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機(jī)械手的給定工作區(qū)內(nèi)的一種 6 自由度并聯(lián)關(guān)鍵點(diǎn)三維設(shè)計(jì)方法
摘要：本文提出了在給定工作區(qū)內(nèi)一種6自由度的新三維設(shè)計(jì)新方法 。許多關(guān)鍵特性已經(jīng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析和拉格朗日乘數(shù)法。此外，在整個機(jī)械手的直接幾何關(guān)系中導(dǎo)出了參數(shù)。提出了設(shè)計(jì)方法，關(guān)于這些關(guān)鍵點(diǎn)特性具有很高的效率和準(zhǔn)確性。此外，避免了復(fù)雜機(jī)械手的工作空間和無量綱化推導(dǎo)分析從而可能讓這種方法的廣泛應(yīng)用。
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1 .導(dǎo)言
對并聯(lián)機(jī)器人的關(guān)注主要是發(fā)現(xiàn)他們有更好的承載能力，更好的剛度，和比串聯(lián)機(jī)器人更好的精度[1-4]。因此并聯(lián)機(jī)器人的研究已成為一個熱門的國際機(jī)器人研究領(lǐng)域?[5-9]。并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程是機(jī)械產(chǎn)品中最具有挑戰(zhàn)性的問題。設(shè)計(jì)機(jī)器人[10-12]的配置，機(jī)械臂的幾何參數(shù)應(yīng)由三維設(shè)計(jì)決定。引用?[13，14]?中提出的參數(shù)設(shè)計(jì)方法分別用于6 自由度歌賦型機(jī)器人和3自由度并聯(lián)機(jī)器人。
一般來說，最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是讓機(jī)器人在給定工作區(qū)工作。到目前為止，有主要有兩種方法，根據(jù)給定的工作區(qū)的并聯(lián)機(jī)器人的幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。第一次使用多點(diǎn)來描述給定工作區(qū)，然后檢查機(jī)械手的每個點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求是否符合參數(shù)[15-17]，與另一個邊界的機(jī)械手之間建立參數(shù)和工作區(qū)中的函數(shù)，然后確保給定工作區(qū)是機(jī)械手的工作空間邊界內(nèi)[18-22]?；谖覀冊谶@項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)的幾個關(guān)鍵問題，本文試圖探索給定的工作區(qū)6自由度并聯(lián)機(jī)器人新的三維設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法是快速的，它的結(jié)果是準(zhǔn)確的。
在我們以前的工作中，這種新型的6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)中用到了?3-3'-PSS?配置。
與傳統(tǒng)?6-SPS?并聯(lián)機(jī)器人相比這?3-3'-PSS?并聯(lián)的機(jī)械臂性能允許更高的各向同性的、更大的旋轉(zhuǎn)范圍移動平臺，減少了身體慣性。
若要開始設(shè)計(jì)，應(yīng)清楚的描述所需的工作區(qū)。因?yàn)椴荒芤詧D形方式表示?6 維工作區(qū)，以人類可讀的方式，沒有一般的方法來分析確定的?6-D?工作區(qū)的邊界6 自由度并聯(lián)機(jī)器人，大多數(shù)文獻(xiàn)?[23-27]?將?6-D?區(qū)劃分為工作區(qū)的位置和方位工作空間。工作區(qū)的位置是指機(jī)械手的移動平臺可以達(dá)到一定的取向的空間。它可以容易地描述。方位工作空間是移動平臺可以實(shí)現(xiàn)在某一時(shí)刻的所有方向的集合。然而，由于旋轉(zhuǎn)角度的復(fù)雜性，方位工作空間很難確定和代表?？紤]到我們并聯(lián)機(jī)械手的對稱性，簡明描述?6-D?區(qū)找到了種的三維設(shè)計(jì)。
本文的結(jié)構(gòu)如下。第二節(jié)介紹了建模的設(shè)計(jì)問題及運(yùn)動學(xué)分析。第3節(jié)介紹如何找到關(guān)鍵點(diǎn)特征。第4節(jié)中，討論了設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用。最后，第5節(jié)中總結(jié)發(fā)言。
2．模型的設(shè)計(jì)問題和力學(xué)分析
新的PSS '3-3并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由一個移動的平臺，一個固定基座，
和六個具有相同的幾何結(jié)構(gòu)支撐臂組成。四肢編號從1到6的每個肢體由一個棱柱形接頭，一個球形接頭和聯(lián)合空間綜合信息網(wǎng)絡(luò)球系列連接到固定基地到所述移動平臺。一個線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動的棱柱沿著固定軌道各肢的關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)Bi和關(guān)節(jié)Ai之間是長為Li的剛性連桿（I =1，...，6）
1，2，和3被設(shè)置成位于一水平面的PB它們的軸線四肢的三個線性致動器，且當(dāng)這些軸不交于一點(diǎn)時(shí)它們的軸之間的夾角為120°。這些軸與操縱器的對稱軸之間的距離是相同的，在這里我們使用一個參數(shù)來表示該距離。其他三個線性執(zhí)行器四肢4,5，和6被設(shè)置成垂直的軸線。關(guān)節(jié)的移動平臺A1?A6分布在中心對稱的半徑為a的一個圓上。這種操縱器的中心在平面PB的交叉點(diǎn)和操縱器的對稱軸上，在其上連接有固定笛卡爾參考幀-O {X，Y，Z}。固定框架y軸和z軸都在平面PB上，并且與操縱器的對稱軸的X軸重合。移動框架O'{X'，Y'，Z'}連接移動平臺O點(diǎn)“，這是指向位于圓心上的A1?A6。關(guān)于機(jī)械手是軸對稱的事實(shí)，移動臺處于初始位置時(shí)讓點(diǎn)O'與點(diǎn)O重合，從而操縱器的工作空間相對于固定框ò也是軸對稱。
設(shè)計(jì)的操縱器的幾何參數(shù)前，所需的工作空間應(yīng)明確說明。從前面的討論中可以看出，簡明地描述所需6-D的工作區(qū)是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。在這個研究中，對移動臺的方向的說明，僅指示向量（顯示在圖2中），而不是繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)而言。事實(shí)上，這是許多機(jī)床有著的同樣的情況。在此基礎(chǔ)上，我們使用一組特殊的歐拉角來表示的移動平臺的方向。移動平臺的首先由一個角度φ固定x軸，然后由角度θ固定z軸，最后由角φ固定x軸（圖2）。我們可以把旋轉(zhuǎn)矩陣簡單的寫成這種情況：
3.在給定的工作空間機(jī)器人的關(guān)鍵特征
在這項(xiàng)研究中，通過大量的計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)在qi最大范圍內(nèi)，盡管給定的工作區(qū)和操縱器的尺寸在改變，αBi和αAi總是發(fā)生在一定位置。這一特點(diǎn)對尺寸設(shè)計(jì)非常有幫助，所以我們稱這些位置為關(guān)鍵點(diǎn)。本節(jié)將證明理論上使用拉格朗日乘子的方法，建立關(guān)鍵點(diǎn)。
為了推廣，我們做了三維設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)量通過讓他們每個人用鋼筋混凝土進(jìn)行劃分。因此，工作空間汽缸的無量綱半徑為1，并且其無量綱高度為2H。其中，H= HC / Rc。因此，基于該無量綱工作空間的尺寸設(shè)計(jì)的結(jié)果不能被直接當(dāng)作操縱器的幾何參數(shù)，除非由RC乘以它們所有（應(yīng)當(dāng)注意的是，在此過程中角度不影響）。由于機(jī)械手的配置兩肢體的人群有不同的關(guān)鍵特征。因此，兩肢組的特性，應(yīng)分別研究。
4.基礎(chǔ)的三維設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵點(diǎn)及其應(yīng)用
在上一節(jié)找到對應(yīng)的工作空間內(nèi)操縱的一些重要關(guān)鍵點(diǎn)的特征。其要點(diǎn)是極端位置，這將導(dǎo)致在給定的工作空間中操縱器的最壞運(yùn)動學(xué)條件。如果操縱器可在關(guān)鍵點(diǎn)達(dá)到所需的運(yùn)動學(xué)性能，那么這個運(yùn)動性能將在給定的工作空間中保證每個點(diǎn)。這些特性可以被用于確定所述操縱器的幾何參數(shù)，從而在三維設(shè)計(jì)將具有非常高的效率和準(zhǔn)確性。對于這個關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法的主要步驟如下：
