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外 文 翻 譯 畢業(yè)設計題目：氣動翻轉機械手部件設計 原文1：Compliance effects in a parallel jaw gripper 譯文1：一個平行夾爪夾持器的合規(guī)性效果 原文2：Design and feasibility tests of a flexible gripper based on inflatable rubber pockets 譯文2：一個平行夾爪夾持器的合規(guī)性效果 基于充氣橡膠袋的一個靈活機械手的設計和可行性測試 作者：Ho Choi, Muammer Koc 國籍：美國 出處：2005年密歇根大學安阿伯工程學院NSF ERC的可重構制造系統(tǒng) 摘要：在本文中，基于對于不同類型、設計和控制范疇的現(xiàn)有夾具的文獻調查，我們展示了一個靈活的夾具設計的可行性測試結果。在報告中我們設計、分析、建立、測試了基于對符合規(guī)范的材料（如橡膠）與氣動充氣相結合使用的靈活性夾具。參數(shù)化有限元分析的進行用來調查過程和設計參數(shù)如橡膠材料，壓力，初始夾頭位移和摩擦的影響。 基于有限元分析的結果，我們設計和建造了一個簡單的，單一的橡膠袋靈活夾具?？尚行詫嶒灥倪M行展示且獲得了設計的可能性和局限性的整體理解，結果發(fā)現(xiàn)，我們可以抓取和放置不同的形狀（圓柱形，棱柱形和復雜形狀）、不同重量（20g-50g）、不同類型（雞蛋，鋼半球，蠟缸等）的對象，而不會失去對對象的控制。兩個不同的部分的形狀（即，棱柱形或圓柱形）的定位誤差范圍被發(fā)現(xiàn)為20-90mm（平移）和0.03-0.91mm（旋轉）。 關鍵詞：機械手設計 策略 靈活性 選擇 機器人 橡膠 1介紹： 機械手是一種應用在機器人上使用手臂末端的工具，在材料被做其他處理的時候，它具有對材料實現(xiàn)抓取、握持、升降、移動和控制的功能。人的手掌在抓取材料方面一直是最常見的、最多功能的、也是最有效和最微妙的形式，但是，在重復周期、重載荷和極端環(huán)境下，人類必須發(fā)展機械手以代替自己的手。在20世紀60年代現(xiàn)代機器人出現(xiàn)以后，機械手在更多的場合下代替了人手。盡管有由于其可靠性、耐用性和生產(chǎn)效率而帶來的初始成本和日常維護費用較高等問題，但是，我們在實踐中發(fā)現(xiàn)機械手系統(tǒng)在重復抓取和處理材料方面是極其有效的。然而，機械手的成本可能比一個機器人成本還要高20%，這要取決于機械手的具體應用和部分零件的復雜性了。如果對于制造系統(tǒng)中需要的靈活性有要求，一個合適的機械手的成本甚至可能更高，因為他們需要額外的控制器，傳感器和設計需求，以至于到能夠處理的不同部分的問題。 在21世紀全球化的影響下生產(chǎn)制造企業(yè)都需要去滿足客戶不斷變化的需求，如產(chǎn)品數(shù)量、品種繁多、快速交貨等等。靈活的和可重構的制造系統(tǒng)（FMS，RMS）作為對不可預知的和經(jīng)常變化的市場環(huán)境的一種解決方案，已變成一種科學和工業(yè)的實踐。為了充分實現(xiàn)RMS和FMS，機械手——作為很少與最末端產(chǎn)品直接接觸的一種工具，必須設計的具有靈活性。 在機器人技術應用的初期，大多數(shù)機械手被設計為使用于專門的任務，而且形狀、尺寸、重量改變的條件下不能進行修改。后來，各種各樣靈活性的克服這些缺點的機械手被設計了出來，但除了他們普遍擁有的較高成本是一個障礙外，日常維護和一些材料和應用上的限制也是個問題。盡管機械手的不足有很多，但合適成本的”柔性的機械手設計”作為設想的FMS和RMS中的一個重要元素，一直是我們尋求的解決靈活的材料處理系統(tǒng)問題的方案。例如，許多工廠的裝配作業(yè)廣泛使用專用夾具和固定裝置。這些應用是部分特定的，因此當模式轉變時，這些裝置必須改變或替換掉。重新設計、制造、安裝和拆卸這些機械手和固定裝置的成本是很高的（汽車制造商每年個工廠需要大約1億美元的錢，但是，隨著更加靈活好用的替代品的開發(fā)，這個成本肯定會逐漸降低。 