑來(lái)調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照所要捆綁的重物最大使用的鋼絲繩直徑為50mm來(lái)設(shè)計(jì)。a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。b．有足夠的開(kāi)閉范圍工作時(shí)，一個(gè)手指開(kāi)閉位置以最大變化量稱為開(kāi)閉范圍。夾持類手部的手指都有張開(kāi)和閉合裝置。可用開(kāi)閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。于回轉(zhuǎn)型手部手指開(kāi)閉范圍，手指開(kāi)閉范圍的要求與許多因素有關(guān)c．力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。d．手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，夾緊氣動(dòng)機(jī)械手，根據(jù)工件的形狀，松開(kāi)時(shí)，用單作用式氣缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造方便。氣缸右腔停止進(jìn)時(shí)，氣缸右腔進(jìn)時(shí)松開(kāi)工件。3.1.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算手爪要能抓起工件必須滿足：（3-6）式中，為所需夾持力；安全系數(shù)，通常取1.2~2；為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度，，為重力加速度；方位系數(shù)，查表選取；被抓持工件的重量10；帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：；理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算：（3-7）式中，為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力；為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離；為扇形齒輪分度圓半徑；為手指夾緊力；齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為0.92；其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為：（3-8）式中，為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力；安全系數(shù)，此處選1.2；工作條件系數(shù)，此處選1.1；而氣缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)壓提供的，故有（3-9）式中，為柱塞缸工作壓；為柱塞截面積；選取缸內(nèi)徑為50mm3.1.3夾持器校核活塞桿直徑查《氣動(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。本設(shè)計(jì)選擇d/D=0.7，d=35mm==9616N》377N計(jì)算所得的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需要的力，所以滿足要求。經(jīng)計(jì)算，所需的壓約為：(后續(xù)章節(jié)進(jìn)行介紹)3.2升降方向設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.1初步確系統(tǒng)壓力表3-1按負(fù)載選擇工作壓力[1]負(fù)載/KN<55~1010~2020~3030~50>50工作壓力/MPa<0.8~11.5~22.5~33~44~5≥5表3-2各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力[1]機(jī)械類型機(jī)床農(nóng)業(yè)機(jī)械小型工程機(jī)械建筑機(jī)械氣動(dòng)鑿巖機(jī)氣動(dòng)機(jī)大中型挖掘機(jī)重型機(jī)械起重運(yùn)輸機(jī)械磨床組合機(jī)床龍門(mén)刨床拉床工作壓力/MPa0.8~23~52~88~1010~1820~32由表2-1和表2-2可知，氣動(dòng)系統(tǒng)的最大負(fù)載約為15000N（零部件重量加上摩擦超載等因素），初選氣缸的設(shè)計(jì)壓力P1=1MPa3.2.2升降氣缸計(jì)算為了滿足工作臺(tái)快速進(jìn)退速度相等，并減小氣動(dòng)泵的流量，則氣缸無(wú)桿腔與有桿腔的等效面積A1與A2應(yīng)滿足A1=2A2（即氣缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d應(yīng)滿足：d=0.707D。為防止切削后工件突然前沖，氣缸需保持一定的回背壓，并取氣缸機(jī)械效率。則氣缸上的平衡方程故氣缸無(wú)桿腔的有效面積：氣缸直徑表1氣缸內(nèi)徑系列GB/T2348-1980mm810121620253240506380100125160200250320400500按GB/T2348-1980，取標(biāo)準(zhǔn)值D=63mm；本來(lái)可以取50的，考慮不可預(yù)測(cè)的超載等因素，故在這取的略微大一些。查《氣動(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.5D=31.5mm取d=32（標(biāo)準(zhǔn)直徑）表2活塞桿直徑系列456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400氣缸缸體厚度計(jì)算缸體是氣缸中最重要的零件，當(dāng)氣缸的工作壓力較高和缸體內(nèi)經(jīng)較大時(shí)，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。缸體的常用材料為20、25、35、45號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管。在這幾種材料中45號(hào)鋼的性能最為優(yōu)良，所以這里選用45號(hào)鋼作為缸體的材料。式中，——實(shí)驗(yàn)壓力，MPa。當(dāng)氣缸額定壓力Pn5.1MPa時(shí)，Py=1.5Pn，當(dāng)Pn16MPa時(shí)，Py=1.25Pn。[]——缸筒材料許用應(yīng)力，N/mm。[]=，為材料的抗拉強(qiáng)度。注：1.額定壓力Pn額定壓力又稱公稱壓力即系統(tǒng)壓力，Pn=1MPa2.最高允許壓力PmaxPmax1.5Pn=1.2510=12.5MPa氣缸缸筒材料采用45鋼，則抗拉強(qiáng)度：σb=600MPa安全系數(shù)n按《氣動(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》P243表2—10，取n=5。