1、*学士学位论文 学号:A*气动指挥机械手臂设计学生姓名：*指导教师：*所在院系：工程学院所学专业：机械设计制造及其自动化研究方向：流体传动控制*中国*2009 年 6 月Bachelor Degree Dissertation No：*Design on Mechanical Arm Controlled by Pneumatic TransmissionStudent: * Supervisor: * College: Engineering College Speciality: Mechanical design and manufacture and automatization Di
2、rection: Fluid transmission control * ChinaJune 2009气动指挥机械手臂设计I摘 要本文主要围绕着气动指挥机械手臂的设计过程进行阐述和分析，文中主要讨论了以下几个方面的内容：气动指挥机械手臂的整体设计、机械手臂的运动模拟、气动系统回路设计、气动元件的选型以及指挥机械手臂控制部分设计。在设计过程中提出了一种新的设计思路，即对不确定的各个设计参数的拟人动作机械人进行动态仿真分析，从模拟试验中得到所需的各参数和标准。气动指挥机械手臂的整体设计主要针对机械手臂的自由度、工作空间、工作速度、控制方式和驱动方式进行讲述；机械手臂的模拟运动将利用 ADAMS
3、运动仿真软件进行运动分析和数据采集；气动回路设计中将针对模拟结果的要求对系统的气动部分进行设计，并在后面的章节中对气动元件进行选型；最后的手臂控制部分设计中，采用了可编程控制器（PLC）控制的方法来实现各气缸的顺序和周期动作。关键词：气动指挥机械手臂；ADAMS 仿真；气动系统回路设计；PLC 控制；气动指挥机械手臂设计IIDesign on Mechanical Arm Controlled by Pneumatic TransmissionThis paper, focusing on the design of pneumatic command mechanical arm proce
4、ss and analyze. This article mainly discusses the following several aspects of content: Such as The pneumatic command mechanical arm of the overall design; Mechanical arm movement simulation; Designing the system of pneumatic; Choosing the type of the pneumatic component; Design of mechanical arm co
5、mmand control section. In the design process presents a new design idea, namely the uncertainty of the various design parameters of personification action on dynamic simulation, robots from simulation experiment of the parameters and the standard required, it will aim at the mechanism arms freedom;
6、Working space; Working speed; The mode of control; The mode of drive. The mechanical arm of the motions of ADAMS software to motion simulation analysis and data collection for sports. In the section of designing the pneumatics system, I will design the part of pneumatics in the whole system and choo
7、se type of the pneumatics components in the next one. The last section about designing of the pneumatic direct manipulators control, The arm using the programmable logic controller (PLC) control method to realize the cylinder sequence and cycle.Keywords: pneumatic command the mechanical arm; ADAMS s
8、imulation; pneumatic system design; PLC control;气动指挥机械手臂设计III目录摘 要 .I英文 摘要 .II目录 .III1 前言 .11.1 机械手的发展史 .11.2 现代研究趋势 .11.3 国内发展状况 .21.4 机械手研究领域 .21.5 本文主要研究内容 .22 气动指挥机械手臂的整体设计 .42.1 机械手臂的主要技术参数设计 .42.1.1 机械手臂的自由度 .42.2 机械手臂的工作空间设计 .42.3 机械手臂的工作速度 .52.4 机械手臂的工作载荷 .52.5 机械手臂的控制方式 .52.6 机械手臂的驱动方式 .52.
