自动换刀机械手的结构设计与PLC控制.doc

1、 自动换刀机械手结构设计及PLC控制研究摘 要数控机床的发展与应用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大的提高了生产率。数控机床发展成了当今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备即加工中心。加工中心带有刀库和自动换刀装置，能对工件按预定程序进行多工序加工的高度自动化的多功能的数字控制机床。气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、可靠、节能、不污染环境、可实现无级调速、易实现过载保护等优点，特别适用于数控机床自动换刀上。为了增强机械手的通用性和互换性，使同一机械手由于应用不同的模块而具有不同的功能，本文采用模块化气动机械手，对基座、立柱、手臂、手部等模块进行结构设计，通过模块选择与组合，以构成一定

2、范围内的不同功能或同功能不同性能、不同规格的系列产品，并且在产品变化或临时对机械手进行新任务分配时，可以允许方便地改动或重新设计其新部件，能很快地投产，降低安装和转换工作的费用，便于机械手的标准化生产和使用。在机械手的运动和动力学分析中，根据D-H法建立了机械手的运动学模型，确定各连接杆件与末端执行器的空间位置和姿态关系；根据拉格朗日方程建立机械手动力学模型，确定各关节运动与作用力(或力矩)之间的关系。对机械手的定位控制分析，采用电气-气压伺服定位技术设计机械手的驱动系统，气动执行元件根据输入系统的电气信号而动作，从而驱动负载输出相应的物理量。系统采用simatic S7-200 PLC作为控

3、制核心，根据机械手的工作流程制定控制方案，实现了机械手的任意点定位和无级调速。关键词： 自动换刀机械手；模块化设计；运动学；动力学；电气-气压伺服定位系统IResearch on Structure Design and PLC Control ofAutomatic tool change ManipulatorAbstractThe development and application of CNC has reduced lots of operation timewhen machining parts and increased productivity, CNC has deve

4、loped to be aclassofmoreadvancedequipments,namely,machiningcenter.Machiningcenterthat is equipped with tool magazine and automatic tool changer is amulti-functional digital control machine which can make parts, according topre-setprogramsfordifferentstages.Inaddition,pneumaticmanipulatorhasmanymerit

5、ssuchassimplestructure,lightweight,fastmovement,reliability,low cost, pollution free, steeples speed regulation, and overload protectionwhich is suitable for automatic tool changer on CNC.For strengthening the general availability of manipulator and making thesame manipulator has the different funct

6、ion with the different modules, thispaper adopted to modularize pneumatic manipulator. It carries out physicaldesign on modules such as pedestal, column, arm, hand part. Selection andcombination of modules form a series of products with a range of differentfunctionsordifferentperformancesanddifferen

7、tspecifications.Inaddition,the approach facilitates the modification and redesign of the module partsfor fast production, which reduces the cost of installation and workstransition and facilitates the standardalization of production andutilization of the manipulator. In the structure analyses of the

8、 manipulator,this paper establish the kinematics model of manipulator according to D-H,which ascertain space location and attitude connection between every memberand end implement; this paper establish the dynamics model of manipulatoraccording to Lagrange, which ascertain relation between every art

9、hrosismotion and the acting force(or force moment). To analyze the manipulatorsIIposition control, the actuation system is designed based on theelectro-pneumatic servo orientation technology where the pneumatic actuatortakes effect according to the input systems electrical signals to drivethose phys

10、ical variables of load output. This paper adopt Simatic S7-200 PLCto accomplish controlling core, technological process has worked out the jobaccording to manipulator controlling scheme. The arbitrary orientation andstepless speed regulating of the manipulator has realized.Key Words：Automatic tool c

11、hange manipulator； Modularization design；Kinematics；Dynamics； Electro-pneumatic servo orientation system.III目 录第1章 绪论111 课题研究背景目的及意义 112 工业机械手的研究现状及国内外发展 113 本文主要研究内容及各章安排 3第2章 机械手总体设计方案421 机械手类型 422 机械手系统功能设计 523 机械手的坐标形式与自由度 724 机械手工作过程及工步时间分配 925 机械手的基本参数1026 模块化设计11261 模块划分的一般原则12262 模块设计的方法1226