則許用應(yīng)力[]==120MPa==5.5mm,滿足。所以氣缸厚度取10mm。則氣缸缸體外徑為83mm。3.缸筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缸筒兩端分別與缸蓋和缸底鏈接，構(gòu)成密封的壓力腔，因而它的結(jié)構(gòu)形式往往和缸蓋及缸底密切相關(guān)[6]。因此，在設(shè)計(jì)缸筒結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選用結(jié)構(gòu)便于裝配、拆卸和維修的鏈接形式，缸筒內(nèi)外徑應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。3.2.3活塞桿的計(jì)算校核活塞桿是氣缸傳遞力的主要零件，它主要承受拉力、壓力、彎曲力及振動(dòng)沖擊等多種作用，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。其材料取Q235鋼?；钊麠U直徑的計(jì)算[1]查《氣動(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.707D=88.375mm按GB/T2348—1993將所計(jì)算的d值圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封裝置。圓整后得：取d=90（標(biāo)準(zhǔn)直徑）表2活塞桿直徑系列456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算氣缸尺寸，查產(chǎn)品樣本，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量，因工進(jìn)速度為最小速度，則由式（4-3）本例=122.65625>1.25，滿足最低速度的要求。2.活塞桿強(qiáng)度計(jì)算：<90mm（4-4）式中————許用應(yīng)力；（Q235鋼的抗拉強(qiáng)度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即活塞桿的強(qiáng)度適中）3．活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)活塞桿的外端頭部與負(fù)載的拖動(dòng)馬達(dá)機(jī)構(gòu)相連接，為了避免活塞桿在工作生產(chǎn)中偏心負(fù)載力，適應(yīng)氣缸的安裝要求，提高其作用效率，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)幕钊麠U端部結(jié)構(gòu)。4.活塞桿的密封與防塵活塞桿的密封形式有Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。采用薄鋼片組合防塵圈時(shí)，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。為方便設(shè)計(jì)和維護(hù)，本方案選擇O型密封圈。3.2.4氣缸工作行程的確定氣缸工作行程長(zhǎng)度可以根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標(biāo)準(zhǔn)值。氣缸活塞行程參數(shù)優(yōu)先次序按表4-4中的a、b、c選用。表4-4（a）氣缸行程系列（GB2349-80）[6]2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表4-4（b）氣缸行程系列（GB2349-80）[6]406390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表4-4（c）氣缸形成系列（GB2349-80）[6]240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800根據(jù)設(shè)計(jì)要求知快速接近工件，行程根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，根據(jù)表3-8，可選取氣缸的工作行程為1050mm。3.2.5活塞的設(shè)計(jì)由于活塞在氣動(dòng)力的作用下沿缸筒往復(fù)滑動(dòng)，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過(guò)緊，也不能間隙過(guò)大。配合過(guò)緊，不僅使最低啟動(dòng)壓力增大，降低機(jī)械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的配合表面；間隙過(guò)大，會(huì)引起氣缸內(nèi)部泄露，降低容積效率，使氣缸達(dá)不到要求的設(shè)計(jì)性能。考慮選用O型密封圈。3.2.6導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算1.最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H的確定當(dāng)活塞桿全部伸出時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn)到到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度[1]。影響氣缸工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證氣缸有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)氣缸最大行程為L(zhǎng),缸筒直徑為D時(shí),最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為:（4-5）一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度A，在缸徑小于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)D，當(dāng)缸徑大于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)d.?；钊麑挾菳取B=(0.6~1.0)D。若導(dǎo)向長(zhǎng)度H不夠時(shí),可在活塞桿上增加一個(gè)導(dǎo)向套K(見(jiàn)圖4-1)來(lái)增加H值。隔套K的寬度。圖4-1氣缸最小導(dǎo)向長(zhǎng)度[1]因此:最小導(dǎo)向長(zhǎng)度，取H=9cm；導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A=活塞寬度B=2.導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向套有普通導(dǎo)向套、易拆導(dǎo)向套、球面導(dǎo)向套和靜壓導(dǎo)向套等，可按工作情況適當(dāng)選擇。