1.描述所需的工作空間。研究了操縱器的工作任務(wù)，并計(jì)算出所需要的空間和方向。然后選擇與可以只達(dá)到要求的給定的工作空間有一定指向靈巧指數(shù)缸。如果所需的工作空間是復(fù)雜的，它可以被描述為多個同軸圓柱體具有不同指向靈巧指數(shù)與圖4所示。在這種狀態(tài)下，下面的設(shè)計(jì)步驟2-5，對于每個氣缸都應(yīng)進(jìn)行，其結(jié)果應(yīng)結(jié)合作為最終的解決方案。
2.給定的工作空間量綱。對于每個氣缸，讓其半徑和高度由它自己的半徑進(jìn)行劃分。
3.明確額外的設(shè)計(jì)要求和使用表1中找到所有需要的關(guān)鍵點(diǎn)。如果關(guān)節(jié)角的范圍沒有限制，可以與工作區(qū)保證的關(guān)鍵點(diǎn)或相應(yīng)的直接關(guān)系建立所述幾何參數(shù)的約束關(guān)系。（參考表1）。如果接頭角度是有要求限制的，應(yīng)與最大αBi和最大αAi的關(guān)鍵點(diǎn)或相應(yīng)的直接關(guān)系建立所述幾何參數(shù)的約束關(guān)系。（參考表 1）
4.確定的幾何參數(shù)。找到能滿足前面建立的步驟中的約束關(guān)系的適當(dāng)?shù)膮?shù)。這些約束關(guān)系，a和Li有許多可能的解決方案可以找到。一般最小的a和Li將導(dǎo)致操作者的最小量應(yīng)被選擇。應(yīng)當(dāng)注意的是，只有一個肢需要被確定給每個組，因?yàn)椴僮髡呤菍ΨQ。在一些情況下，a和Li可能有具有因工作任務(wù)的額外的限制，并且步驟可用于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束關(guān)系。
5.獲得的a和Li應(yīng)應(yīng)乘以圓柱的半徑得到維數(shù)。然后他們可以作為機(jī)器人的幾何參數(shù)。
6.確定其余的幾何參數(shù)。
如果有多于一缸用于工作區(qū)說明，在第?5?步中得到的結(jié)果應(yīng)該作為一個相結(jié)合
解決方案。那就是，選擇的最大值和李之間所有氣缸的結(jié)果作為最后的解決辦法。因此，聯(lián)合解決方案：
能滿足各種約束關(guān)系的每個氣缸。在那之后，αBi?和?αAi?的范圍應(yīng)當(dāng)重新計(jì)算與最終解決方案的關(guān)鍵點(diǎn)船帆齊和最低氣或?（請參閱表?1）?的直接對應(yīng)關(guān)系，可以確定李和練習(xí)場。應(yīng)當(dāng)指出：所有氣瓶必須檢查在此過程中，其結(jié)果應(yīng)作為最后的結(jié)果相結(jié)合。
在這里，我們的項(xiàng)目用來證明該設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用。我們所需的工作區(qū)可以用描述
筒?（缸?1）?與半徑為?600?毫米，高度為?800?毫米和?0 °?時(shí)，指向靈巧和氣缸（缸?2）?與半徑
200?毫米、?高度為?400?毫米和?30 °?的指點(diǎn)靈巧。各關(guān)節(jié)角度被限制為小于?45 °。此外，參數(shù)
需求大于?350?毫米將在移動平臺放置對象的尺寸和接頭的尺寸。為缸?1，與最大值?αBi?和最大值?αAi?的關(guān)鍵點(diǎn)，可以獲得參數(shù)的最小的解作為Li=1050?毫米?（i?=?1 2、 3）?和Li?=?850?毫米?（i?=?4,5,6）?而不是參與。油缸2，最小的解的參數(shù)可以作為發(fā)現(xiàn)?a=?350?毫米，Li=?1050?毫米?（i?=?1 2、 3）?和Li=?1000?毫米（i=?4,5,6）?與要點(diǎn)船帆?αBi?和最大值?αAi。結(jié)合這兩項(xiàng)結(jié)果，可以得到該機(jī)械手的最終解，作為?a=?350?毫米，Li=?1050?毫米?（i=
1 2、 3）?和Li=?1000?毫米?（ia=?4,5,6）。最后，為每個氣缸帶有計(jì)算的?αBi、αAi?和駕駛中風(fēng)最后的范圍相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，然后結(jié)合。設(shè)計(jì)結(jié)果如表?2?所示。和與該機(jī)械手的原型
這些設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)如圖?5?所示。
為了驗(yàn)證這些設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性，設(shè)計(jì)的機(jī)械手性能在給定工作區(qū)中有
已檢查。我們采取了一系列圓筒截面和離散他們成均勻離散點(diǎn)。每個這些離散點(diǎn)的取向也進(jìn)行離散化處理。
然后聯(lián)合角度的值記錄在移動平臺達(dá)到每個位置和方向。
為清楚起見，都會選擇一些典型的數(shù)據(jù)并繪制在這部分中。當(dāng)設(shè)計(jì)的機(jī)械手工作缸?2?頂塊、?分布的?αBi?和?αAi組?1?所示圖?6?和?7分別。圖?8?和圖?9?顯示了同樣的情況，αBi?和?αAi?2?組?？梢杂^察到所有關(guān)節(jié)角度都小于45 °，并只是接近?45 °?腿各關(guān)節(jié)角度的最大值出現(xiàn)在的關(guān)鍵點(diǎn)。所有這些結(jié)果都是一致的。
本文分析研究并滿足要求
5.結(jié)論
本文對此提出了新的三維設(shè)計(jì)方法，為我們的新?' 3-3'-PSS?并聯(lián)機(jī)構(gòu)根據(jù)給定提出了工作區(qū)。這種方法基于幾個關(guān)鍵點(diǎn)，避免了機(jī)械手的復(fù)雜分析自己?6-D?區(qū)實(shí)際上并沒有一個統(tǒng)一的描述人類可讀的方式。關(guān)鍵點(diǎn)建立簡單的關(guān)系機(jī)械臂的幾何參數(shù)與工作區(qū)的要求。在此基礎(chǔ)，提出的設(shè)計(jì)方法已
非常高的效率和準(zhǔn)確性。
很多關(guān)鍵點(diǎn)特征已發(fā)現(xiàn)并在表?1?中列出。
要點(diǎn)是極端的立場,將導(dǎo)致最嚴(yán)重的機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)條件給定的工作區(qū)。運(yùn)動學(xué)性能可以保證在整個工作區(qū),讓機(jī)械手實(shí)現(xiàn)性能的關(guān)鍵點(diǎn)。此外,一些直接運(yùn)動學(xué)和幾何參數(shù)之間的關(guān)系已經(jīng)建立的空間設(shè)計(jì)。簡明地描述6 d工作區(qū),使設(shè)計(jì)要求很明顯,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了對稱描述給定的工作區(qū)。這個描述很容易理解和接近機(jī)械手的操作條件。因此,這種方法可以很容易地用在許多不同的情況。關(guān)鍵點(diǎn)是會導(dǎo)致極端的立場。
機(jī)械手在給定工作區(qū)中的最差運(yùn)動學(xué)條件。運(yùn)動學(xué)性能可以保證內(nèi)
給定工作區(qū)，讓整個機(jī)械手實(shí)現(xiàn)性能的關(guān)鍵點(diǎn)。此外，一些直接的關(guān)系
之間的運(yùn)動學(xué)和幾何參數(shù)已經(jīng)被為三維設(shè)計(jì)建造。
簡要描述?6-D?區(qū)和清楚的設(shè)計(jì)要求，對稱的描述找到了給定工作區(qū)。此描述是機(jī)械手的非常容易理解和接近工況。其結(jié)果是，這種方法可輕松用于許多不同的情況。這種方法推導(dǎo)了特定類型的并行機(jī)制，但找到關(guān)鍵點(diǎn)的想法可能會用于其它并聯(lián)機(jī)構(gòu)的類型。核心問題是找到其職位訂明的工作區(qū)中是獨(dú)立的關(guān)鍵點(diǎn)。
隨著規(guī)模的訂明的工作區(qū)和機(jī)制。這通常需要訂明的工作區(qū)的形狀和機(jī)制的工作區(qū)有一些相似的特征如本例中的軸向?qū)ΨQ。在此研究中，任何其他軸對稱的形狀可以用于描述形狀的除了氣缸的給定工作區(qū)。重寫的約束方程拉格朗日方法，以及這些形狀的關(guān)鍵點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)與本文類似的程序。可能很難找到關(guān)鍵點(diǎn)，但三維設(shè)計(jì)的并行機(jī)制會變得非常方便一旦它做了。如果機(jī)制是不對稱的,那么它應(yīng)當(dāng)指出的關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)分別為每個肢體找到。
提出的設(shè)計(jì)方法基于運(yùn)動學(xué)。其實(shí)，關(guān)節(jié)角?αBi?和?αAi，本文主要研究有直接