在這片論文中，第一部分介紹的是廣泛的閱讀和討論不同類型、不同設計的機械手；第二部分講的是基于規(guī)范材料和內(nèi)部壓力（如把氣沖入橡膠袋中）的一種機械手設計，這種類型的機械手用彈性夾持元件和同過加壓裝置來確定活躍自由度的方法，來確定抓取物體的形狀；在第三部分中展示了一個參數(shù)的有限元分析的結果，它描述了在不同載荷和部分條件下靈活機械手選擇的配置性能，以便確定合適的參數(shù)設置和材料；最后，在第四部分做了后原型設計和可行性表征測試，用來描述靈活機械手的缺點和優(yōu)點。 2對機械手的設計和類型進行的文獻調查 2.1機械手的設計方法 Wright等人分析比較了機械手與人手抓取系統(tǒng)，并把機械手分成與機器人手臂和控制系統(tǒng)相兼容、安全抓取和握持對象、準確的完成復雜性任務三種類別。許多工廠的機械手的例子和機械手設計指導方針也被描述進去了。Pham等人總結了機械手在不同應用環(huán)境下設計方案應該如何選擇。在他們的研究中，影響機械手如何選擇的變量如下：（a）成分，（b）任務,(c)環(huán)境，（d）機械臂和控制條件。“成分”這個變量包括幾何、形狀、重量、表面質量和溫度，這些因素都需要考慮好。對于可重構系統(tǒng)，他們以形狀和大小為標準又把這個變量分成了其他家族。對于“任務”這個變量，除了機械手的類型、不同組成部分的數(shù)量、準確性及周期需要考慮外，還有主要的操作處理如抓取、握持、移動和放置都要考慮。在合適的地方設計核實的機械手，必須考慮所有的因素，而且驗證性的測試必須要多做。為了減少疲勞效應，pham等人開發(fā)了一個用于選擇機械手的專家系統(tǒng)。他們建立了一個混合型專家系統(tǒng)，這是采用以規(guī)則為基礎面向對象的編程方法。 2.2 機械手的分類 機械手也可以有他們的目的、大小、載荷、和驅動力來分類。通常情況下，機械手的工作機制和主要特征有驅動力的分類來定義。機械手的驅動力通常有電動、氣動、液壓，或在某些情況下有真空磁六變流體和形狀記憶等。 一個平行爪機械手的合規(guī)性效應 作者：A.J.G. Nuttall, A.J. KleinBreteler 國籍：荷蘭 出處：2002年荷蘭代爾夫特設計學院 摘要：本文討論了平行爪機械手的機械合規(guī)性效應。在研究專用機械手設計的一個案例中，分析了兩種不同設計元素對兼容特性的影響——預加載彈簧的彈性和由摩擦引起的阻力。這種機械手通過操縱半自動旋鎖來保護海輪貨物集裝箱。這種適應性效應能有效的減少偏差和對機械手的過載。 關鍵字：機械合規(guī)性 扭鎖操作 預裝載彈簧 摩擦力 1 介紹： 機械手在夾具的幫助下抓取和操作對象。通常把被操作的對象放在一個指定的位置，機器人可以抓取住并將其移動到另一個指定的位置。當開始的抓取位置和最后放置的目的位置是能由外部干擾而移動的沉重剛體時，抓取就會出現(xiàn)困難。如果機械手無法在抓取和釋放中適應這種動作，那么這種運動的巨大力量就會被傳遞到機械手本身，可能導致機械手破壞。因此，機械手應該變成靈活的或者能適應復雜僵硬的環(huán)境。 通過標準的終端效應或夾具，適應性可以引入到機械手中。這個可以用不同的方法來實現(xiàn)。我們在文獻中能發(fā)現(xiàn)各種各樣的關于機械手合規(guī)性的主題，這些都主要集中在對通用夾具和精細操作的控制理論中。在這種環(huán)境中適應性被調查用于剛度模型，而且可以引入遠程合規(guī)中心。這些調查借助特殊的傳感器和執(zhí)行器的可靠力量和可能的位置控制把合規(guī)性整合進控制系統(tǒng)。這種形式的電子控制的通用夾持器可以管理許多不同的任務和對象。 這是與被設計用于特定任務和對象的有特殊用途的端部執(zhí)行器相反的，通過利用簡單的傳感器和與以機械形式的合規(guī)性效應相結合的執(zhí)行器，一種有效的、可靠的、強大的機械手就能產(chǎn)生，這種機械手能夠適應運動（以有限制的方式）的握持點。適應這種形式的合規(guī)性夾具配置已被證明很難在文獻中找到。 本文給出了在夾持器的機械合規(guī)效應影響下的一個觀點。這是一個對夾具設計的案例研究。作為例子，它討論了兩種不同的機械合規(guī)模式。這個例子由一個用于操縱半自動旋鎖的平行爪機械手配置組成。 