12、3 模块式机械手及组成1327 机械手的总体方案设计14271 机械手的结构设计方案14272 机械手的驱动方案15273 机械手的控制方案17274 机械手的设计流程1828 小结20第3章 机械手运动学及动力学分析2131 刚体运动学模型21311 刚体的位姿21312 坐标变换2232 机械手运动学方程描述25321 连杆参数以及连杆坐标系25322 连杆变换和运动学方程2733 操作臂的雅可比矩阵2734 机械手的动力学模型构建28341 拉格朗日动力学方程推导方法29342 仿真2R机械手的动力学方程实例3335 小结38第4章 机械手的机械系统设计3941 机械手伺服系统设计394

13、11 气动伺服系统设计39412 电气伺服阀4142 机械手执行机构设计43421 手部结构设计43422 手臂结构设计45423 基座结构设计53424 气动辅助元件选取5443 小结55第5章 PLC控制系统设计5651 机械手控制系统PLC的选型与I/O点确定56511 PLC选型 56512 控制系统输入输出设备与I/O点确定 5752 步进电机5853 PLC编程 60531 PLC编程时应注意的问题 60532 PLC程序设计软件STEP7-Micro/Win32简介60533 PLC梯形图设计 6154 小结64第6章 总结与展望6561 总结6562 展望65致 谢67参考文献

14、 68攻读学位期间所发表的学术论文 70第1章 绪论11 课题研究背景目的及意义 工业机械手技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是以微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一种综合性的高新技术。这一技术在工业、农业、国防、医疗卫生、办公自动化及生活服务等众多领域有着越来越多的应用。工业机械手在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进制造业的柔性化、增强企业和国家的竞争力等诸方面具有举足轻重的地位。在现实生活中，机械手并不是在简单意义上代替人的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置。这种装置既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续

15、工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上说，机械手是机器进化过程的产物，是工业以及非产业界的重要生产服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备 。1本课题的目的是研究关于自动换刀气动伺服机械手的结构设计和控制的一些普遍性问题。加工中心在工作过程中，需要使用不同的刀具对零件进行加工，要求自动换刀气动伺服机械手能够实现对刀库中的刀具抓取、换位和传送等功能，并且在传送过程中能实现无级调速和任意点定位。具体参数是根据实验平台的总体布局和加工中心刀具为对象选取的，即设计用于模拟加工中心刀库与主轴之间选择性换刀过程的实验平台机械手。当然，根据模块化和参数化的原理，机械手的设计具有普遍性的意

16、义。对于不同的工作情况，只需选取必要的模块，对气动元件和机械零件进行参数化设计，即可满足不同工作条件的设计要求。12 工业机械手的研究现状及国内外发展 工业机械手最早应用在汽车制造业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人类从事危险、有害、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人类完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。随着机械手功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益在扩大，现已广泛应用于制造业、农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。1可实现工业机械手自动化工作要求的自动控制方式目前有许多种

17、，其中包括气动和电子一体化的气电装置、液压和电气、电子组合的液电装置和电气、电子的机电装置等，侧重利用它们各自的优点，组合最合适的控制方式。由于气动技术是以空气为介质，它具有防火、防爆、防电磁干扰、不受放射线及噪声的影响，且对振动及冲击也不敏感，和结构简单、工作可靠、成本低、寿命长等优点，近几年来气动技术得到迅速的发展及普遍应用 。2气动机械手由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。气动伺服定位系统代替了伺服电机或液压伺服系统；气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作；主机部分采用标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能够拓展成系列化、标准化的产品。随着生产自动化

18、程度的不断提高，气动技术会逐渐展现小型化、集成化；组合化、智能化；精密化；高速化；无油、无味、无菌化；高寿命、高可靠性和自诊断功能；节能、低功耗；机电一体化；满足某些行业的特殊要求；应用新技术、新工艺、新材料；标准化；安全性等的特点。机械手技术的研究与应用水平，反映着一个国家的经济实力和科技发展水平，国内外对发展这一技术都很重视，纷纷投入大量力量对机械手进行研究。近十几年来，欧洲的德国、意大利、法国及英国的机械手产业发展比较快。目前，世界上机械手无论是从技术水平上，还是从已装备的数量上，优势集中在以日美为代表的少数几个发达的工业化国家。我国于 1972 年开始研制工业机械手，数十家研究单位和院