雅可比矩陣，然后動態(tài)的關(guān)系。基于這項(xiàng)工作，在不久的將來，將研究基于動力學(xué)的設(shè)計(jì)方法。
確認(rèn)
這項(xiàng)工作部分支持主要國家基本研究中國的發(fā)展計(jì)劃?（973?計(jì)劃）
（第?2013CB035501?號），和國家自然科學(xué)基金?（批準(zhǔn)號：?51335007）。
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XX大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題 目
一種全自動臥式雷管卡口機(jī)設(shè)計(jì)
作者姓名
學(xué)號
所學(xué)專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
1、 研究的意義，同類研究工作國內(nèi)外現(xiàn)狀、存在問題（列出主要參考文獻(xiàn)）
1、 同類研究國內(nèi)外的現(xiàn)狀、存在的問題：
1.1卡口方面的國內(nèi)現(xiàn)狀、存在的問題：
目前在國內(nèi)行業(yè)里電雷管卡口的過程中，由于引火用封口塞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是其尾端帶有引爆用的導(dǎo)線，受此限制都是由人工將基礎(chǔ)管(火管)和封口塞分別放入卡口的專用設(shè)備中，再由人工操作此設(shè)備，卡緊基礎(chǔ)管口部，使其產(chǎn)生塑性變形，從而封閉引火塞與基礎(chǔ)管的連接處,達(dá)到密閉的要求。
縱觀國內(nèi)所有卡口設(shè)備，由于引火封口塞尾部帶有引爆用的導(dǎo)線，無法實(shí)現(xiàn)卡口的全自動化，更談不上操作人員與設(shè)備的全隔離。
在雷管生產(chǎn)工藝過程的卡口裝配工序中裝配塑料塞時(shí), 全靠操作人員手工操作, 憑人眼觀察雷管管體、塑料塞是否正確裝入到位, 一旦雷管管體或塑料塞裝不到位或裝偏、漏裝，在卡口時(shí)雷管易發(fā)生爆炸造成人員傷亡及設(shè)備損壞等重大事故, 同時(shí)也會發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量事故, 該不合格品極易脫爆，并將未爆炸帶藥管體遺留在被爆炸物中，造成巨大的不可估量的安全隱患。
1.2關(guān)于機(jī)器人、機(jī)器手的國內(nèi)現(xiàn)狀與發(fā)展過程：
在我國，西周時(shí)期的能工巧匠偃師就研制出能歌善舞的伶人，這是我國最早的關(guān)于機(jī)器人的記錄。機(jī)器人一詞是1920年由捷克作家卡雷爾.恰佩克在他的諷刺劇《羅莎姆的萬能機(jī)器人》種首先提出?，F(xiàn)代機(jī)器人出現(xiàn)于20世紀(jì)中期，當(dāng)時(shí)數(shù)字計(jì)算機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，電子技術(shù)也有了長足的發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)了受計(jì)算機(jī)控制的可編程的數(shù)控機(jī)床，人類需要開發(fā)機(jī)械代替人手去勞動，在這一背景下，機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)得到快速發(fā)展。?
我國機(jī)器人技術(shù)起步較晚，從20世紀(jì)80年代初才開始。全國第一個機(jī)器人研究示范工程1986年在沈陽建成。目前我國已經(jīng)基本掌握了機(jī)器人設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌道規(guī)劃技術(shù)。開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人。20世紀(jì)90年代中期，國6000m以下深水作業(yè)機(jī)器人試驗(yàn)成功。以后近十年中，在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人、多自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的研制等國際前沿領(lǐng)域，我國逐步縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。但是，目前，機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工控制。第二代機(jī)械手設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。
目前國內(nèi)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。?
1.3卡口方面的國外現(xiàn)狀、存在的問題：
目前在國外雷管卡口方面與國內(nèi)技術(shù)近似，都是由人工操作設(shè)備，卡緊基礎(chǔ)管利用塑料形變來密封，同樣不能實(shí)現(xiàn)人機(jī)隔離，存在操作工人的安全隱患。關(guān)于自動化卡口方面還沒有公開的研究結(jié)果。
1.4關(guān)于機(jī)器人、機(jī)器手的國外現(xiàn)狀與發(fā)展過程：
1959年，戴沃爾與美國發(fā)明家英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人。?
1967年，日本川崎重工公司和豐田公司分別從美國購買了工業(yè)機(jī)器人Unimation和Verstran的生產(chǎn)許可證。日本從此開始了機(jī)器人的研制。20世紀(jì)60年代，噴漆弧焊機(jī)器人問世并逐步發(fā)展應(yīng)用于工業(yè)。?
1969年，日本早稻田大學(xué)加藤一朗實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一臺雙腳走路機(jī)器人。他帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木。?
1979年，美國Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人，標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成熟。?
1979年，日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明了平面關(guān)節(jié)型SCARA機(jī)器人，該型機(jī)器人在以后裝配作業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。
國外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。?
目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，量新產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。
正是在這種背景下，為了提高企業(yè)的市場競爭力，加快淘汰落后的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)，保證生產(chǎn)線操作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，需要發(fā)明一種能夠自動進(jìn)行雷管卡口作業(yè)的機(jī)械設(shè)備以代替現(xiàn)行的人工手動卡口設(shè)備。該機(jī)械要求結(jié)構(gòu)簡單可靠，絕對的人機(jī)隔離，操作方便，經(jīng)濟(jì)性好，且能夠?qū)崿F(xiàn)自動化、智能化，這正是本設(shè)計(jì)的目的。
2、研究的意義：
1、本設(shè)計(jì)加強(qiáng)了雷管安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)隔離。
2、減少了雷管裝填、裝配生產(chǎn)線人工操作危險(xiǎn)品的崗位；節(jié)省了生產(chǎn)力，減少了接觸危險(xiǎn)品的人員數(shù)量。
3、本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雷管卡口的自動化、智能化，在減少生產(chǎn)人員的情況下極大的提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。
主要參考文獻(xiàn)：
1.廖常初.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用第2版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2007.6
2.郭宗仁等.可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，北京：人民郵政出版社.2002.4
3.余雷聲.電器控制與PLC應(yīng)用，北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1996.