9、7 机械手臂的精度、重复精度和分辨率 .63 机械手臂的模拟仿真运动 .73.1 ADAMS 仿真软件功能简介 .73.2 应用 UG 建立实体模型并导入 ADAMS.73.3 运动过程仿真 .73.4 运动仿真参数分析 .114 气动回路设计 .184.1 通过对运动状态的模拟设计相应的气动回路 .184.2 对气压传动系统的分析 .194.2.1 气源的处理 .194.2.2 压缩空气驱动气缸活塞杆运动过程 .205 气动元件的选型 .215.1 对运动气缸的选型 .215.1.1 对 A 缸的选取 .21气动指挥机械手臂设计IV5.1.2 对 B 缸的选取 .215.1.3 对 C 缸的
10、选取 .225.1.4 对 D 缸的选取 .235.1.5 对 E 缸的选取 .235.2 对电磁换向阀进行选型 .235.3 对气压的要求 .245.4 对气动三联件的选择 .245.5 单向节流阀的选择 .255.6 减压阀的选择 .265.7 安全阀的选择 .266 指挥机械手臂控制部分设计 .286.1 PLC 型号的选择 .286.2 初始位置程序的编写 .286.3 机械手臂的指挥动作循环程序 .296.3.1 机械手臂肩部的转动 .296.3.2 机械手臂大臂、肘部、腕部的转动 .306.4 外接电路驱动电磁换向阀 .346.5 恢复初始位置控制 .356.6 机械手臂各部分的单
11、独控制 .367 总结 .37参考文献 .38致谢 .39气动指挥机械手臂设计-1-1 前言1.1 机 械 手 的 发 展 史机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业
12、机械手。1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用
13、最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977 年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环。1.2 现 代 研 究 趋 势目前国际机器人
14、界都在加大科研力度，进行机械手共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下几个方面:(1) 工业机械手的优化设计并探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载与自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。(2) 机械手控制技术:重点研究开放化，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机械手控制器的标准化和网络化，以及 VC 机网络控制器己气动指挥机械手臂设计-2-成为研究热点。编程技术不仅进一步提高在线编程的可操作性，离线编程的实用化也将成为研究重点。(3) 多传感器系统:为进一步提高机械手的智能和适应性，多种传感器的配合使用是其问题解决的关键。其研
15、究热点在于有效可行的多传感器信息融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器信息融合算法。(4) 机械手的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。(5) 机械手遥控及监控技术，半自主和自主技术，多个机械手和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机械手遥控系统，在有延时的情况下，建立预先显示从而进行遥控等。(6) 虚拟机械手技术，基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场传感技术，实现机械手的虚拟遥控操作和人机交互。(7) 多智能体调控技术:这是目前机械手研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控
16、制等方面进行研究。(8) 软机械手技术:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机械手设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或其他硬性材料，软机械手技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机械手意外地与环境或人发生碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。(9) 仿人和仿生技术:这是机械手技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行了一些基础性研究。1.3 国 内 发 展 状 况国内机械行业应用的机械手绝大部分为专用机械手，附属于某一设备，其工作程序是固定的，通用机械手也有所发展。改革开放以来，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前基本掌握了机械手的设计制造技术、控制系统的硬件和软件设计技术、运动
17、学和轨迹规划等技术，生产了部分机械手关键元器件，开发出了喷漆、弧焊、装配、搬运等机械手。但是，我国的机械手技术及其应用程度和发达国家相比还有很大的差距，如:可靠性低于国外产品;机械手应用工程起步较晚，应用领域还比较窄，生产线系统技术与国外比有差距; 在应用规模上远不及发达国家。以上原因主要是没有实现机械手的高度产业化。当前我国机械手的生产几乎都是应用户要求，“一个客户，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、成本高，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，做好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。1.4 机 械 手
18、研 究 领 域机械手技术是集机械工程学、计算机科学、控制工程、电子技术、传感器技术、人机工程学等学科为一体的综合技术，它是多学科科技革命的必然结果。每一支动作灵敏的机械手，都是一个知识密集和技术密集的高科技机电一体化产品。气动指挥机械手臂设计-3-1.5 本 文 主 要 研 究 内 容本文提出了一种比较新颖的研究设计方法，即通过应用软件先对不确定的运动进行模拟，选择最佳方案进行设计计算，从而实现设计要求。本文将通过以下几个内容进行论述：(1) 气动指挥机械手臂的整体设计；(2) 机械手臂的运动模拟；(3) 气动回路设计；(4) 气动元件的选择；(5)机械手臂 PLC 控制部分设计；气动指挥机械
19、手臂设计-4-2 气动指挥机械手臂的整体设计根据设计要求，对指挥机械手臂类型选择为非伺服多关节型。2.1 机 械 手 臂 的 主 要 技 术 参 数 设 计2.1.1 机 械 手 臂 的 自 由 度要想达到模仿人类的音乐指挥动作，通过仿生原理我最终采用 5 自由度的机械手臂来完成这一动作，其机器人机构简图如图（21）。图 21 五自由度机器人简图如图所示机器人手臂在 xo1y 平面存在三个分别沿 o2z 和 o3z 及 o5z 轴的转动 2 和 3 及5，在肩部还有一个沿 o1y 轴的转动 1，同时腕部还存在一个在 o4x 的转动 4。机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构就越复杂，对机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。自由度的选择与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，机器人的自由度数可少一些；但是如果要便于产品更换，增加柔性，机器人的自由度要多一些。2.2 机 械 手 臂 的 工 作 空 间 设 计对于拟人的指挥手臂而言，工作空间应尽量参考人的运动范围，根据人的指挥手臂的