3.2.7端蓋和缸底的計(jì)算校核在單活塞氣缸中，有活塞桿通過(guò)的端蓋叫端蓋，無(wú)活塞桿通過(guò)的缸蓋叫缸頭或缸底。端蓋、缸底與缸筒構(gòu)成密封的壓力容腔，它不僅要有足夠的強(qiáng)度以承受氣動(dòng)力，而且必須具有一定的連接強(qiáng)度。端蓋上有活塞桿導(dǎo)向孔（或裝導(dǎo)向套的孔）及防塵圈、密封圈槽，還有連接螺釘孔，受力情況比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)的不好容易損壞。1.端蓋的設(shè)計(jì)計(jì)算端蓋厚h為：式中D1——螺釘孔分布直徑，cm；P——?dú)鈩?dòng)力，；——密封環(huán)形端面平均直徑，cm；——材料的許用應(yīng)力，。2.缸底的設(shè)計(jì)缸底分平底缸，橢圓缸底，半球形缸底。3.2.7缸體長(zhǎng)度的確定氣缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還需要考慮到兩端端蓋的厚度[1]。一般氣缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于缸體內(nèi)經(jīng)的20~30倍。取系數(shù)為5,則氣缸缸體長(zhǎng)度：L=5*10cm=50cm。3.2.8緩沖裝置的設(shè)計(jì)氣缸的活塞桿（或柱塞桿）具有一定的質(zhì)量，在氣動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)時(shí)具有很大的動(dòng)量。在它們的行程終端，當(dāng)桿頭進(jìn)入氣缸的端蓋和缸底部分時(shí)，會(huì)引起機(jī)械碰撞，產(chǎn)生很大的沖擊和噪聲。采用緩沖裝置，就是為了避免這種機(jī)械撞擊，但沖擊壓力仍然存在，大約是額定工作壓力的兩倍，這就必然會(huì)嚴(yán)重影響氣缸和整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)度及正常工作。緩沖裝置可以防止和減少氣缸活塞及活塞桿等運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實(shí)現(xiàn)速度的遞減，直至為零。當(dāng)氣缸中活塞活塞運(yùn)動(dòng)速度在6m/min以下時(shí)，一般不設(shè)緩沖裝置，而運(yùn)動(dòng)速度在12m/min以上時(shí)，不需設(shè)置緩沖裝置。在該組合機(jī)床氣動(dòng)系統(tǒng)中，動(dòng)力滑臺(tái)的最大速度為4m/min,因此沒(méi)有必要設(shè)計(jì)緩沖裝置。3.2.9氣缸的選型經(jīng)過(guò)比較，參考市場(chǎng)上的氣缸類型，選擇一種可靠?jī)?yōu)質(zhì)的氣缸產(chǎn)品的生產(chǎn)商—速易可（上海）有限公司/about_us.asp。速易可氣動(dòng)（上海）有限公司成立于2004年，從事于空壓零組件和設(shè)備研究、生產(chǎn)、銷售的自動(dòng)化廠商，產(chǎn)品以『TONAB』品牌營(yíng)銷國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，產(chǎn)品主要有空氣凈化組件、氣動(dòng)控制組件、氣動(dòng)執(zhí)行組件、輔助組件、空壓設(shè)備，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、工業(yè)機(jī)械手、食品包裝機(jī)械、紡織機(jī)械、半導(dǎo)體設(shè)備、軌道交通、煙草機(jī)械、機(jī)床自動(dòng)控制、真空搬運(yùn)、汽車制造、教學(xué)培訓(xùn)等行業(yè)。速易可目前主要產(chǎn)品有：無(wú)桿氣缸、滑臺(tái)氣缸、止動(dòng)氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、機(jī)械夾、回轉(zhuǎn)夾緊氣（）壓缸、導(dǎo)桿氣缸、帶鎖氣缸、雙軸缸、標(biāo)準(zhǔn)型氣缸、控制閥、空氣控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關(guān)氣動(dòng)輔助零組件。根據(jù)上節(jié)計(jì)算，在這選擇YAM63.3.3水平方向設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1水平方向計(jì)算當(dāng)工件處于水平位置時(shí)，擺動(dòng)缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長(zhǎng)度l=100mm。如圖3.4所示。工件工件圖3.4受力簡(jiǎn)圖(1)計(jì)算扭矩[4](2)氣缸（伸縮）及其配件的估算扭矩[4]F=10000NS=1m（最大行程時(shí)）帶入公式2.9得=10000×10×1=100000（N·M）由于水平方向的氣缸與升降方向的有些類似，在此不在一一列舉3.3.2氣缸的選型速易可目前主要產(chǎn)品有：無(wú)桿氣缸、滑臺(tái)氣缸、止動(dòng)氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、機(jī)械夾、回轉(zhuǎn)夾緊氣（）壓缸、導(dǎo)桿氣缸、帶鎖氣缸、雙軸缸、標(biāo)準(zhǔn)型氣缸、控制閥、空氣控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關(guān)氣動(dòng)輔助零組件。根據(jù)上節(jié)計(jì)算，在這選擇YAM63.3.4底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運(yùn)動(dòng)主要用來(lái)改變被夾物體的方位，它動(dòng)作靈活，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個(gè)自由度，可采用具有一個(gè)活動(dòng)度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。要求：回轉(zhuǎn)360o角速度=45o/s3.4.1回轉(zhuǎn)部位負(fù)載計(jì)算校核.