4.劉雨剛.沙寶.光電傳感器在雷管卡口工序自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣工程系, 遼寧阜新123000 )
2、 研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題（根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)一步具體化）
1、研究目標(biāo)：
本設(shè)計(jì)將提供一種人機(jī)隔離的全自動臥式雷管卡口機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動化，智能化的批量生產(chǎn)，避免生產(chǎn)人員人工卡口，杜絕卡口安全隱患，使危險(xiǎn)性極大的降低。提高生產(chǎn)力和產(chǎn)品合格率。
2、研究內(nèi)容與工作原理：
（一）研究內(nèi)容
1.卡口機(jī)總傳動方案的比對與確定。
2.藥頭模具、鋼化擋板、安裝支架、連桿等重要零件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校對。
3.卡口機(jī)產(chǎn)品機(jī)械部分的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校對。
（二）工作原理
通過PLC控制程序，控制氣缸運(yùn)動，完成送殼、傳殼、送藥頭、卡口、頂出管殼、傳送藥頭模具等一系列動作，并協(xié)調(diào)各個氣缸之間的動作，從而順利實(shí)現(xiàn)雷管卡口，形成流水線作業(yè)。
3、擬解決的關(guān)鍵問題：
本設(shè)計(jì)由10個獨(dú)立卡口單元和步進(jìn)模具傳送裝置組成；它包括卡口動作氣缸、安裝支架、連桿、藥頭模具、送藥頭氣缸、固定座、傳殼氣缸、管殼盛放盒、送殼氣缸、管殼頂出氣缸、推殼氣缸、擋模氣缸、軸承、管殼導(dǎo)向槽、往復(fù)座、前擋板、后擋板、連桿轉(zhuǎn)軸固定塊、管殼頂出氣缸導(dǎo)軌、通孔芯軸、彈簧夾頭、步進(jìn)氣缸、藥頭模具導(dǎo)軌和擋模氣缸固定板組成。
3、 特色與創(chuàng)新之處
本設(shè)計(jì)替代危險(xiǎn)的人工卡口作業(yè)工序，實(shí)現(xiàn)了絕對的人機(jī)隔離，保證了工人的生命安全，提高了安全度；實(shí)現(xiàn)了機(jī)械自動化作業(yè)，減輕了人工操作的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性好。
4、 擬采取的研究方法、步驟、技術(shù)路線
1.擬采取的研究方法、步驟：
(1)收集相關(guān)資料，并對現(xiàn)有的資料進(jìn)行研究分析，進(jìn)而分析自己完成本設(shè)計(jì)還存在哪方面的困難，除了現(xiàn)有的知識外還應(yīng)該具備哪些新的知識。?
(2)選定合適和熟悉的制圖軟件，對選定的工具進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)及具體實(shí)踐。
(3)對自動卡口機(jī)進(jìn)行仔細(xì)研究，了解氣壓驅(qū)動原理，繪制草圖。
(4)機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，根據(jù)要求設(shè)計(jì)出合理的總傳動方案。?
(5)進(jìn)行傳動方案的比較與選擇，確定傳動方案。
(6)完成卡口機(jī)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算，繪制草圖。
(7)在三維軟件中模擬卡口機(jī)工作狀態(tài)。?
(8)模擬調(diào)試后對整個機(jī)械手進(jìn)行完善。
2.卡口機(jī)的擬定工作流程：
首先送殼氣缸的活塞桿外伸，將管殼從管殼盛放盒側(cè)壁的小孔中頂出，送入到傳殼氣缸的管殼夾頭孔中，傳殼氣缸回縮，將管殼送至管殼導(dǎo)向槽中，推殼氣缸活塞桿外伸，推動管殼頂出氣缸，利用管殼頂出氣缸上的頂桿將管殼送至設(shè)定的卡口位置，同時(shí)送藥頭氣缸將排布在藥頭模具上的雷管藥頭送入雷管管殼中，卡口動作氣缸伸縮帶動連桿，驅(qū)動往復(fù)座運(yùn)動徑向擠壓彈簧夾頭，將停留在彈簧夾頭中的雷管管殼與伸入管殼中一定距離的藥頭卡緊，完成雷管卡口。然后管殼頂出氣缸外伸，將已卡口的雷管頂出彈簧夾頭，送至藥頭模具中去，然后各氣缸回至初始位置，同時(shí)擋模氣缸外伸，卡住藥頭模具，通過步進(jìn)氣缸帶動擋模氣缸定位，將藥頭模具傳送至下一個工位，然后各氣缸回至初始位置，完成一次卡口動作，實(shí)現(xiàn)往復(fù)循環(huán)卡口的過程。將藥頭模具設(shè)計(jì)成能夠?qū)崿F(xiàn)一模10發(fā)的卡口需求，保證了藥頭送入時(shí)與雷管管殼的同軸度。往復(fù)傳送裝置由步進(jìn)氣缸和擋模氣缸及其配套滑軌組成，能夠?qū)崿F(xiàn)模具的傳送，形成流水線卡口作業(yè)。
3.本設(shè)計(jì)采用的技術(shù)方案：
一是采用PLC程序控制，以電磁閥控制氣缸，壓縮空氣作為工作介質(zhì)，通過壓縮空氣驅(qū)動氣缸活塞做往復(fù)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)送殼、傳殼、送藥頭、卡口、頂出管殼、傳送藥頭模具等一系列動作；二是使用氣缸的往復(fù)運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)一系列的機(jī)械動作，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械傳動裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了維修和安裝難度。可維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性、都得到了很大提高。同時(shí)具有氣動控制動作迅速，反應(yīng)快；維護(hù)簡單，工作介質(zhì)清潔等優(yōu)點(diǎn)。而且其工作環(huán)境適應(yīng)性好，無論是在易燃、易爆、多塵埃、輻射、強(qiáng)磁、振動、沖擊等惡劣的環(huán)境中，氣壓傳動系統(tǒng)工作都安全可靠；三是將傳統(tǒng)手動卡口設(shè)備的立式卡口技術(shù)方式改為臥式卡口技術(shù)，更有利于機(jī)械自動化作業(yè)，具有藥頭與管殼對接精準(zhǔn)，卡口長度精確控制，藥頭模具能夠?qū)崿F(xiàn)一模10發(fā)的卡口需求，保證藥頭送入時(shí)與雷管管殼的同軸度，可適用于多種不同形狀不同外徑的雷管卡口作業(yè)，方便進(jìn)行生產(chǎn)線布置等優(yōu)點(diǎn)；四是通過巧妙設(shè)計(jì)的模具和步進(jìn)傳送機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了每個卡口工位按順序依次卡口，每次能完成一模10發(fā)雷管的卡口作業(yè)，且能實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)，全程都由PLC程序?qū)崿F(xiàn)自動控制，自動化及智能化程度高。
5、 擬使用的主要設(shè)計(jì)、分析軟件及儀器設(shè)備
主要軟件:PLC編程軟件，觸摸屏編程軟件。
主要儀器:萬用表，筆記本電腦，線切割機(jī)床，加工中心等。
6、參考文獻(xiàn)
1.廖常初，PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用-2版[M].?北京:機(jī)械工業(yè)出版設(shè).2007.6
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9.王積偉，章宏甲，黃誼.液壓傳動[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2013
10.王永章，杜君文，程國全.數(shù)控技術(shù)[M].北京：高等教育出版社.2001
11.潘存云.機(jī)械原理（第二版）[M].長沙:中南大學(xué)出版社.2012
注：
1、開題報(bào)告是本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的一個重要組成部分。學(xué)生應(yīng)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書的要求和文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，在開始撰寫論文之前寫出開題報(bào)告。
2、參考文獻(xiàn)按下列格式（A為期刊，B為專著）
A：[序號]、作者（外文姓前名后，名縮寫，不加縮寫點(diǎn)，3人以上作者只寫前3人，后用“等”代替。）、題名、期刊名（外文可縮寫，不加縮寫點(diǎn)）年份、卷號（期號）：起止頁碼。
B：[序號]、作者、書名、版次、（初版不寫）、出版地、出版單位、出版時(shí)間、頁碼。
3、表中各項(xiàng)可加附頁。
5
XX 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）
題目
一種全自動臥式雷管卡口機(jī)設(shè)計(jì)
作者
學(xué)院
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
學(xué)號
指導(dǎo)教師
年 月 日
摘 要
目前，國內(nèi)大部分雷管生產(chǎn)企業(yè)仍采用手工裝配操作，在裝配過程中，操作工需一手拿基礎(chǔ)雷管管體，另一手拿引火元件，先后放入裝配設(shè)備中進(jìn)行裝配，此時(shí)，因引火元件與吸附在雷管內(nèi)壁的起爆藥發(fā)生摩擦，使卡口工序成為工業(yè)雷管生產(chǎn)當(dāng)中事故發(fā)生概率相當(dāng)高的一道工序。
一直以來，國內(nèi)缺少一種合理、有效的解決方案，安全隱患問題困擾著多數(shù)雷管生產(chǎn)企業(yè)。根據(jù)國家工信部《關(guān)于民用爆炸物品行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的指導(dǎo)意見》及《關(guān)于加強(qiáng)工業(yè)雷管安全生產(chǎn)基礎(chǔ)條件建設(shè)的指導(dǎo)意見》精神,國家鼓勵支持采用自動卡口機(jī)來替代手工操作，本設(shè)計(jì)就上述問題提出一種通過PLC控制程序，控制氣缸運(yùn)動的全自動臥式工業(yè)雷管自動卡口機(jī)設(shè)計(jì)方案，替代手工裝配作業(yè)來避免裝配過程中危險(xiǎn)品直接與人員接觸從而消除安全隱患，降低工人的勞動強(qiáng)度，提高工作效率。
關(guān)鍵詞：雷管，氣動，可編程序控制器(PLC)，機(jī)械手。
II
ABSTRACT
At present, the domestic most of detonator production enterprises still use manual assembly operations, in the process of assembly, the operator should be based the detonator tube body in one hand, on the other hand flash components, successively into the assembly equipment for assembly, at this time, because of the fire element and adsorption on the inner wall of the detonator initiation explosive friction, make bayonet process of industrial detonator production accident happened a process with the probability is quite high.
