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機(jī)械與裝備工程學(xué)院 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （2016/2017學(xué)年第 1學(xué)期） 課程名稱(chēng) ： 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 題 目 ： 搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)班級(jí) ： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號(hào)： 130200216 指導(dǎo)教師 ： 設(shè)計(jì)周數(shù) ： 2周 設(shè)計(jì)成績(jī) ： 2016年 12月 31日 目錄 第一章 緒論 1 1.1 機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀 1 1.2 機(jī)械手研究的目的、意義 1 1.3 設(shè)計(jì)時(shí)要解決的幾個(gè)問(wèn)題 1 第二章 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì) 3 2.1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成 3 2.2 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)及工作流程 3 第三章 機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)及其主要參數(shù) 5 3.1 坐標(biāo)形式和自由度選擇 5 3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 5 3.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 6 3.4 控制系統(tǒng) 7 第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化 8 4.1手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 8 4.1.1手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 8 4.1.2 確定氣缸直徑 9 4.1.3 氣缸作用力的計(jì)算及校核 9 4.1.4 缸筒壁厚的設(shè)計(jì) 10 4.1.5 氣缸的基本組成部分及工作原理 10 4.2手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 10 4.2.1問(wèn)題描述 10 4.2.2設(shè)計(jì)分析 10 4.2.3建立數(shù)學(xué)模型 12 4.2.4優(yōu)化計(jì)算 13 4.2.5優(yōu)化結(jié)果分析 16 第五章 Adams運(yùn)動(dòng)仿真 17 總結(jié)與展望 20 摘 要 機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用，隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展以及氣動(dòng)技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。 本設(shè)計(jì)中的搬運(yùn)機(jī)械手的動(dòng)作由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)缸由相應(yīng)的電磁閥來(lái)控制，電磁閥由PLC控制。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)中。 本文中對(duì)機(jī)械手臂運(yùn)用MATLAB算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，它使得優(yōu)化過(guò)程變得非常簡(jiǎn)單、容易理解和掌握，從而避免編寫(xiě)各種復(fù)雜的運(yùn)算程序，提高了設(shè)計(jì)效率。 用 ADAMS 軟件建立虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真并優(yōu)化參數(shù)，得出了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的演示動(dòng)畫(huà)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能有機(jī)地結(jié)合在一起，工作平穩(wěn)，并在指定的速度和負(fù)載等參數(shù)下得出了所需要的驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)參數(shù)等。虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估，可以降低設(shè)計(jì)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，而且設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率都可以得到提高。 關(guān)鍵詞:機(jī)械手，氣動(dòng) ，優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真 第一章 緒論 1.1 機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀 工業(yè)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車(chē)制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車(chē)制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動(dòng)搬運(yùn)小車(chē)與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。 1.2 機(jī)械手研究的目的、意義 （1）以提高生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度 應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 （2）以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。 