若傳動(dòng)負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)負(fù)載額定功率：（3-24）負(fù)載加速功率：（3-25）負(fù)載力矩（折算到馬達(dá)軸）：（3-26）負(fù)載GD（折算到馬達(dá)軸）：（3-27）起動(dòng)時(shí)間：（3-28）制動(dòng)時(shí)間：（3-29）式中，為額定功率，KW；為加速功率，KW；為負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；為馬達(dá)軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；為負(fù)載的速度，m/min；為減速機(jī)效率；為摩擦系數(shù)；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），；為馬達(dá)啟動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩，；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到馬達(dá)軸上），；為負(fù)載的，；為負(fù)載（折算到馬達(dá)軸上），；為馬達(dá)的，；具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)椴竭M(jìn)馬達(dá)是驅(qū)動(dòng)腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運(yùn)動(dòng)形式屬于第二種。下面進(jìn)行具體的計(jì)算。因?yàn)檠炕剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有；（3-30）式中，為滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取0.005；為機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，取100；為回轉(zhuǎn)軸上傳動(dòng)大齒輪分度圓半徑，R=240；帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得=0.12；同時(shí)，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=5r/min；傳動(dòng)比定為1/120；且，帶入數(shù)據(jù)得：=10.45667。將其帶入上（3-24）~（3-30）式，得：?jiǎn)?dòng)時(shí)間；制動(dòng)時(shí)間；折算到馬達(dá)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。3.4.2馬達(dá)的選型根據(jù)參數(shù)，選型為BM-R100臂部運(yùn)動(dòng)的目的，一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意點(diǎn)上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動(dòng)、靜載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力較復(fù)雜。氣動(dòng)機(jī)械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得尤其重要了[5]。手臂的伸縮速度為200m/s行程L=1000mm(1)手臂右腔流量，公式（3.7）得：=1000×π×402=1004800mm3/s=0.1/102m3/s=1000ml/s(2)手臂右腔工作壓力，公式（3.8）得：（3.12）式中：F——取工件重和手臂活動(dòng)部件總重，F(xiàn)=1000kg，=10000N。(4)由初步計(jì)算選泵所需氣動(dòng)最高壓力P=10Mpa所需氣動(dòng)最大流量Q=1000ml/s3.5機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核臂部和機(jī)身的配置形式基本上反映了氣動(dòng)機(jī)械手的總體布局。本課題氣動(dòng)機(jī)械手的機(jī)身設(shè)計(jì)成機(jī)座式，這樣氣動(dòng)機(jī)械手可以是獨(dú)立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動(dòng)，也可具有行走機(jī)構(gòu)。臂部配置于機(jī)座立柱中間，多見(jiàn)于回轉(zhuǎn)型氣動(dòng)機(jī)械手。臂部可沿機(jī)座立柱作升降運(yùn)動(dòng)，獲得較大的升降行程。升降過(guò)程由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導(dǎo)致了手臂的上下運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到了自由度的要求[7-9]。3.5.1馬達(dá)的選擇機(jī)身部使用了兩個(gè)馬達(dá)，其一是帶動(dòng)臂部的升降運(yùn)動(dòng)；其二是帶動(dòng)機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)臂部升降運(yùn)動(dòng)的馬達(dá)安裝在肋板上，帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)的馬達(dá)安裝在混凝土地基上。 帶動(dòng)臂部升降的馬達(dá)：初選上升速度V=100mm/sP=6KW所以轉(zhuǎn)/分3.5.2螺柱的設(shè)計(jì)與校核螺桿是氣動(dòng)機(jī)械手的主支承件，并傳動(dòng)使手臂上下運(yùn)動(dòng)。螺桿的材料選擇：從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講并能滿足要求的材料為鑄鐵。螺距P=6mm梯形螺紋螺紋的工作高度h=0.5P（3.17）=3mm螺紋牙底寬度b=0.65P=0.65×6=3.9mm（3.18）螺桿強(qiáng)度〖11〗（3.19）=30～50Mpa螺紋牙剪切=40彎曲=45～55(1)當(dāng)量應(yīng)力(3.20)式中T——傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm[σ]——螺桿材料的許用應(yīng)力所以代入公式（3.20）得：6225025d12+11236≤900d16×10126225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012即16471pa＜535340pa合格(2)剪切強(qiáng)度（旋合圈數(shù)）（3.21）（3.22）=206.8×103pa=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa(3)彎曲強(qiáng)度=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa合格3.5.3機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)的馬達(dá)：初選轉(zhuǎn)速W=60o/sN=1/6轉(zhuǎn)/秒=10轉(zhuǎn)/分由于齒輪I=3減速器I=30所以n=10×3×30=900轉(zhuǎn)/分機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3.9所示:圖3.9機(jī)座結(jié)構(gòu)圖3.6氣動(dòng)機(jī)械手的定位及平穩(wěn)性確定3.6.1常用的定位方式機(jī)械擋塊定位是在行程終點(diǎn)設(shè)置機(jī)械擋塊。