For a long time, the domestic lack of a reasonable and effective solutions, security problem bothering most of detonator production enterprise. According to the national ministry of "about civil explosives industry technology progress guidance" and "on strengthening the industrial detonator production safety guidance for the construction of basic condition" spirit, the state shall encourage support a bayonet machine to replace manual operation, this design is a through the PLC control program for the above problems, the control cylinder movement of automatic horizontal industrial detonator automatic monitoring machine design scheme, replace the manual assembly operations to avoid direct contact with the staff of dangerous goods in the assembly process to eliminate the safety hidden trouble, reduce the labor intensity, improve work efficiency.
Keywords:detonator，air pressure drive, PLC，manipulator.
III
目 錄
第一章 緒 論............................................1
1.1 機(jī)械人簡介..........................................................................................................................1
1.1.1 機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用.......................................................................................................1
1.1.2機(jī)器人的組成.....................................................................................................................4
1.2 機(jī)械手的概述及組成..........................................................................................................6
1.3本設(shè)計(jì)的主要工作................................................................................................................8
第二章 卡口機(jī)的系統(tǒng)概述與系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).....................................9
2.1 系統(tǒng)概述............................................................................................................................9
2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)....................................................................................................................9
2.2.1傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)..................................................................................................................9
2.2.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)..............................................................................................................11
第三章 自動卡口機(jī)的總體結(jié)構(gòu).............................14
3.1卡口機(jī)的組成與工作流程.................................................................................................14
3.2設(shè)計(jì)具體采用方案.............................................................................................................14
第4章 傳動方式的選擇..................................17
4.1液壓傳動的優(yōu)缺.................................................................................................................17
4.2氣壓傳動的優(yōu)缺點(diǎn).............................................................................................................17
第5章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案.............................19
5.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度....................................................................................................19
5.2機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)....................................................................................................20
5.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)..................................................................................................20
5.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)..................................................................................................20
5.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計(jì)..........................................................................................................20
5.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)..........................................................................................................21
5.7機(jī)械手的主要參數(shù)....................................................................................................................21
5.8機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表............................................................................................................21
第六章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).................................24
6.1.1手指的形狀和分類....................................................24
6.1.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個問題................................................24
6.1.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)..................................................25
III
6.2氣流負(fù)壓式吸盤........................................................29
第七章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).....................................32
7.1手腕的自由度..........................................................32
7.2 手腕的驅(qū)動力矩的計(jì)算.................................................32
7.2.1手腕轉(zhuǎn)動時(shí)所愉的驅(qū)動力矩............................................32
7.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計(jì)算..............................................35
第八章 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).....................................37
8.1手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分................................................37
8.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)............................................................37
8.1.2手臂伸縮驅(qū)動力的計(jì)算................................................38
8.2手臂升降和回轉(zhuǎn)部分....................................................39
8.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)............................................................39
8.3手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì)....................................................40
第九章 結(jié)論.............................................44
致謝.....................................................45
參考文獻(xiàn).................................................46
說明書附圖...............................................48
IV
XX大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 機(jī)器人簡介