在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 （3）可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線(xiàn)上，目前幾乎都沒(méi)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。 1.3 設(shè)計(jì)時(shí)要解決的幾個(gè)問(wèn)題 （1）具有足夠的握力(夾緊力) 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 （2）手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角 兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)閉幅度的要求。 （3）保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。 （4）具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 （5）考慮被抓取對(duì)象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型。 第二章 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成 控制系統(tǒng)（PLC） 位置檢測(cè)裝置 手臂 手部 立柱 被抓取物品 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （氣壓傳動(dòng)） 圖2.1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動(dòng)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。位置檢測(cè)裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。 2.2 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)及工作流程 機(jī)械手是一個(gè)水平、垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，用來(lái)將工件由左工作臺(tái)搬到右工作臺(tái)。有上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制。簡(jiǎn)易機(jī)械手在各類(lèi)全自動(dòng)和半自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上應(yīng)用得十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動(dòng)，替代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的動(dòng)作由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)缸由相應(yīng)的電磁閥來(lái)控制，電磁閥由PLC 控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)中。 根據(jù)要求：機(jī)械手初始位置在原點(diǎn)位置，每次循環(huán)動(dòng)作都從原點(diǎn)位置開(kāi)始，完成上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作方式。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)位置下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，左傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到物品后，左傳送帶停止運(yùn)行。根據(jù)分析可得出機(jī)械手的工作流程圖，如圖2.2所示 原位 下降 夾緊 上升 右移 停止 左移 上升 松開(kāi) 下降 啟動(dòng) 右限 下限 延時(shí) 上限 左限 圖2.2 機(jī)械手工作流程圖 第三章 機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)及其主要參數(shù) 3.1 坐標(biāo)形式和自由度選擇 直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型 球坐標(biāo)型 關(guān)節(jié)型 具有三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)（PPP） 具有兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（PPR），受部的坐標(biāo)為（z，r，θ） 具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)（RRP） 具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（RRR） 由于其運(yùn)動(dòng)方程可獨(dú)立處理，且為線(xiàn)性的，具有定位精度高， 控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但操作靈活性較差，運(yùn)動(dòng)速度低的特點(diǎn) 這種操作機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是所占的空間尺寸較小，相對(duì)工作范圍較大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，手部可獲得較高的速度。而缺點(diǎn)是手部外伸離中心軸愈遠(yuǎn)，其切向線(xiàn)位移分辨精度愈低。 通常用于搬運(yùn)機(jī)器 人。 優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間尺寸小，但目前應(yīng)用較少。 具有結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積少，相對(duì)工作空間大等特點(diǎn)，用于復(fù)雜設(shè)備當(dāng)中。 