當(dāng)氣動(dòng)機(jī)械手經(jīng)減速運(yùn)行到終點(diǎn)時(shí)，緊靠擋塊而定位。若定位前已減速，定位時(shí)驅(qū)動(dòng)壓力未撤除，在這種情況下，機(jī)械擋塊定位能達(dá)到較高的重復(fù)精度。一般可高于±0.5mm，若定位時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)路而去掉工作壓力，這時(shí)氣動(dòng)機(jī)械手可能被擋塊碰回一個(gè)微小距離，因而定位精度變低[12]。3.6.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素氣動(dòng)機(jī)械手能否準(zhǔn)確地工作，實(shí)際上是一個(gè)三維空間的定位問(wèn)題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡(jiǎn)單情況下，單個(gè)量值可能是主要的。影響單個(gè)線量或角量定位誤差的因素如下：(1)定位方式不同的定位方式影響因素不同。如機(jī)械擋塊定位時(shí)，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時(shí)的速度等因素有關(guān)。(2)定位速度定位速度對(duì)定位精度影響很大。這是因?yàn)槎ㄎ凰俣炔煌瑫r(shí)，必須耗散的運(yùn)動(dòng)部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應(yīng)合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使運(yùn)動(dòng)部件適時(shí)減速。(3)精度氣動(dòng)機(jī)械手的制造精度和安裝調(diào)速精度對(duì)定位精度有直接影響。(4)剛度氣動(dòng)機(jī)械手本身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度低時(shí)，因易產(chǎn)生振動(dòng)，定位精度一般較低。(5)運(yùn)動(dòng)件的重量運(yùn)動(dòng)件的重量包括氣動(dòng)機(jī)械手本身的重量和被抓物的重量。運(yùn)動(dòng)件重量的變化對(duì)定位精度影響較大。通常，運(yùn)動(dòng)件重量增加時(shí)，定位精度降低。因此，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要減小運(yùn)動(dòng)部件本身的重量，而且要考慮工作時(shí)抓重變化的影響。(6)驅(qū)動(dòng)源氣動(dòng)的壓力波動(dòng)及電壓、溫的波動(dòng)都會(huì)影響氣動(dòng)機(jī)械手的重復(fù)定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)氣動(dòng)措施。(7)控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)控制、電氣比例控制和伺服控制的位置控制精度是個(gè)不相同的。這不僅是因?yàn)楦鞣N控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無(wú)有關(guān)[13]。本課題所采用的定位精度為機(jī)械擋塊定位。3.6.3氣動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置緩沖裝置分為內(nèi)緩沖和外緩沖兩種形式。內(nèi)緩沖形式有氣缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。外緩沖形式有彈性機(jī)械元件和氣動(dòng)緩沖器。內(nèi)緩沖的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊。但有時(shí)安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點(diǎn)是安置位置靈活，簡(jiǎn)便，緩沖性能好調(diào)等，但結(jié)構(gòu)較龐大。本課題所采用的緩沖裝置為氣缸端部緩沖裝置。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到距氣缸端蓋某一距離時(shí)能在活塞與端蓋之間形成一個(gè)緩沖室。利用節(jié)流的原理使緩沖室產(chǎn)生臨時(shí)背壓阻力，以使運(yùn)動(dòng)減速直至停止，而避免硬性沖擊的裝置，稱為氣缸端部緩沖裝置[12-15]。在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱為恒節(jié)流式氣缸端部緩沖裝置。設(shè)計(jì)氣缸端部恒節(jié)流緩沖裝置時(shí)，（最大加速度）、（緩沖腔最大沖擊壓力）和（殘余速度）三個(gè)參數(shù)是受工作條件限制的。通常采用的辦法是先選定其中一個(gè)參數(shù)，然后校驗(yàn)其余兩個(gè)參數(shù)。步驟如下：(1)選擇最大加速度通常，amax值按氣動(dòng)機(jī)械手類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取，同時(shí)要考慮速度與載荷大小。對(duì)于重載低速氣動(dòng)機(jī)械手，-取5m/s2以下，對(duì)于輕載高速氣動(dòng)機(jī)械手，-取5～10m/s2(2)計(jì)算沿運(yùn)動(dòng)方向作用在活塞上的外力F水平運(yùn)動(dòng)時(shí)：（3.23）=0.25×103×π×3.62-7=138N(3)計(jì)算殘余速度Vr（3.24）m/s第4章氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)氣動(dòng)控制室自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的一種主要的控制形式。自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和操作室根據(jù)氣體的流量與壓力來(lái)確定，因而只要控制氣的流量和壓力，就可以控制自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和操作力，氣動(dòng)壓力一般在5—140公斤/厘米范圍內(nèi)，最大臂力可達(dá)160公斤以上。主要優(yōu)點(diǎn)：(1)氣動(dòng)執(zhí)行元件(馬達(dá)和氣缸)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率小。(2)可通過(guò)空氣帶走大量熱能，保證機(jī)械的正常運(yùn)行。(3)氣動(dòng)元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過(guò)閥和泵的調(diào)節(jié)就能實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。