2扭鎖機械手的背景 機械手被要求能自動連接和從和到集裝箱的底部角配件移除半自動旋鎖。在左邊圖1所示為一種半自動的扭鎖，這種類型的扭鎖是一種綁扎設備，用于固定海域航行貨柜船舶的甲板。它由一本體，一上部和下部旋轉錐和一個用于錐位置手動操作的手柄組成。 通過下側錐體的旋轉的解鎖，上部錐體可以被插入到右圖所示的底部的角鑄件。因為它的孔的形狀相匹配，所以最上方的領口修正成的孔的角鑄件。當錐體旋轉回其原始位置時，旋轉式鎖銷被固定在底部的角鑄件，手柄是用于手動操作，如果它被拉到該軸旋轉時，錐體就連接在一起。為了這種固定過程的自動化和反向操作這種夾具必須被設計成能通過其脖子上的足夠的抓力來抓取不同類型的旋鎖。當機械手定位在開放式平行爪扭鎖時，平行爪也必須打開的足夠大來防止和錐體發(fā)生碰撞 圖1半自動扭鎖和邊角集裝箱 因為它會通過連接線被懸掛在空氣中或擱在有氣動輪胎的軋制底盤上，所以這種容器能夠在由于外部干擾而產(chǎn)生的抓取和釋放操作中移動。風就是一個干擾的例子，它能夠在集裝箱的側面上產(chǎn)生波動力量，這可能會導致振蕩運動。由于大型集裝箱（30噸）的可能的運動和結構堅固的扭鎖，這種機械手將必須是兼容的，以防止對自身或對機器的其他部件造成破壞。機械合規(guī)性有助于解決在集裝箱上的移動抓取點的問題，也有助于保持必要的控制系統(tǒng)簡單化。 因為軸環(huán)是不同的扭鎖設計中常見的元素，所以它被選擇作為與夾具接觸的表面。它必須適應標準化的角鑄件的孔，所以形狀和大小大體相同。盡管孔的寬度的公差只允許被控制在1.5毫米以內(nèi)，但在實踐中發(fā)現(xiàn)，軸環(huán)的寬度可以取在57毫米和62毫米之間。在這5毫米的范圍內(nèi)，軸環(huán)的尺寸必須對夾具的可靠性操作加以考慮。 這是在扭鎖操作過程中必須要保證的最小的作用力，可以用于所有軸口的類型。在圖2a中顯示了在抓取過程中由鉗口施加的作用力。套環(huán)側上產(chǎn)生的摩擦力必須足夠大，以補償在扭鎖上產(chǎn)生的靜態(tài)和動態(tài)的力。在與軸環(huán)表面平行的方向上必須進行補償?shù)目偟淖饔昧Γ‵tot）大小是200 N，這是通過確定由操作器和靜電引力造成的動態(tài)力計算出來的?？恐鵀?.125（升）的摩擦系數(shù)可以計算每個的鉗口施加的抓取力，如下 圖2扭鎖抓取力和必要的抓取行程 圖2b顯示了在打開和閉合位置的夾爪。它顯示了在打開的夾具的定位中機械爪必須打開多大的距離。因為圓錐直徑大于凸緣的寬度，所以在圓錐體和機械手之間必須有足夠的間隙以防止碰撞。為了得到一個間隙為15毫米的位移的鉗口，機械手必須具有40毫米。 3找到一個合適的夾具配置 圖3a闡述了現(xiàn)有的能夠產(chǎn)生一個相當大的夾緊力和大位移的夾持器，它由兩個由雙作用氣缸驅動的平行機械爪組成。連接到氣缸的s活塞桿是一個雙齒條齒輪，它能驅動兩個部分扇區(qū)的小齒輪。兩對對稱平行布置閉合聯(lián)系是直接安裝在行星小齒輪上的部分扇區(qū)和提供加緊力的。 這樣的設計只適合應用于就被抓取物體的寬度具有兼容的行為，如果被抓取的對象大于閉合鉗口之間的距離，它們將會在全部關閉之前與對象接觸，因此在關閉操作的期間，活塞將不會移動到結束位置， 它使抓取不同尺寸的物體變成可能。然而，檢測閉合位置的機械爪將變得更加困難。這需要一種特殊的檢測方法如作用力檢測將要求測量閉合位置。 如圖3a所示的機械手結構圖中，在圖3b中機械手可以被給予額外的約束。為了在水平方向能夠得到約束，預加載的彈簧已經(jīng)被添加到機械手中。預載彈簧提供了兩個好處，首先，所有需要建立足夠的抓力的行程會變短。如果預壓被設置為所需的最小的抓取力，那機械手在抓取到對象之后，彈簧幾乎不需要一段安全抓取的距離。第二，需要抓取的最小的力在傳感器的幫助下能保證，檢測到端部位置的氣壓缸。如果機械爪之間的抓取對象到達氣缸閉合行程的末端，那彈簧必須受壓，而且抓取力必須至少等于設定的預緊力。 圖3平行機械手合規(guī)性配置 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）任務書 楊永賀 同學（專業(yè) / 班級：機械設計制造及其自動化09(4)） 現(xiàn)下達畢業(yè)設計（論文）課題任務書，望能保質保量地認真按時完成。 