圖3.1 本機(jī)械手采用圓柱座標(biāo)型式，具有三個(gè)自由度，即腰關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；還有一個(gè)用于夾持物料的機(jī)械手。 3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1、手部 在本設(shè)計(jì)中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指運(yùn)動(dòng)形式采用平移型手指，其夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)采用帶有一定中心距的“V”形面的手指。 2、手臂 手臂是支承被抓物件、手部的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。 3、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱(chēng)為可移式立柱。 4、機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 3.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大、 力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 具有速度快， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。 適用于中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)器人中，如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量采用。這類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高。 圖3.3 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 氣壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)： （１）能量?jī)?chǔ)蓄簡(jiǎn)單易行，可以獲得短時(shí)間的高速動(dòng)作： （２）夾緊時(shí)無(wú)能量消耗，不發(fā)熱； （３）柔軟，安全性高； （４）體積小，重量輕，輸出質(zhì)量比高； （５）處理簡(jiǎn)便，成本低川。 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)具有以上所述優(yōu)點(diǎn)，所以本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。 3.4 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 相對(duì)于其他控制系統(tǒng)，PLC具有如下優(yōu)點(diǎn)： （１）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高； （２）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)； （３）編程方便，使用簡(jiǎn)易； （４）功能完善； （５）設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試的周期短； （６）體積小，維護(hù)操作方便同。 第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化 4.1手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 4.1.1手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 夾緊氣缸的夾緊、驅(qū)動(dòng)力的確定，工件重5kg。(g=9.8N/kg) （1）夾緊力： F夾= （4.1.1） （其中 θ=45，G=49N，f =0.1） F夾==174（N） （2）驅(qū)動(dòng)力 F驅(qū) = （4.1.2） （其中 b=50，c=30 ，α=23） 故F驅(qū)==250（N） F實(shí)際≥ （4.1.3） 其中 K1：安全系數(shù)，一般取1.2～2 取K1=1.5； K2：工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計(jì)， K2=1+式中a為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度， a= v：升降速度0.2m/s，t：機(jī)械手達(dá)到最高速度的響應(yīng)時(shí)間為0.1s， g為重力加速度 g=9.8m/s2。 那么：K2=1+=1.204； η：手部機(jī)械效率，一般取0.85～0.95 取η=0.85（滾動(dòng)摩擦）； F實(shí)際==531（N） 4.1.2 確定氣缸直徑 取空氣壓力為P空氣 = 0.5 MPa = 5105Pa， D= （4.1.4） D==0.0368(m)=36.8(mm) 圓整氣缸直徑D=40mm 4.1.3 氣缸作用力的計(jì)算及校核 F氣缸= （4.1.5） F氣缸==628(N) 因?yàn)?F氣缸＞F實(shí)際 ， 所以 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 由d/D=O.2～0.3， 可得活塞桿直徑:d=(0.2～0.3)D=8～12 mm 圓整后，取活塞桿直徑d=12 mm 校核，按公式 ≤[σ] （4.1.6） 其中 [σ]=120MPa, F實(shí)際=531N 則:d ≥ (4531/π120) 1/2 =2.37mm ≤12mm 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 4.1.4 缸筒壁厚的設(shè)計(jì) 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: δ=DPP/2[σ] （4.1.7） 式中: δ—— 缸筒壁厚 mm D ——?dú)飧變?nèi)徑 ，40mm PP——實(shí)驗(yàn)壓力，取PP=1.2P=6105Pa 材料為 : ZL3,[σ] =3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: δ=DPP/2[σ] =406105/23106 =4 mm 取δ=4 mm，則缸筒外徑為:D=40+42 =48 mm。 于是選擇SC-4050型的夾緊氣缸。 