19、校分别开发了固定程序、组合式、液压伺服通用机械手，并开始了机构学、计算机控制和应用技术的研究。20世纪80年代，我国机械手技术的发展得到政府的重视和支持，机械手步入了跨越式发展时期。从“七五”科技攻关及实施863计划开始，经过20多年的研制和应用，目前在工业机械手的一些机种方面，如喷漆机械手、焊接机械手、搬运机械手、装配机械手和特种机械手都有了长足的进步，基本掌握了工业机械手的设计制造技术和机械手应用中单元和生产线的设计、制造技术，有了一支具有一定技术水平的科技团队。但是，我国工业机械手在总体技术上与世界先进水平还有很大的差距，仅相当于国外90年代中期的水平。为了促进国内机械手工业的发展，必须

20、在以市场需求的前提下，国家在政策上给以指导和鼓励。目前，国内机械手的发展方向主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、2热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还可以研制示教型机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手，既便于设计制造、又便于改换工作，扩大了应用范围 。同时要提高精度，减少冲击，定位准确，以更好地发挥机3械手的作用。另外，对于高端机械手

21、，国内也进行了相关的研究，如上海交通大学机械手研究所开发了SMA六足微小型仿嶂螂机械手，在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快，一般的工业机械手技术相当成熟，预计在2005年到2008年间，全球工业机械手销量预计年均增长 6.1%，到 2008 年增至 12.1 万台。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更，如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测。13 本文主要研究内容及各章安排 工业机械手是一种以手部动作为主的机械手系统。合理的设计方案是提高机械手工作性能、优化系统结构、降低制造成本的基础；合理的机械结构

22、、可靠的驱动系统、安全便利的控制方式又是机械手工作的重要保证。文章采用模块化设计思路，将机械手分为若干个模块，并对各个模块分别进行设计，然后把这些模块拼装起来组成机械手，可满足不同工作条件的需要，对各执行元件了分别进行参数化设计。本文主要根据实验平台的总体布局以及机械手的特点，确定实验平台的总体方案，分析并解决存在的技术难题。文章第二章由机械手的功能和预期完成的的动作，确定机械手的总体结构及机械手的设计流程，并阐述模块化设计思路；第三章系统地对机械手进行了运动学和动力学分析，建立了机械手系统运动学、动力学模型和方程；第四章详细地介绍了气动伺服系统设计要求和工作原理，绘制出气动伺服系统原理图，选

23、取气动系统辅助元器件；论文第五章介绍采用可编制程序控制器(PLC)对机械手进行控制，选取西门子 S7 系列 PLC，根据机械手的工作流程画出程序流程图。最后进行了全文总结，提出了下一步的改进措施，并对该设备的发展前景进行了探讨。3第2章 机械手总体设计方案21 机械手类型 1、按机械手的使用范围分类(l)专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。(2)通用机械手具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成物件或操作某些工具的机械装置。通用机

24、械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。这种机械手由于手指可更换(或可调节)，程序可变，故适用于中、小批生产。但因其运动较多，结构较复杂，技术条件要求高，故制造成本一般也较高。2、按机械手臂部的运动坐标型式分类(1)直角坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴 X、Y、Z 三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X方向的移动)、左右移动(定位沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)。(2)圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，亦可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动

25、)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动。(3)球坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)。(4)多关节式机械手这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其大小臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。3、按机械手的驱动方式分类(l)液压驱动机械手以压力油进行驱动(2)气压驱动机械手以压缩空气进行驱动4(3)电力驱动机械手直接用电动机进行驱动(4)机械驱动机械手是将主机的动力通过

26、凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。4、按机械手的比例大小分类(l)微型机械手臂力小于1kg(2)小型机械手臂力为1-10kg(3)中型机械手臂力为10-30kg(4)大型机械手臂力大于30kg本课题采用了圆柱坐标型气压驱动机械手。对气动机械手的基本要求是能够快速准确地拾放和搬运物品，这就要求气动机械手具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件，明确工件的结构形状和材料特性，满足定位精度要求及抓取、搬运时

27、的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制 。422 机械手系统功能设计 加工中心的自动换刀装置常采用公用换刀机械手。公用换刀机械手有单臂式、双臂式、回转式和轨道式等。除上述的公用机械手换刀方式外，还有很多机械手换刀方式，如：不用机械手的直接换刀方式和刀库中每把刀配有一个机械手的换刀方式。刀库的基本类型有转塔式、链式和盘式等，如图2-1所示。链式刀库的特点是存刀较多、扩展性好、在加工中心上配置位置灵活，但结构复杂。盘式和转塔式刀库的特点是构造简单、适当选择刀库位置还可省略换刀机械