工業(yè)機(jī)器人（英語：industrial robot。簡稱IR）是廣泛適用的能夠自主動作，且多軸聯(lián)動的機(jī)械設(shè)備。它們在必要情況下配備有傳感器，其動作步驟包括靈活的，轉(zhuǎn)動都是可編程控制的（即在工作過程中，無需任何外力的干預(yù)）。它們通常配備有機(jī)械手、刀具或其他可裝配的的加工工具，以及能夠執(zhí)行搬運(yùn)操作與加工制造的任務(wù)。機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)[1]。”
工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了長期發(fā)展后，已經(jīng)成為制造業(yè)中不可缺少的核心設(shè)備。同時(shí)隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機(jī)器人也被開發(fā)出來去適應(yīng)制造領(lǐng)域意外的各個行業(yè)。這些機(jī)器人作為機(jī)器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿形機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等各種用途的特種機(jī)器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機(jī)器人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(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。
1.1.1 機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用
1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機(jī)器人萬能公司》中，根據(jù)Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機(jī)器人”這個詞。
1939年 美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機(jī)器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人們對家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。
1942年 美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機(jī)器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造，但后來成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。
1954年 美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機(jī)器人，并注冊了專利。這種機(jī)械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。
1956年 在達(dá)特茅斯會議上，馬文·明斯基提出了他對智能機(jī)器的看法：智能機(jī)器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個定義影響到以后30年智能機(jī)器人的研究方向。
1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機(jī)器人之父”。
1962年—1963年 傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操作性。人們試著在機(jī)器人上安裝各種各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機(jī)器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。
1965年 約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出Beast機(jī)器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀(jì)60年代中期開始，美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機(jī)器人，并向人工智能進(jìn)發(fā)。
1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計(jì)算機(jī)有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機(jī)器人，拉開了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕。
1973年 世界上第一次機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機(jī)器人T3。
1978年 美國Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。
1984年 英格伯格再推機(jī)器人Helpmate，這種機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預(yù)言：“我要讓機(jī)器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。
1999年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛寶(AIBO)，當(dāng)即銷售一空，從此娛樂機(jī)器人成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。
2002年 丹麥iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba，它能避開障礙，自動設(shè)計(jì)行進(jìn)路線，還能在電量不足時(shí)，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機(jī)器人。
2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio，機(jī)器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾·蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人很快將席卷全球。
機(jī)器人的未來發(fā)展將很快，應(yīng)用范圍更大，如設(shè)計(jì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、運(yùn)輸、醫(yī)藥、科學(xué)研究等各個方面。
總的趨勢是提高工作精度和運(yùn)動速度，增加機(jī)構(gòu)的自由度以提高通用性和靈活性。降低結(jié)構(gòu)自重，逐步采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊式組合結(jié)構(gòu)，開發(fā)傳感器技術(shù)和機(jī)器人語言，同時(shí)根據(jù)內(nèi)部信息和環(huán)境信息來控制機(jī)器人，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展正從各個方面顯露出它的強(qiáng)大勢頭。從近幾年來國際工業(yè)機(jī)器人會議上綜合的情況來看，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重點(diǎn)是具有智能的高級機(jī)器人以及低成本、穩(wěn)定可靠的用于自動化生產(chǎn)的機(jī)器人。
空間探索、能源問題和人工智能是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)三大課題。人工智能主要內(nèi)容之一就是關(guān)于智能機(jī)器人的研究。感受外界信息，理解和記憶信息，規(guī)劃行動，人機(jī)對話，是智能機(jī)器人發(fā)展的四個主要問題。在空間探索領(lǐng)域中，機(jī)器人技術(shù)具有美好的發(fā)展前景和廣泛的應(yīng)用價(jià)值，空間自動加工工廠；開發(fā)宇宙空間的高級自治系統(tǒng)；在空間裝配的自重復(fù)系統(tǒng)等。
本世紀(jì)以來，人類開始有計(jì)劃地開發(fā)海洋，開發(fā)食物、能源和物質(zhì)來源。機(jī)器人是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果之一。人們常常把新出現(xiàn)的技術(shù)用來制造機(jī)器人，再將機(jī)器人應(yīng)用到新技術(shù)領(lǐng)域中去。為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要，人們把大部分智能技術(shù)結(jié)合起來，使之向更高級的機(jī)器人——智能機(jī)器人發(fā)展，這已成為機(jī)器人的一個發(fā)展方向。
相對于人來說，工業(yè)機(jī)器人的工作準(zhǔn)確性高，工作速度高，負(fù)載能力大，耐久力強(qiáng)，重復(fù)性好，所以工業(yè)機(jī)器人獲得了廣泛應(yīng)用，顯示了很好的效能。
從目前情況看，工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和使用者都希望能更加擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，例如：由計(jì)算機(jī)控制的具有適應(yīng)性控制的裝配用機(jī)器人、焊接機(jī)器人、實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制的機(jī)器人、清理鑄件的機(jī)器人，建筑用機(jī)器人，地下工作機(jī)器人，消防用機(jī)器人，城市垃圾處理機(jī)器人，看護(hù)病人的機(jī)器入，協(xié)助料理殘廢人生活的機(jī)器人，海洋開發(fā)機(jī)器人，空間開發(fā)機(jī)器人等。
目前，智能機(jī)器人已從基礎(chǔ)研究發(fā)展為應(yīng)用研究，今后逐漸推廣應(yīng)用。具有感覺和識別功能（特別是視覺）的機(jī)器人已經(jīng)用于自動檢修和裝配作業(yè)。能在極限作業(yè)環(huán)境中工作的極限作業(yè)機(jī)器人等等都在加緊研究開發(fā)之中。
a. 手部機(jī)構(gòu)的多功能化：日前的工業(yè)機(jī)器人的手大部分只有兩個手指，相當(dāng)于一種夾持器的功能。機(jī)器人的手將逐漸發(fā)展為多關(guān)節(jié)、多手指并具有人工觸覺的人造手。
b. 采用并行處理的復(fù)合控制：由于微電子技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)的性能大幅提高，從而可以利用多個微處理器對各種感覺(如視覺、觸覺等)信息進(jìn)行并行處理，并控制機(jī)器人多功能的手快速地完成更復(fù)雜的工作。
c. 步行機(jī)的研究，它能使機(jī)器人的車輛方式發(fā)展為多關(guān)節(jié)的步行方式。隨著生物工程的迅速發(fā)展，人類步行控制和動物步行機(jī)理的研究更為深入，引用這些機(jī)理將使步行機(jī)性能顯著提高。
d. 識別功能的提高：從識別物體(或零件)的位置和形狀發(fā)展為識別物體的姿態(tài)和顏色，并達(dá)到實(shí)用，使機(jī)器人能夠快速地識別更復(fù)雜的物體。
1.1.2 機(jī)器人的組成
機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，一般由機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、傳感器、和驅(qū)動器等四部分組成。機(jī)械本體是機(jī)器人實(shí)施作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為對本體進(jìn)行精確控制，傳感器應(yīng)提供機(jī)器人本體或其所處環(huán)境的信息，控制系統(tǒng)依據(jù)控制程序產(chǎn)生指令信號，通過控制各關(guān)節(jié)運(yùn)動坐標(biāo)的驅(qū)動器，使各臂桿端點(diǎn)按照要求的軌跡、速度和加速度，以一定的姿態(tài)達(dá)到空間指定的位置。驅(qū)動器將控制系統(tǒng)輸出的信號變換成大功率的信號，以驅(qū)動執(zhí)行器工作[4]。
a. 機(jī)械本體
機(jī)械本體，是機(jī)器人賴以完成作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般是一臺機(jī)械手，也稱操作器、或操作手，可以在確定的環(huán)境中執(zhí)行控制系統(tǒng)指定的操作。典型工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體一般由手部（末端執(zhí)行器）、腕部、臂部、腰部和基座構(gòu)成。機(jī)械手多采用關(guān)節(jié)式機(jī)械結(jié)構(gòu)，一般具有6個自由度，其中3個用來確定末端執(zhí)行器的位置，另外3個則用來確定末端執(zhí)行裝置的方向（姿勢）。機(jī)械臂上的末端執(zhí)行裝置可以根據(jù)操作需要換成焊槍、吸盤、扳手等作業(yè)工具。
b. 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是機(jī)器人的指揮中樞，相當(dāng)于人的大腦功能，負(fù)責(zé)對作業(yè)指令信息、內(nèi)外環(huán)境信息進(jìn)行處理，并依據(jù)預(yù)定的本體模型、環(huán)境模型和控制程序做出決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，通過驅(qū)動器驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個關(guān)節(jié)按所需的順序、沿確定的位置或軌跡運(yùn)動，完成特定的作業(yè)。從控制系統(tǒng)的構(gòu)成看，有開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)之分；從控制方式看有程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)之分。