4.1.5 氣缸的基本組成部分及工作原理 氣動(dòng)手爪的開(kāi)閉是通過(guò)由氣缸活塞產(chǎn)生的往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手爪相連的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)各個(gè)手爪同步做開(kāi)、閉運(yùn)動(dòng)。 4.2手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 4.2.1問(wèn)題描述 機(jī)械手臂作為機(jī)器人的一個(gè)重要組成部分，一直是機(jī)器人科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常是一多解問(wèn)題。目前，還未形成完備的設(shè)計(jì)方案。這里針對(duì)具體實(shí)例，運(yùn)用目前較為流行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算來(lái)調(diào)整截面尺寸和手臂長(zhǎng)度，使其在滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和尺寸要求的前提下，得到最優(yōu)尺寸和最小質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 4.2.2設(shè)計(jì)分析 手臂運(yùn)動(dòng)由提升重物的豎直運(yùn)動(dòng)與帶動(dòng)重物旋轉(zhuǎn)的水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。手臂自重相對(duì)于重物來(lái)說(shuō)，對(duì)手臂強(qiáng)度計(jì)算的影響較小，可不作考略，故設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮重物G的作用。手臂受力如圖4.2.1所示。 圖4.2.1機(jī)械手臂受力圖 （1）抗拉強(qiáng)度條件 如圖4.2.1所示，手臂N點(diǎn)處受到最大拉應(yīng)力?max，?max是由彎矩M產(chǎn)生的拉應(yīng)力?1與向心力F產(chǎn)生的應(yīng)力?2組成。其中?1=式中，Wz為抗彎截面系數(shù)，僅與截面形狀、尺寸有關(guān)。 對(duì)于外徑為D，內(nèi)徑為d的圓環(huán)截面有： Wz=[1-()4] （4.2.1） M=GL （4.2.2） ?2=式中，A為手臂橫截面積（m2）， A=[()2-()2]=(2DT-T2) （4.2.3） F=L （4.2.4） 據(jù)抗拉強(qiáng)度條件有： =+≤[] （4.2.5） 將式（4.2.1）（4.2.2）（4.2.3）（4.2.4）及已知數(shù)據(jù)代入式（4.2.5），取g=10m/s2（下同），計(jì)算整理得： 120D3-970D2+34D-6.4LD≥0 （2）抗剪強(qiáng)度條件 手臂N點(diǎn)處所受剪應(yīng)力最大。因圓環(huán)截面壁厚T遠(yuǎn)小于外徑D，故最大剪應(yīng)力為： =2 （4.2.6） 據(jù)抗剪強(qiáng)度條件有； =2≤[] （4.2.7） 將己知數(shù)據(jù)代入式 計(jì)算整理得： D≥0.2（cm） （3）剛度條件 如圖4.2.1所示，受力分析得，M點(diǎn)處撓度最大。據(jù)剛度條件 =≤[]= （4.2.8） 式中，E為材料的彈性模量(GPa)；I為截面慣性矩(cm4)， I=(D4-d4) （4.2.9） 將式(4.2.8)及己知數(shù)據(jù)代入式（4.2.9）計(jì)算整理得： 30D3-18D2 -0. 64L2≥0 （4）結(jié)構(gòu)尺寸限制 D>>2T L≥40(cm) 4.2.3建立數(shù)學(xué)模型 優(yōu)化設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)是機(jī)械手臂的質(zhì)量m2最小。m2的計(jì)算表達(dá)式為： m2（x）=M（）= =0.005LD-0.001L (4.2.10) 式中，設(shè)計(jì)變量 由第二步設(shè)計(jì)分析計(jì)算得D的值約3.5cm， 故式（4.2.10）可簡(jiǎn)化為： m2（x）=0.0046LD 顯然，L、D越小，m2值越小。據(jù)此，可寫(xiě)出優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型[1]： min m2( x) =0. 0046 LD x=[L,D]T s.t. 120D3 -97D2 + 34D- 6.4LD≥0 D≥0.2（cm） 30D3 - 18D2 -0. 64L2≥0 D>>T L≥40（cm） 此數(shù)學(xué)模型是一個(gè)單目標(biāo)非線(xiàn)性二維約束優(yōu)化問(wèn)題。 4.2.4優(yōu)化計(jì)算 我們將用于求解優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的方法或?qū)?yōu)的方法稱(chēng)為優(yōu)化計(jì)算方法。對(duì)于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，求解常常需要經(jīng)過(guò)多步迭代，最終收斂得到最優(yōu)解[1]。這里運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的理論，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，利用MATLAB6.5軟件進(jìn)行輔助優(yōu)化計(jì)算與設(shè)計(jì)，以求得機(jī)械手臂的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)[2][3][4]。 （1）函數(shù)的性態(tài)分析 應(yīng)用MATLAB6.5編程： [x, y] =meshgrid(linspace{0, 6, 30), linspace(0, 50, 30)); %根據(jù)函數(shù)的定義劃分網(wǎng)格區(qū)域 M=0.0046＊y＊x; %目標(biāo)函數(shù) mesh(x,y,M); %通過(guò)三維網(wǎng)格模擬目標(biāo)函數(shù)圖形 在MATLAB6.5下運(yùn)行程序可畫(huà)出目標(biāo)函數(shù)的三維圖形，如圖4.2.2所示： 圖4.2.2 目標(biāo)函數(shù)的圖像 Fig. 2 The function diagram of M=.0. 