28、手，但刀库容量有限。根据用途，加工中心刀库的存刀量可为几把到数百把，最常见的是2080把。转塔式5链式盘式图2-1 加工中心刀库的基本类型加工中心换刀时需从刀库中选择指定的刀具，主轴头也必须回到换刀位置。从刀库中挑选所需刀具的方法有顺序选择法、刀座编码法、刀具编码法和刀具刀座跟踪记忆法。其中，刀具刀座跟踪记忆法在加工设备内使用最为方便，刀具编码法适合于FMS刀具的集中管理，所以在FMS中常将这两种方式混合使用。加工中心的换刀时间有两种定量方法：刀对刀换刀时间(主轴和刀库刀座都回到换刀点后交换刀具所需的时间)和加工对加工换刀时间(从上一把刀加工结束到刀具交换点后下一把刀进入加工所需的时间)。通常

29、加工中心的技术参数中给出的换刀时间是刀对刀换刀时间(或称净换刀时间)，目前最快为0.45s，一般为5s左右。换刀时间取决于换刀机构(如机械式快于机-液(气)式)、刀柄规格(如小规格刀柄换刀速度快)、刀具重量(如刀具轻换刀速度快)、机床规格、机械手尺寸和惯量等。因此，通常刀柄号越大，换刀速度越低 56。加工中心对自动换刀装置有如下具体要求1、刀库容量适当2、换刀时间短3、换刀空间小4、动作可靠、使用稳定5、刀具重复定位精度高6、刀具识别准确依据上述内容，可确定实验平台基本方案。刀库选用结构较简单的盘式刀库，容量为12把刀。以公用换刀机械手的方式，每次换刀机械手需旋转90 ，一个完整的刀。6对刀换

30、刀时间为5秒左右。机械手挑选指定刀具采用较为简单的刀座编码法。23 机械手的坐标形式与自由度 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标形式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和多关节坐标式，不同坐标结构机械手(机械手)的特点如下一、直角坐标系1在三个直线方向上移动，运动容易想象2计算比较方便3由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大4要求保留较大的移动空间，占用空间较大5要求有较大的平面安装区域6滑动部件表面的密封较困难，容易被污染二、圆柱坐标系1容易想象和计算2直线驱动部分若采用液压驱动，则可输出较大的动力3能够伸入型腔式机器内部4手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立

31、柱或地面的空间5直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀性物质6后缩手臂工作时，手臂后端会碰到工作范围内的其他物体三、 极坐标系1在中心支架附近的工作范围较大2两个转动驱动装置容易密封3覆盖工作空间较大4坐标系较复杂，较难想象和控制5直线驱动装置仍存在密封问题6存在工作死区四、多关节坐标系1动作较灵活，工作空间大2关节驱动处容易密封防尘73工作条件要求低，可在水下等环境中工作4适合于电动机驱动5运动难以想象和控制，计算量较大6不适于液压驱动机械手的运动可以分为主运动和辅助运动。手臂和立柱的运动称为主运动，因为他们能改变被抓取工件在空间的位置；手腕和手指的运动称为辅助运动，因为手腕的运动能改变被抓取

32、工件的方位(即姿态)。而手指的夹放不能改变工件的位置和方位，故它不计为自由度数，其它运动均记为自由度数 78。由于本机械手在换刀时手臂具有升降、伸缩及回转运动，因此采用圆柱坐标形式，相应的，机械手具有三个自由度。另外，机械手将刀具从刀库中提出后需要提升一小段距离，为了弥补立柱升降运动行程较大并带动手臂伸缩机构一起运动，造成较大振动的缺陷，增加手臂短行程升降机构，即增加了一个手臂升降的自由度。由于被抓取工件(刀具)是竖直抓取，然后竖直放置，搬运过程中无需改变工件的姿态，因此可以省略手腕模块。因此，机械手总共具有四个自由。图2-2所示为机械手的运动示意图。图2-2 机械手的运动示意图如遇到需抓取水