(4)響應(yīng)速度比較快，能高速啟動(dòng)，制動(dòng)和反向，無(wú)后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強(qiáng)。(5)氣動(dòng)元件于其他驅(qū)動(dòng)元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動(dòng)等。缺點(diǎn):控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，處理功率訊號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算誤差，檢測(cè)，放大，測(cè)試和補(bǔ)償功能不如電子，機(jī)電裝置靈活簡(jiǎn)便[4-6]。4.1手部抓取缸圖4.5手部抓取缸氣動(dòng)原理圖(1)手部抓取缸氣動(dòng)原理圖如圖4.5所示(2)泵的供氣動(dòng)力P取1Mpa，流量Q取系統(tǒng)所需最大流量即Q=1300ml/s。因此，需裝圖4.1中所示的調(diào)速閥，流量定為7.2L/min，工作壓力P=2Mpa。選取采用：2FRM5-20/102調(diào)速閥23E1-10B二位三通閥4.2腕部擺動(dòng)氣動(dòng)回路圖4.6腕部擺動(dòng)氣動(dòng)回路(1)腕部擺動(dòng)缸氣動(dòng)原理圖如圖4.6所示(2)工作壓力:P=1Mpa流量:Q=35ml/s選取采用:2FRM5-20/102調(diào)速閥34E1-10B換向閥4.3小臂伸縮缸氣動(dòng)回路圖4.7小臂伸縮缸氣動(dòng)回路(1)小臂伸縮缸氣動(dòng)原理圖如圖4.7所示(2)工作壓力:P=0.25Mpa流量:Q=1000ml/s選取采用：2FRM5-20/102調(diào)速閥23E1-10B二位三通閥4.4總體系統(tǒng)圖圖4.8總體系統(tǒng)圖(1)總體系統(tǒng)圖如圖4.8所示,(2)工作過(guò)程:小臂伸長(zhǎng)→手部抓緊→腕部回轉(zhuǎn)→小臂回轉(zhuǎn)→小臂收縮→手部放松(3)電磁鐵動(dòng)作順序表:表4.2總體系統(tǒng)圖元件動(dòng)作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸長(zhǎng)手部抓緊腕部回轉(zhuǎn)小臂收縮手部放松卸荷++++--±++±--+--±±(4)確電機(jī)規(guī)格：氣動(dòng)泵選取CB-D型氣泵，額定壓力P=1Mpa，工作流量在32～70ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵，因此：傳動(dòng)功率（4.15）式中：η=0.8（經(jīng)驗(yàn)值）所以代入公式（4.15）得：=16.7KN第5章上位機(jī)控制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的閥控缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)均為流量比例控制。工控機(jī)通過(guò)研華PCI1720卡(ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換)輸出控制信號(hào)；同時(shí)PCL2833(三軸正交編碼器計(jì)數(shù)器卡)將采集到的編碼器角度信號(hào)送至工控機(jī)。作為控制系統(tǒng)的軟件部分采用MATLAB的RTW工具箱。RTW是MATLAB圖形建模和仿真環(huán)境Simulink的一個(gè)重要的補(bǔ)充功能模塊,是一個(gè)基于Simulink的代碼自動(dòng)生成環(huán)境。它能直接從Simulink的模型中產(chǎn)生優(yōu)化的、可移植的和個(gè)性化的代碼,并根據(jù)目標(biāo)配置自動(dòng)生成多種環(huán)境下的程序。為了使模型簡(jiǎn)潔明了、條理清晰,采取了建立子系統(tǒng)并對(duì)之封裝的方法,如圖4所示：生成機(jī)械手工具系確定點(diǎn)坐標(biāo)生成機(jī)械手工具系確定點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為夾手系坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆運(yùn)算（生成關(guān)節(jié)空間轉(zhuǎn)角）插值生成各關(guān)節(jié)三次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)方程關(guān)節(jié)控制實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)械手的實(shí)際位置機(jī)械手某些固定參數(shù)設(shè)置圖4機(jī)械手控制系統(tǒng)流程(1)軌跡生成模塊。其功能是,將給定的迪卡爾空間內(nèi)路徑曲線按照用戶的意愿進(jìn)行有限分段,并給出所有端點(diǎn)的迪卡爾坐標(biāo)值。(2)工具坐標(biāo)系轉(zhuǎn)為夾手坐標(biāo)系。模塊給出的空間點(diǎn)是工具系坐標(biāo)原點(diǎn)所必須經(jīng)過(guò)的,需要把它進(jìn)行坐標(biāo)變換,得到夾手系坐標(biāo)原點(diǎn)所必須經(jīng)過(guò)的空間點(diǎn)。(3)參數(shù)設(shè)置模塊。對(duì)機(jī)械手的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行賦值。(4)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解模塊。該模塊將迪卡爾空間內(nèi)點(diǎn)的坐標(biāo)變換為各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系內(nèi)的關(guān)節(jié)角度。 (5)插值運(yùn)算求解系數(shù)模塊。該模塊在每一段內(nèi)按照其計(jì)算的結(jié)果,對(duì)3個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行插值運(yùn)算,求解每個(gè)關(guān)節(jié)的三次多項(xiàng)式插值系數(shù)。(6)生成關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方程模塊。該模塊按照計(jì)算得出的三次多項(xiàng)式插值系數(shù),對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)生成以時(shí)間t為自變量；(7)控制模塊。控制每個(gè)關(guān)節(jié)的角度變化,使其跟蹤模塊生成的該關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方程。