0046LD 0≦x≦10，0≦y≦50 同樣，通過(guò)編程，MATLAB6.5可繪出各約束函數(shù)的圖形。程序如下： ezplot(‘120 ＊ x^3 -97 ＊ x^2 + 34 ＊ x-6.4 ＊ y ＊ X’，[0,10,0,50]) %抗拉強(qiáng)度條件的圖形， hold on y =0：0. 1： 50； X=.0. 2； plot(x，y，‘k’） %抗剪強(qiáng)度條件的圖形， ‘k’指圖形顏色為黑色 hold on ezplot(‘30＊x^3 -18＊x^2-0.64＊y^2’，[0, 10, 0, 50]) %剛度條件的圖形 hold on y =0： 0. 1： 50； x = 0. 4； plot(x, y, ‘k’） %截面尺寸邊界條件圖形 hold on x = 0：0. 1:：10； y = 40； plot(x, y, ‘m’） %長(zhǎng)度尺寸邊界條件圖形， ‘m’指圖形顏色為紫紅色 hold on title(‘各個(gè)約束函數(shù)圖像’） %標(biāo)注圖形名稱(chēng) text(4,45, ‘可行域’） %注明’可行域’區(qū)域 hold off 運(yùn)行程序繪出約束函數(shù)的圖形，如3所示： 圖4.2.3 設(shè)計(jì)變量的可行域 Fig. 3 Feasible region of variable design 由圖2可以看出：目標(biāo)函數(shù)的圖像規(guī)則，即性態(tài)好，對(duì)于多數(shù)優(yōu)化方法均適用。對(duì)圖3可行域分析可知，實(shí)際起約束作用有： 1　 剛度條件：30D3-18D2-0.64L2≥0 2　 結(jié)構(gòu)尺寸限制條件：L-40≥0 所以，計(jì)算時(shí)只須考慮這兩個(gè)條件。這樣就大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。 （2）應(yīng)用MATLAB軟件求解 1　 編與目標(biāo)函數(shù)的m文件:objfun. m,返回x處的函數(shù)值f。 function f =Objfun(x) f=0.0046＊x(1) ＊x(2); 2　 因設(shè)計(jì)約束含非線(xiàn)性約束，故需編寫(xiě)一個(gè)描述非線(xiàn)性 約束的m文件： NonLinConstr. m function [c, ceq] =NonLinConstr(x) c= -30＊x(1)^3 + 18＊x(1)^2 + 0. 64＊x(2)^2； ceq =[]； 3　 給定變量的初值，并調(diào)用優(yōu)化函數(shù)： x0= [4 40]’； A=[0 -1]； b= [ -40]； lb = zeros(1, 1); %賦 0 語(yǔ)句 options = optimset(‘Display’，‘iter’，‘LargeScale’，‘off’ )； [x, fval, exitflag, output] = fmincon( ‘Objfun’, x0,A, b, [ ], [ ], lb, [ ], ‘NonLinConstr’,options) 4　 計(jì)算結(jié)果： X= 3.8160 %最后的優(yōu)化結(jié)果 40. 0000 %D .3. 8160cm, L = 40cm fval = %優(yōu)化后的最小質(zhì)量 0. 7021 % m2min = 0. 7021kg exitflag = %算法退出處條件 1 outplot = Iterations：2 %函數(shù)調(diào)用次數(shù) funcCount：11 %函數(shù)賦值次數(shù) Stepsize：1 %步長(zhǎng) Algorithm：‘medium - scale: SQP, Quasi - Newton, line - search’ %算法 firstorderopt: 0. 1840 %第一優(yōu)化命令的長(zhǎng)度 cgiterations: [ ] 經(jīng)11次迭代計(jì)算后，求得最優(yōu)方案為： D = 3.8160cm[2], L = 40cm[3], m2=0.7021kg[4]。 4.2.5優(yōu)化結(jié)果分析 對(duì)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)受力進(jìn)行分析，求得滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)尺寸的方程，并建立了優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上編制程序求得手臂的最小質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是運(yùn)用MATLAB算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，它使得優(yōu)化過(guò)程變得非常簡(jiǎn)單、容易理解和掌握，從而避免編寫(xiě)各種復(fù)雜的運(yùn)算程序，提高了設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)值與所求近似值很接近，說(shuō)明其具有相當(dāng)?shù)目尚哦?，并且?yōu)化結(jié)果可以明顯降低加工成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 第五章 Adams運(yùn)動(dòng)仿真 1. 建模 如圖5.1 圖5.1 機(jī)械手模型 2. 添加約束 在立柱上，大臂與小臂之間，小臂與手爪之間分別添加轉(zhuǎn)動(dòng)副。 3. 添加驅(qū)動(dòng) 分別在三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加角速度為30度/秒的驅(qū)動(dòng)。 4. 設(shè)置運(yùn)動(dòng)函數(shù)（motion） 立柱：STEP( time , 0 , 0d , 24 , 120d )+STEP( time , 48 , 0d , 72 , -120d ) 機(jī)械臂：STEP( time , 24 , 0d , 33 , 45d )+STEP( time , 39 , 0d , 48 , -45d ) 手爪1：STEP( time , 33 , 0d , 36 , 15d )+STEP( time , 36 , 15d , 39 , 0d ) 手爪2：STEP( time , 33 , 0d , 36 , -15d )+STEP( time , 36 , -15d , 39 , 0d ) 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程：立柱向左（右）旋轉(zhuǎn)120度——大臂向下轉(zhuǎn)動(dòng)45度——手爪開(kāi)、合（夾持物體）——大臂向上轉(zhuǎn)動(dòng)45度——立柱向右（左）旋轉(zhuǎn)120度（回到原位）。 