33、平放置的工件时，要在手腕处设有回转运动才可满足工作的需8要。考虑到机械手的通用性，可以增加手腕模块，将手腕设计成回转结构，实现手腕回转的机构选用回转气缸。为了区分两个升降部分，本文将左边行程较大的升降部分称作立柱，右边行程较小的升降部分称作小臂。24 机械手工作过程及工步时间分配 1、确定完成动作及顺序图2-3 换刀机械手布局示意图要确定换刀机械手的工作过程首先要了解各装备的布局及机械手需要完成的动作。换刀机械手的布局示意图如图2-3所示。图中换刀机械手的初始位置是手部正对盘式刀库，与刀架成90 夹角，水平机构和垂直机构均设在极限位置。采用刀座编码。法选择好要使用的刀具时，盘式刀库转动相应的角

34、度，使被选择的刀具转到正对换刀机械手下方的位置。换刀机械手为把刀库上的被选择刀具送到刀架上，需要以下几个动作(1)水平伸出机械手水平机构伸出70mm，到达刀库正上方。(2)竖直下降小臂升降机构下行30mm，使手部夹持机构到达与刀柄水平的位置。(3)夹紧手臂机构迅速夹紧刀柄。(4)竖直上升待刀柄被夹紧后，小臂升降机构上行30mm，将刀具提出刀库。(5)水平收缩水平机构快速收缩70mm，整个机构回到初始位置。(6)摆动机械手逆时针摆动90 。 ，使机械手正对刀架。9(7)竖直下降、松开小臂升降机构下行30mm，将刀具放在刀架上，同时手部机构松开工件。(8)竖直上升小臂升降机构上行30mm，回到原始

35、极限位置。(9)摆动机械手顺时针摆动90 ，回到初始位置。以上是机械手换刀动作。当换刀动作完成后，刀架的推爪将放在刀架上的刀具推到刀架的另一端。至此，整个机构的一个完整动作就完成了。2、工步时间分配前面已经确定了机械手的完整刀对刀换刀时间为5s，根据上述换刀机械手的动作以及各自的行程，对时间进行分配，如表2-1所示：表2-1机械手运动过程与时间分配工序号 工步名称 行程(mm) 预分配时间(s)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)水平伸出竖直下降夹紧70300.50.3O30.30.5l竖直上升水平收缩摆动(逆时针)竖直下降松开307090。30 0.30.3(8)(9)竖直上升摆动(顺

36、时针)30 0.3l90。总计 4.525 机械手的基本参数 l、主参数 最大抓重是机械手的主参数。由于该机械手的设计用途为学校的实验平台，所以抓重无需太大，可设定为100克。2、其他参数 运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围，而影响机械手动作快慢的主要因素是手10臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为1.2m/s，最大回转速度设计为120。 /s。机械手动作时有启动、停止，故有加速度、减速度的存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面。因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂

37、设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为70mm，最大工作半径约为180mm。手臂回转行程范围定为90 。手臂升降行程定为100mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为0.5lmm。根据上述的表2-1机械手各关节的行程和时间分配，确定换刀机械手各部分的基本参数如表2-2所示表2-2 机械手各关节基本参数伸缩范围 070mm500mm/s500mm/slmm升降范围 O30mm150mm/s1

38、50mm/slmm水平 速机构 度伸出* 垂直机构速度上升*收缩* 下降*定位精度 定位精度摆动角度摆动速度定位精度O90。摆动机构 100。 /s 手部 50mm抓取范围5注释：“*”表示运动速度可调26 模块化设计 近几十年来，产品更新速度越来越快，加之市场竞争日益激烈，许多企业被迫走上了多品种，中小批量的生产方式。因此，传统的设计思想和制造方式已无法适应现代化社会多样化、快节奏的新要求。为适应这一转变，各种新思想、新方法，例如成11组技术、计算机辅助技术等应运而生，模块化思想也是其中之一 。9模块化是用来描述公共单元的使用，以便实现产品的的各种变型，它的主要目标就是确定独立的、标准化的或

39、可改变的单元来满足功能变化的要求。模块化研究的理论基础来自于麻省理工学院(MIT)的Suh教授提出的公理化设计理论(AxiomaticDgign Theory，ADT)。其中，ADT公理l独立公理(Axiom of independence)：保持功能的独立性，即每个功能可以被满足而不用影响其它的功能。 因此，在可能的情况10下，产品完成的每一个功能都应独立于产品完成的所有其他功能。这个公理就要求寻找物理结构独立性与功能独立性之间的统一。261 模块划分的一般原则要建立模块库，首先必须要将产品划分成若干模块，划分的一般原则为 11(1)尽量减少产品包含的模块总数，简化模块自身的复杂程度，以免模