(8)求解迪卡爾坐標(biāo)下的末端位置。用實(shí)際采樣得到的角度,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正運(yùn)算,以檢驗(yàn)機(jī)械后末端的實(shí)際位置。5.1系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)機(jī)械手控制算法的基本流程如圖5所示。由軌跡插補(bǔ)模塊對(duì)途徑點(diǎn)分段,采用過(guò)四點(diǎn)的3次多項(xiàng)式插值運(yùn)算,將計(jì)算結(jié)果輸入運(yùn)動(dòng)學(xué)反解模塊,計(jì)算出關(guān)節(jié)坐標(biāo)下各關(guān)節(jié)的對(duì)應(yīng)的角度,將各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)軌跡送入到關(guān)節(jié)控制器模塊中進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制,由編碼器的測(cè)量值實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)械手末端的位置。軌跡插補(bǔ)軌跡插補(bǔ)參數(shù)設(shè)置運(yùn)動(dòng)學(xué)反解控制器笛卡爾坐標(biāo)系下末端位置圖5機(jī)械手控制算法流程圖前饋補(bǔ)償極點(diǎn)配置自校正控制器設(shè)計(jì)：極點(diǎn)配置的主要思想是尋找一個(gè)控制律，使得被控系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)位于希望的位置。其基本組成原理如圖6所示。在氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)中,二階和三階電-氣流量比例閥控?cái)[缸氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)位置系統(tǒng)的幅頻特性在低頻段是相近的，且系統(tǒng)模型階數(shù)越低，控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)就越容易[6]。隨著測(cè)控系統(tǒng)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)于系統(tǒng)的可靠性、時(shí)間確定性等要求越來(lái)越高，由此出現(xiàn)了很多實(shí)時(shí)測(cè)控模式及軟件，例如美國(guó)Mathworks公司的RTW；德國(guó)dSPACE公司的ControlDesk；加拿大OPAL2公司RT2LAB；Boeing公司的Easy2等。其中美國(guó)（NI）公司研制開(kāi)發(fā)的LabVIEWRT系統(tǒng)由于其簡(jiǎn)潔的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境以及高可靠性和時(shí)間確定性等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用?？刂破骺刂破髟O(shè)定輸入控制輸入被控對(duì)象系統(tǒng)輸出控制參數(shù)計(jì)算辨識(shí)機(jī)構(gòu)辨識(shí)參數(shù)圖6極點(diǎn)配置自校正控制器結(jié)構(gòu)圖LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)的，類似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEWRealTime模塊的開(kāi)發(fā)、運(yùn)行需要特定的硬件目標(biāo)支持,以往的RT模塊主要支持3類硬件方式:RT系列插入式板卡、RT系列PXI、RT系列的FieldPoint模塊。插入式板卡基于PCI總線方式,將嵌入式的處理器板卡和多功能數(shù)據(jù)采集卡合并,能提供的I/O通道較少,單通道PID循環(huán)速率在1kHz左右,性能一般；FieldPoint方式能提供很多的I/O接口，但是循環(huán)速率更低；PXI控制器方式能夠提供較多的I/O接口、具有較高的控制速率(20kHz以上),但硬件成本較高。LabVIEWRT模塊在8.0版本之后,支持將標(biāo)準(zhǔn)的DesktopPC轉(zhuǎn)變?yōu)镽eal2Time(實(shí)時(shí))目標(biāo)機(jī)，配置通用的PCI數(shù)據(jù)采集卡,實(shí)現(xiàn)高的循環(huán)控制速率(10kHz以上)并提供了豐富的I/O接口，與PXI系統(tǒng)相比具有較高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)的控制程序是通過(guò)上位機(jī)的LabVIEWRT開(kāi)發(fā)系統(tǒng)完成的,包括上位機(jī)的人機(jī)界面和下位機(jī)的實(shí)時(shí)控制程序。上、下位機(jī)工作方式,通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊,上位機(jī)將實(shí)時(shí)控制程序下載到下位機(jī)RT引擎中進(jìn)行運(yùn)行和調(diào)試。在控制軟件的開(kāi)發(fā)中,上位機(jī)主要運(yùn)行的是人機(jī)交互界面,接受操作人員的命令輸入及顯示數(shù)據(jù)等；下位機(jī)主要運(yùn)行實(shí)時(shí)控制程序,接受上位機(jī)的命令信號(hào),進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)控制。它們之間的通信是靠網(wǎng)絡(luò)共享變量機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。網(wǎng)絡(luò)共享變量是LabVIEW新推出的一種變量,它利用NIPublish-SubscribeProtocol(NI2PSP)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。調(diào)用網(wǎng)絡(luò)共享變量時(shí),首先得在網(wǎng)絡(luò)的SVE(sharedvariableengine)上部署網(wǎng)絡(luò)共享變量。當(dāng)向這個(gè)共享變量中寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí),LabVIEW將這個(gè)新的值發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)上的SVE,SVE然后將這個(gè)值發(fā)布出去,使得網(wǎng)絡(luò)上其它的節(jié)點(diǎn)可以得到這個(gè)更新的值,其數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖7所示。