5. 生成曲線(xiàn)（Measure） 在仿真結(jié)束后，進(jìn)行測(cè)量輸出。ADAMS的測(cè)量功能非常廣泛，不僅可以在仿真分析過(guò)程中跟蹤繪制感興趣的變量，以便跟蹤了解仿真分析過(guò)程，同時(shí)還可以在仿真分析結(jié)束后繪制有關(guān)變量的變化線(xiàn)。在這里我們測(cè)量手爪隨時(shí)間的角速度變化，得圖5.2和圖5.3所示曲線(xiàn)圖。圖5.2和圖5.3中可以清楚地看到機(jī)械手爪全部位移運(yùn)動(dòng)大部分集中在33-39s內(nèi)，也就是說(shuō)，腰關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)已經(jīng)基本達(dá)到所需位置。 圖5.2 手爪x 方向角速度 圖5.3 手爪z方向角速度 圖5.4 機(jī)械臂x方向受的驅(qū)動(dòng)力 圖5.5 機(jī)械臂z方向受的驅(qū)動(dòng)力 由上面的圖5.2，圖5.3，圖5.4，圖5.5可以看出，角速度相對(duì)于力矩來(lái)說(shuō)是極小的，可以認(rèn)為是不變的。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 改變各個(gè)構(gòu)件的各個(gè)尺寸，各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可以得到不同條件下不同點(diǎn)的位移，速度，加速度曲線(xiàn)，以及力矩，角速度和角加速度之間的關(guān)系?？梢钥闯?，用Adams進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可以得到足夠的精度，能夠快速有效地輔助設(shè)計(jì)工作的完成。  總結(jié)與展望 1、本次設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)自動(dòng)上下料機(jī)械手，相對(duì)于專(zhuān)用機(jī)械手，此機(jī)械手可用于各種生產(chǎn)中機(jī)械上下料，可配合不同的機(jī)械共同運(yùn)作，適用面較廣。 2、采用氣壓傳動(dòng)，動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)成本低廉。 3、手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用MATLAB算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，它使得優(yōu)化過(guò)程變得非常簡(jiǎn)單、容易理解和掌握，從而避免編寫(xiě)各種復(fù)雜的運(yùn)算程序，提高了設(shè)計(jì)效率。對(duì)目前的機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了創(chuàng)新，為今后的設(shè)計(jì)提供了新的思路。 4、機(jī)械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是進(jìn)行時(shí)間控制還是行程控制或混合控制，都可通過(guò)設(shè)定PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作順序修改程序，使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。 5、機(jī)械手高效的工作效率，準(zhǔn)確的定位精度，以及極簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)及控制方式是人手不能代替的，機(jī)械手的使用也越來(lái)越廣泛。 當(dāng)然本機(jī)械手還有很多不足。比如可采用三平動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)的空間四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過(guò)動(dòng)平臺(tái)拆分，引入末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，不僅可以實(shí)現(xiàn)物料的快速搬運(yùn)、裝箱等功能，同時(shí)通過(guò)末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度可以實(shí)現(xiàn)物料的順序擺放動(dòng)作，克服了類(lèi)似機(jī)構(gòu)存在的缺陷。動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)創(chuàng)新采用分開(kāi)式方案，通過(guò)末端上下平臺(tái)在豎直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)利用螺母絲杠結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)末端手爪的轉(zhuǎn)動(dòng)。在該部分的設(shè)計(jì)中，同時(shí)創(chuàng)新引入雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，有效地減輕高速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)于絲杠和螺母的摩擦，延長(zhǎng)了機(jī)械結(jié)構(gòu)使用壽命。同時(shí)，創(chuàng)新采用在工作空間全域內(nèi)單軸驅(qū)動(dòng)力矩最小的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化條件，完成機(jī)構(gòu)參數(shù)的匹配優(yōu)化，有效提升機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能。 主要參考文獻(xiàn) [1]蔣少茵.機(jī)械手模型與設(shè)計(jì)[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1998,(04). 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