課題名稱 氣動翻轉機械手部件設計 主要任務與 目標 工業(yè)機械手是現(xiàn)代生產(chǎn)線設備，機械手可快速準確地完成規(guī)定動作，縮短輔助時間，提高生產(chǎn)效率。由于機械手的重要作用，國內(nèi)外已研制有大量機械手，多數(shù)屬專用設備，單種機械手只能應用固定場合，對新的應用，須研制新機械手。在借鑒已有機械手的基礎上，可對機械手結構和功能加以改進，以適應多種需要。 課題主要設計一套氣動翻轉機械手部件，功能為將工件移位并實現(xiàn)翻轉動作。設計內(nèi)容包括傳動部件的結構設計、傳動方式的選擇、傳動件的結構設計、支撐方式的選擇、夾持部件的設計、以及其他結構件的設計。重點解決氣動翻轉部件的結構設計、傳動結構設計和夾持部件的結構設計。 主要任務是： 1）氣動翻轉機械手部件方案設計； 2）重要零部件分析計算； 3）氣動翻轉機械手部件結構設計； 目標： 設計一套氣動翻轉機械手部件，功能為將工件移位并實現(xiàn)翻轉動作。方案及結構設計合理，圖紙滿足生產(chǎn)要求。 主要內(nèi)容與基本要求 主要設計內(nèi)容： 1）氣動翻轉機械手部件方案的確定； 2）工況及受力分析； 3）傳動方式選擇； 4）重要尺寸計算； 5）部件結構設計； 6）零件結構設計； 7）技術要求的制定。 基本要求： 按照題目內(nèi)容，完成方案設計，結構設計，裝配圖和零件圖繪制，總計不少于2張零號圖紙，方案結構合理。 完成畢業(yè)設計要求的各種文檔，包括文獻綜述、開題報告、外文翻譯及畢業(yè)設計論文等。 按照進度安排，認真按時完成設計任務。  主要參 考資料 及文獻 閱讀任務 查閱與課題有關的文獻（論文、書籍或手冊等）不少于10篇（部），寫出符合要求的文獻綜述報告。主要參考文獻如下： [1] 郭瑞潔, 鐘康民. 基于鉸桿-杠桿串聯(lián)增力機構的內(nèi)夾持氣動機械手[J]. 液壓與氣動, 2009, 1:55-56. [2] 于傳浩, 章滌峰. 一種氣動機械手夾持機構的設計[J]. 液壓氣動與密封, 2003, 101(5):22-28. [3] 吳淑英. 機械手氣動手爪的結構分析與選擇[J]. 制造技術與機床, 1998, 9:9-11. [4] 姚二民, 王新杰, 馬韜. 一種氣動式機械手的設計[J]. 機械設計與制造, 1996, 2:19-20. [5] 陶湘廳, 袁銳波, 羅璟. 氣動機械手的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 機床與液壓, 2007, 35(8):226-228. [6] A. J. G. Nuttall, A. J. Klein Breteler. Compliance effects in a parallel jaw gripper [J]. Mechanism and Machine Theory, 2003, 38(12): 1509-1522. [7] Ho Choi, Muammer Koc. Design and feasibility tests of a flexible gripper based on inflatable rubber pockets [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(12-13):1350-1361. 外文 翻譯任務 閱讀2篇以上（10000字符左右）的外文材料，完成2000漢字以上的英譯漢翻譯。英文參考文獻如下： [1] A. J. G. Nuttall, A. J. Klein Breteler. Compliance effects in a parallel jaw gripper [J]. Mechanism and Machine Theory, 2003, 38(12): 1509-1522. [2] Ho Choi, Muammer Koc. Design and feasibility tests of a flexible gripper based on inflatable rubber pockets [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(12-13):1350-1361. 