40、块组合时产生混乱(2)以有限的模块数来获得尽可能多的实用组合方案，以满足用户的需要(3)划分中应使模块具有一定的功能独立性和结构完整性(4)要充分注意模块间的结合要素，以便于结合和分离(5)要考虑模块的划分对产品的精度、刚度带来的影响(6)模块单元的划分必须考虑经济因素等262 模块设计的方法模块设计的方法有很多，比较成熟的方法是基于功能结构的模块设计方法。这种方法首先是对产品进行功能分析。功能是系统必须完成的任务，也可以说是系统的用途 12。它是系统的输入与输出之间的总关系，各种系统都有一定的功能，功能基本上分为两类：一种是必要功能，它包括用户要求的基本功能，这在设计时是不能改变的；另一种是

41、非必要功能，它不是根据用户的要求而是设计者主观加上去的功能。功能分析就是根据一定的逻辑关系把对象系统各组成部分的功能相互联系起来，从局部功能与整体功能的相互关系上研究对象系统的功能的一种方法。对于一个系统，既存在一个构造体系，也存在一个功能体系，而功能体系是更本质的东西。在系统的许多功能中存在着上下关系和并行关系，所谓功能的上下关系是指在功能体系中，某些功能之间存在目的与手段的关系，目的功能称为上位功能，手段功能称为下位功能。上位功能与下位功能都是相对的，一个功能对它的上位功能来12说是手段，对它的下位功能来说是目的。功能的并列关系是指比较复杂的功能体系中，上位功能之后往往有几个并列的功能存在

42、，这些并列的功能有可能各自成为子体系，构成一个功能范围。通过这些关系可以得到功能结构图，如图2-4所示(F代表一级功0能，F，F，F代表二级功能，F ，F ，F ，F ，F ，F ,F 代表三级功能)。221 2 3 11 12 21 23 n1 n2图2-4 功能结构图263 模块式机械手及组成模块式机械手是将一些通用部件，根据作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以基座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。通过模块选择与组合，以构成一定范围内的不同功能或同功能不同性能、不同规格的系列产品，并且在产品变化或临时对机械手进行新任务分配时，可以允许方便

43、地改动或重新设计其新部件，能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。各模块划分如图2-5所示。13图2-5 气动机械手各模块组成气动通用机械手按其功能分析可分为基座、立柱、手臂、小臂、手腕和手部模块。其中手臂模块和手部模块是该机械手的基本模块，可以细分为不同功能的局部模块。立柱模块和手腕模块为可选模块，如机械手不需要实现手臂的升降功能则可省略立柱模块。各部分连接件和关节具备一定的互换性和继承性，夹持式和吸附式手部模块可以根据需要互换，根据各种实际情况需要还可以增加或减少功能模块。27 机械手的总体方案设计 271 机械手的结构设计方案根据模块化设计思想，机械手的各模块化机构分别为：立柱、手臂、小

44、臂、手腕和手爪几个部分。如前所述，本机械手采用圆柱坐标形式，共有四个自由度。根据工作需要，本机械手只需要立柱、手臂、小臂和手爪几个模块构成。气动机械手的结构示意图如图2-6所示。14图2-6 气动机械手结构简图A-手臂摆动气缸 B-升降气缸 C-伸缩气缸 D-小臂 E-气爪1-基座 2-手臂关节 3-手腕关节 4-导向装置 5-定位挡块272 机械手的驱动方案通常，工业机械手的驱动方式可分为液压驱动、气压驱动和电力驱动三种基本类型。各种驱动方式的基本特点如下一、液压驱动(1)驱动力或驱动力矩大，即功率重量比大，响应速度快，重复精度高，压力可达2030MPa。(2)液压缸可直接用作机械手关节的一部分，实现直线驱动，结构简单紧凑。(3)速度调节方便易控，可实现平稳的无级调速和换向，容易实现自动化。(4)液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。但液压驱动需配置液压系统，易产生泄露而影响运动精度。系统易发热，出现故障后较难找出原因。二、气压驱动(1)气源方便，气源系统简单、清洁无污染。(2)压缩空气在管路中流速可达100m/s(液压油流速只有5m/s)，所以动作速度快。15(3)与液压相比，气压工作压力低，通常为0.4-0.6MPa。气动系统体积大，由于空气可压缩，因而运动平稳差，工作时噪声大，位置精度低。一般用于中小负荷机械手。三、电力驱动电力驱动可分为普通交流