c. 驅(qū)動器
驅(qū)動器是機(jī)器人的動力系統(tǒng)，相當(dāng)于人的心血管系統(tǒng)，一般由驅(qū)動裝置和傳動機(jī)構(gòu)兩部分組成。因驅(qū)動方式的不同，驅(qū)動裝置可以分成電動、液動和氣動三種類型。驅(qū)動裝置中的電動機(jī)、液壓缸、氣缸可以與操作機(jī)直接相連，也可以通過傳動機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。傳動機(jī)構(gòu)通常有齒輪傳動、鏈傳動、諧波齒輪傳動、螺旋傳動、帶傳動等幾種類型。
d. 傳感器
傳感器是機(jī)器人的感測系統(tǒng)，相當(dāng)于人的感覺器官，是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，包括內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。內(nèi)部傳感器主要用來檢測機(jī)器人本身的狀態(tài)，為機(jī)器人的運(yùn)動控制提供必要的本體狀態(tài)信息，如位置傳感器、速度傳感器等。外部傳感器則用來感知機(jī)器人所處的工作環(huán)境或工作狀況信息，又可分成環(huán)境傳感器和末端執(zhí)行器傳感器兩種類型；前者用于識別物體和檢測物體與機(jī)器人的距離等信息，后者安裝在末端執(zhí)行器上，檢測處理精巧作業(yè)的感覺信息。常見的外部傳感器有力覺傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、視覺傳感器等[5]。
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。
機(jī)器人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(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備[6]。
機(jī)械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)或操作的自動機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用[7]。
機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用[8]。
60噸沖床自動上料裝置是在一般沖床上改裝沖床曲軸，添加上料機(jī)械手,升料臺和滑道等裝置，是沖床自動連續(xù)工作。該裝置的特點(diǎn)是由上料機(jī)械手來控制沖床動作，能保證沖床有節(jié)奏的，安全的生產(chǎn)[9]。
1.2機(jī)械手概述與組成
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-1所示。
控制系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)
被抓取工件
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
位置檢測裝置
圖1.1 機(jī)械手的組成方框圖
a. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。
(1) 手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛；平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(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)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式，式彈簧式和重力式等。
附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。
對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式[10]。
(2) 手腕
是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動、左右擺動.一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動在增加一個上下擺動即可滿足要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動驅(qū)動手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小，并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)[11]。
(3) 手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運(yùn)動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動。
手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動部件受力狀態(tài)簡單。
導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式[12]。
(4) 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)動和升降(或俯仰)運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱通常為固定不動的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動，即稱為可移式立柱[13]。
(5) 行走機(jī)構(gòu)
當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運(yùn)動則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動裝置[14]。
(6) 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)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用[15]。
b. 驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機(jī)械傳動等四種形式[16]。
c. 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?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號[17]。
d. 位置檢測裝置
控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置，并隨時(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[18]。
1.3 本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)工作
本設(shè)計(jì)首先確定了卡口機(jī)的總體布局，然后提出了各個部分的具體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)方案，主要的設(shè)計(jì)和研究內(nèi)容有：
1. 用于基礎(chǔ)雷管氣動上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)。
2. 連桿、安裝支架、藥頭模具等重要零件的設(shè)計(jì)。
第2章 卡口機(jī)的系統(tǒng)概述與系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)概述
該設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用氣動機(jī)械手，氣壓驅(qū)動具有防火、防爆、節(jié)能、高效、無污染的特點(diǎn)，氣動機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡單和制造成本低等優(yōu)點(diǎn), 并可以根據(jù)各種自動化設(shè)備的工作需要, 按照設(shè)定的程序工作。因此其尤其適用于民用爆炸品生產(chǎn)的自動生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線上。鑒于群發(fā)卡口機(jī)的故障率較高，運(yùn)行不穩(wěn)定的缺陷，故該系統(tǒng)采用PLC 控制，氣壓驅(qū)動，配合高速抓取裝置的單發(fā)連續(xù)卡口的機(jī)械手設(shè)計(jì)方案。
2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.2.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
通常在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，物體的抓放系統(tǒng)需兩個驅(qū)動器來分別完成Y 軸和Z 軸方向上的二自由度運(yùn)動（見圖1）。在實(shí)際作業(yè)當(dāng)中，為了提高工效，抓放時(shí)間盡可能的短，就要求驅(qū)動器能夠盡可能快的運(yùn)動。于是驅(qū)動器兩端都需要設(shè)置終端緩沖裝置（兩個驅(qū)動器需設(shè)置四個緩沖裝置，圖中四個圓點(diǎn)為緩沖裝置），以減少運(yùn)動過程在終端位置時(shí)由于撞擊帶來的振動，從而保持運(yùn)動軌跡光滑。由此造成整個抓放運(yùn)動的時(shí)間較長。
如圖2 所示，該自動卡口采用高速抓放裝置，高速抓放裝置由一個旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動，凸輪輪廓曲線是一條等寬的凹槽，從動件的滾子置于凹槽內(nèi)以保持從動件與凸輪在運(yùn)動過程中的接觸。旋轉(zhuǎn)氣缸帶動擺桿轉(zhuǎn)動，擺桿再驅(qū)動滾子在凸輪槽里作往復(fù)運(yùn)動，從而來完成Y 軸和Z 軸方向上的二自由度運(yùn)動。由于只設(shè)置一個旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動單元，所以只需在兩個終點(diǎn)上分別設(shè)置一個緩沖器即可，從而極大的縮短了運(yùn)動時(shí)間，因此相對于目前市場上由雙驅(qū)動器組成的抓取單元來說，工作效率提高了20 %以上，因此本設(shè)計(jì)中的氣動機(jī)械手也采用該高速抓放裝置。
如圖3 所示，該自動卡口分為上層抓取裝置和下層抓取裝置。上層抓取基礎(chǔ)雷管至等待位，抓取裝置由1 個旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動；下層抓取引火元件至卡口位和抓取成品雷管至轉(zhuǎn)載模，2 個抓取動作可同時(shí)進(jìn)行，在引火元件轉(zhuǎn)載模、卡口位、成品轉(zhuǎn)載模3 個工作位，進(jìn)行物料抓取和傳送，同樣的下層抓取裝置也由1 個旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動，它采用平行四連桿機(jī)構(gòu)，可使下層兩個抓取機(jī)構(gòu)的動作保持一致。下層抓取裝置安裝在伸縮氣缸作用端上，當(dāng)伸縮氣缸伸出時(shí)下層抓取機(jī)構(gòu)才可進(jìn)行作業(yè)，當(dāng)伸縮氣缸縮回時(shí)，等待位擋板隨之打開，在等待位的基礎(chǔ)雷管順著滑道落入卡口位，這時(shí)伸縮氣缸伸出，下層抓取裝置再進(jìn)行抓取作業(yè)，如此循環(huán)。為避免誤動作，在下層抓取裝置的旋轉(zhuǎn)氣缸設(shè)置中位停止，只有旋轉(zhuǎn)氣缸保持中位，伸縮氣缸才動作，卡口動作依然采用目前多數(shù)所采用的杠桿式卡口原理進(jìn)行卡口。
2.2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的氣動卡口機(jī)當(dāng)中的氣動機(jī)械手是一種具有2 自由度的柱面坐標(biāo)機(jī)械手，各氣缸的往復(fù)運(yùn)動由各自的電磁閥控制。各氣缸的氣動輸入、輸出端各設(shè)置一個節(jié)流調(diào)速閥，以控制各個氣缸動作速度。
需要強(qiáng)調(diào)的是，要實(shí)現(xiàn)中位停止功能，高速抓取裝置中的旋轉(zhuǎn)氣缸必須由一個三位五通閥（中封式）來控制。原因是在旋轉(zhuǎn)氣缸至中點(diǎn)時(shí)，傳感器感應(yīng)后，電磁閥兩端線圈均失電，此時(shí)閥芯處于中位，因此只有采用中封式電磁閥才能夠保持旋轉(zhuǎn)氣缸此時(shí)靜止不動作。詳見圖4 所示的氣動系統(tǒng)原理圖。
在氣缸的兩端各設(shè)置一個磁性接近開關(guān)作為PLC 的輸入信號，以輸入信號作為氣缸動作的條件，在卡口位增設(shè)一光電傳感開關(guān)信號以保證卡口動作的準(zhǔn)確性。根據(jù)輸入點(diǎn)數(shù)和輸出點(diǎn)數(shù)，采用具有24 點(diǎn)輸入單元和24 點(diǎn)輸出單元的三菱FX2N-48MR 作為控制核心，其I/O 端口與傳感器和電磁閥線圈連接，PLC 的接線圖如圖5 所示，I/O 分配表如表1 所示。
第3章 自動卡口機(jī)的總體結(jié)構(gòu)
3.1 卡口機(jī)的組成與工作流程