上位機(jī)上位機(jī)（運(yùn)行SVE）SVE下位機(jī)2下位機(jī)1NI-PSPNI-P2PNI-P2P圖7共享變量讀寫(xiě)過(guò)程示意圖5.2機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件部分氣動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)采用流量比例控制,使用PCI26229卡(多功能數(shù)據(jù)采集卡)輸出控制信號(hào)；同時(shí)使用PCI26602(8通道正交編碼器計(jì)數(shù)器卡)檢測(cè)編碼器的角度信號(hào)和零位信號(hào),其硬件組成如圖8所示。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì),需要要解決的主要問(wèn)題有2個(gè),即MATLAB/xPC與數(shù)據(jù)采集卡的接口問(wèn)題和程序?qū)崟r(shí)性的保證問(wèn)題。關(guān)于硬件接口問(wèn)題,xPC目標(biāo)提供了各種I/O接口接入計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)途徑,支持多種類型的I/O設(shè)備板,包括ISA、PCI、PC104和CompactPCI硬件。但不支持的PCL2833板卡,根據(jù)MTLAB/xPC提供的接口規(guī)范,自行開(kāi)發(fā)了驅(qū)動(dòng)程序,其過(guò)程這里不再詳述。xPC的功能與RTW近似,即可用Simulink/Stateflow設(shè)計(jì)出來(lái)的控制器直接去控制對(duì)象實(shí)物。xPC采用上下位機(jī)工作方式,通過(guò)TCP/IP實(shí)現(xiàn)通xPC采用上下位機(jī)工作方式,通過(guò)TCP/IP實(shí)現(xiàn)通信。在上位機(jī)(宿主PC機(jī))上應(yīng)用Matlab生成控制代碼然后下載到下位機(jī)(目標(biāo)工控機(jī))。工作時(shí)下位機(jī)進(jìn)行層控制,上位機(jī)則顯示數(shù)據(jù),達(dá)到實(shí)時(shí)控制的效果[7]。上位機(jī)上位機(jī)（PC機(jī)）下位機(jī)（工控機(jī)）TCP/IPPC16229PC16602PC16229PC16602PC16229PC16602流量比例閥旋轉(zhuǎn)編碼器流量比例閥旋轉(zhuǎn)編碼器流量比例閥旋轉(zhuǎn)編碼器腰部關(guān)節(jié)大臂關(guān)節(jié)小臂關(guān)節(jié)圖8機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件流程圖5.3機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件部分在軟件上,上位宿主機(jī)安裝Matlab6.5以及Simulink、Real2TimeWorkshop和xPCTarget工具箱,利用VisualC++6.0作為目標(biāo)語(yǔ)言編譯器。下位目標(biāo)機(jī)未裝載任何操作系統(tǒng)和軟件,僅對(duì)BIOS做了相關(guān)更改以節(jié)省CPU資源。由于關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中負(fù)載變化較大,故采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制,如圖9所示。該算法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、權(quán)值學(xué)習(xí)時(shí)間短,明顯優(yōu)于常規(guī)PID算法,有較強(qiáng)的自適應(yīng)性和魯棒性。這里不再詳細(xì)敘述。狀態(tài)變換器狀態(tài)變換器Kuf(·)受控對(duì)象學(xué)習(xí)算法圖9單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器原理示意圖總結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)眼間就到了掃尾階段，在這幾個(gè)月的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過(guò)程中，我取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我有很多收獲，首先更深一步了解了所學(xué)的知識(shí),幾年來(lái)所學(xué)的知識(shí)做了一次系統(tǒng)復(fù)習(xí)，培養(yǎng)了獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力運(yùn)用所學(xué)知識(shí)也使我學(xué)會(huì)怎樣網(wǎng)絡(luò)查找資料更好的利用圖書(shū)館，和運(yùn)用資料，還使我學(xué)會(huì)如何與同學(xué)共同討論問(wèn)題。這對(duì)我以后的工作有很大的幫助,今后我會(huì)在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì)，我切實(shí)體會(huì)到作為一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員的艱難性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不過(guò)在指導(dǎo)老師幫助和自己的努力下，終于使得我順利完成了設(shè)計(jì)。我經(jīng)常有的是知識(shí)方面的不足導(dǎo)致的，有的是設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方面不足導(dǎo)致。這些問(wèn)題有時(shí)使得我束手無(wú)措。雖然我的設(shè)計(jì)存在很多不足的地方，從中鍛煉自己分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力總的來(lái)說(shuō)，我希望通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)自己未來(lái)將從事訓(xùn)練，，為將來(lái)工作打下良好的基礎(chǔ)畢業(yè)設(shè)計(jì)模擬。寫(xiě)到這，代表了我的論文也將來(lái)接近尾聲了。是的大學(xué)四年最后一個(gè)課程—畢業(yè)設(shè)計(jì)，在此將要接受老師們和同學(xué)們的檢閱，無(wú)論做得好與不好，這個(gè)過(guò)程也是必須要經(jīng)歷的。首先對(duì)所有評(píng)閱的老師們表示感謝，我誠(chéng)意接受你們的教導(dǎo)，也希望能得到你們對(duì)我努力的肯定。如果說(shuō)課程設(shè)計(jì)是一種體驗(yàn)，那畢業(yè)設(shè)計(jì)可以稱得