此卡口機(jī)特征在于它由10個獨(dú)立卡口單元和步進(jìn)模具傳送裝置組成；它包括卡口動作氣缸、安裝支架、連桿、藥頭模具、送藥頭氣缸、固定座、傳殼氣缸、管殼盛放盒、送殼氣缸、管殼頂出氣缸、推殼氣缸、擋模氣缸、軸承、管殼導(dǎo)向槽、往復(fù)座、前擋板、后擋板、連桿轉(zhuǎn)軸固定塊、管殼頂出氣缸導(dǎo)軌、通孔芯軸、彈簧夾頭、步進(jìn)氣缸、藥頭模具導(dǎo)軌和擋模氣缸固定板組成；通過PLC的控制程序來控制氣缸運(yùn)動，完成送殼、傳殼、送藥頭、卡口、頂出管殼、傳送藥頭模具一系列動作，協(xié)調(diào)各個氣缸之間的動作，從而順利實(shí)現(xiàn)雷管卡口。
首先送殼氣缸的活塞桿外伸，將管殼從管殼盛放盒側(cè)壁的小孔中頂出，送入到傳殼氣缸的管殼夾頭孔中，傳殼氣缸回縮，將管殼送至管殼導(dǎo)向槽中，推殼氣缸活塞桿外伸，推動管殼頂出氣缸，利用管殼頂出氣缸上的頂桿將管殼送至設(shè)定的卡口位置，同時(shí)送藥頭氣缸將排布在藥頭模具上的雷管藥頭送入雷管管殼中，卡口動作氣缸伸縮帶動連桿，驅(qū)動往復(fù)座運(yùn)動徑向擠壓彈簧夾頭，將停留在彈簧夾頭中的雷管管殼與伸入管殼中一定距離的藥頭卡緊，完成雷管卡口。然后管殼頂出氣缸外伸，將已卡口的雷管頂出彈簧夾頭，送至藥頭模具中去，然后各氣缸回至初始位置，同時(shí)擋模氣缸外伸，卡住藥頭模具，通過步進(jìn)氣缸帶動擋模氣缸定位，將藥頭模具傳送至下一個工位，然后各氣缸回至初始位置，完成一次卡口動作，實(shí)現(xiàn)往復(fù)循環(huán)卡口的過程。將藥頭模具設(shè)計(jì)成能夠?qū)崿F(xiàn)一模10發(fā)的卡口需求，保證了藥頭送入時(shí)與雷管管殼的同軸度。往復(fù)傳送裝置由步進(jìn)氣缸和擋模氣缸及其配套滑軌組成，能夠?qū)崿F(xiàn)模具的傳送，形成流水線卡口作業(yè)。其工作流程圖見圖6。
3.2 設(shè)計(jì)具體采用方案
1、 是采用PLC程序控制，以電磁閥控制氣缸，壓縮空氣作為工作介質(zhì)，通過壓縮空氣驅(qū)動氣缸活塞做往復(fù)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)送殼、傳殼、送藥頭、卡口、頂出管殼、傳送藥頭模具等一系列動作；
2、 是使用氣缸的往復(fù)運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)一系列的機(jī)械動作，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械傳動裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了維修和安裝難度。可維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性、都得到了很大提高。同時(shí)具有氣動控制動作迅速，反應(yīng)快；維護(hù)簡單，工作介質(zhì)清潔等優(yōu)點(diǎn)。而且其工作環(huán)境適應(yīng)性好，無論是在易燃、易爆、多塵埃、輻射、強(qiáng)磁、振動、沖擊等惡劣的環(huán)境中，氣壓傳動系統(tǒng)工作都安全可靠；
3、 是將傳統(tǒng)手動卡口設(shè)備的立式卡口技術(shù)方式改為臥式卡口技術(shù)，更有利于機(jī)械自動化作業(yè)，具有藥頭與管殼對接精準(zhǔn)，卡口長度精確控制，藥頭模具能夠?qū)崿F(xiàn)一模10發(fā)的卡口需求，保證藥頭送入時(shí)與雷管管殼的同軸度，可適用于多種不同形狀不同外徑的雷管卡口作業(yè)，方便進(jìn)行生產(chǎn)線布置等優(yōu)點(diǎn)；四是通過巧妙設(shè)計(jì)的模具和步進(jìn)傳送機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了每個卡口工位按順序依次卡口，每次能完成一模10發(fā)雷管的卡口作業(yè)，且能實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)，全程都由PLC程序?qū)崿F(xiàn)自動控制，自動化及智能化程度高。
否
是
送殼氣缸頂出管殼
傳殼氣缸傳遞管殼
送模氣缸將管殼頂至卡口位
送藥頭氣缸送入藥頭
卡口
退模氣缸頂出已卡口雷管
傳送裝置傳送模具至下一工位
一模10發(fā)卡口完畢完畢
進(jìn)入下一工序
第4章 傳動方式的選擇
4.1液壓傳動的優(yōu)缺點(diǎn)
液壓傳動的優(yōu)點(diǎn)：1、液壓傳動能較為方便的實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，調(diào)速范圍大；
2、 在相同功率的情況下，液壓傳動能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的體積小，重量較輕；
3、 液壓傳動工作平穩(wěn)，換向沖擊力小，便于實(shí)現(xiàn)頻繁的換向；
4、 液壓傳動便于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，而且液壓油能夠使傳動部位之間實(shí)現(xiàn)自潤滑，故使用壽命長；
5、 操作簡單，便于實(shí)現(xiàn)自動化。特別是和電氣控制配合使用時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的自循環(huán)工作；
6、 液壓原件能較為方便的實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。
因此現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點(diǎn):
1、液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等)；
2、液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動平穩(wěn)性及正確性。
3、工作時(shí)受溫度變化影響較大。油溫變化時(shí)，液體粘度變化，引起運(yùn)動特性變化。
4、因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。
5、為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價(jià)格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。
4.2 氣壓傳動的優(yōu)缺點(diǎn)
氣壓傳動以壓縮氣體為工作介質(zhì),靠氣體的壓力傳遞動力或信息的流體傳動。傳遞動力的系統(tǒng)是將壓縮氣體經(jīng)由管道和控制閥輸送給氣動執(zhí)行元件,把壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能而作功;傳遞信息的系統(tǒng)是利用氣動邏輯元件或射流元件以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算等功能,亦稱氣動控制系統(tǒng)。
氣壓傳動的優(yōu)點(diǎn)：
1、介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵塞，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題.
2、阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。
3、動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。
4、能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時(shí)，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。
5、工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。
6、成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。
氣壓傳動的缺點(diǎn)：
1、 空氣可壓縮性大,載荷變化時(shí),傳遞運(yùn)動不夠平穩(wěn)、均勻;
2、 工作壓力不能過高,傳動效率低,不易獲得很大的力或力矩;
3、 有較大的排氣噪聲。
由于本設(shè)計(jì)是用于民用爆破雷管卡口機(jī)設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)雷管重量小，易爆炸，要求工作效率高；氣動成本底，易于維修和環(huán)境清理。對比上述傳動優(yōu)缺點(diǎn)選擇氣壓傳動。
第五章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案
對氣動機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運(yùn)物件，這就要求它
們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及
在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計(jì)氣動機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對象
(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求
和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的
受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;
盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)
柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用氣動上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批
生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運(yùn)或操作設(shè)備，動強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。
5.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度
按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動機(jī)構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。
下圖所示為機(jī)械手的手指、手腕、手臂的運(yùn)動示意圖
機(jī)械手的運(yùn)動示意圖
5.2機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
為了是機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。
5.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。
5.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動由氣缸來實(shí)現(xiàn)。
5.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計(jì)
由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動方式。
5.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。
5.7機(jī)械手的主要參數(shù)
1、主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機(jī)械手最大抓重以10公斤左右的為數(shù)最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為10公斤，高速動作時(shí)抓重減半。使用吸盤式手部時(shí)可吸附5公斤的重物。
2、基本參數(shù)運(yùn)動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。
該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計(jì)為1.2cm/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為1200°/s，平均移動速度為ldm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為900°/s。
機(jī)械手動作時(shí)有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。
除了運(yùn)動速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400(應(yīng)大于180否則需安裝多只手臂)，又由于該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。
定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為土0.5～±lmm。
5.8機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表
設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):
1、抓重
10斤 (夾持式手部)
5斤 ( 氣流負(fù)壓式吸盤)
2、自由度數(shù):
3個自由度
3、座標(biāo)型式:
圓柱座標(biāo)
4、最大工作半徑:
1500mm
5、手臂最大中心高:
1380mm
6、手臂運(yùn)動參數(shù):
伸縮行程 600mm
伸縮速度 500mm/s
升降行程 200mm
升降速度 300mm/s
回轉(zhuǎn)范圍 0°～ 240°
回轉(zhuǎn)速度 90°
7、手腕運(yùn)動參數(shù):
回轉(zhuǎn)范圍 0°～ 180