計劃進度： 起止時間 內(nèi)容 12月初~12月上旬 前期資料準備、畢業(yè)設計任務書、文獻綜述、外文翻譯布置。 12月上旬~01月上旬 查閱資料(包括外文資料)，撰寫文獻綜述、開題報告及外文資料翻譯。 01月上旬~01月中旬 完成開題報告。開題報告答辯。 01月下旬~02月中旬 (寒假) 總體方案設計，分析計算，結構設計。 02月下旬~04月上旬 方案設計，分析計算，結構設計，圖紙繪制，撰寫說明書。 04月上旬~04月中旬 畢業(yè)設計中期檢查完成情況及表格與記錄的填寫。 04月中旬~05月上旬 完成圖紙繪制，說明書撰寫。提交畢業(yè)設計（論文）。 05月上旬~05月中旬 畢業(yè)設計（論文）的審閱；評議小組分組審閱。 05月中旬~05月下旬 畢業(yè)設計答辯。 實習地點 指導教師 簽 名 年 月 日 系 意 見 系主任簽名： 年 月 日 學院 蓋章 主管院長簽名： 年 月 日 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 班 級 09機械設計制造及其自動化（4）班 姓 名 楊永賀 課題名稱 氣動翻轉機械手部件設計 目 錄 1 選題的背景與意義 1.1背景與意義 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2 發(fā)展趨勢 2.1重復高精度 2.2模塊化 2.3無給油化 3 研究的基本內(nèi)容 3.1氣動翻轉機械手的結構設計 3.2氣動翻轉機械手的三維建模、裝配 4 研究方案、可行性分析及預期研究成果 4.1研究思路方案 4.2可行性分析 5 研究工作計劃 參考文獻 成績： 答 辯 意 見 答辯組長簽名： 年 月 日 系 主 任 審 核 意 見 簽名： 年 月 日 氣動翻轉機械手設計的設計與分析 楊永賀 (機械設計制造及其自動化09(4)班 B09370126) 1 選題的背景與意義 1.1 背景與意義 氣動機械手的驅動力為氣壓，機械手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器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，它主要是用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。所以氣動機械手能夠降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率。但它的缺點也很明顯，因為氣體具有很大的可壓縮性, 要做到氣動機械手精確定位難度很大, 尤其是難以實現(xiàn)任意位置的多點定位；而且可壓縮性也帶來不能承受過重的負載的限制。傳統(tǒng)氣動系統(tǒng)只能靠機械定位置的調定位置而實現(xiàn)可靠定位, 并且其運動速度只能靠單向節(jié)流閥單一調定, 經(jīng)常無法滿足許多設備的自動控制要求[1-2]。 近20年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬， 尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合, 使整個系統(tǒng)自動化程度更高, 控制方式更靈活, 性能更加可靠; 氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展, 對氣動技術提出了更多更高的要求;由于氣動脈寬調制技術具有結構簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點, 國內(nèi)外都在大力研發(fā)氣動機械手[1]。 目前生產(chǎn)線上的氣動翻轉機械手一個運動進程只能實現(xiàn)一次抓取和翻轉的功能，效率太低。本次設計針對這個缺點，設計出了一個運動進程能實現(xiàn)兩次抓取和翻轉，提高了工作效率，加快生產(chǎn)效率。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.2.1 國外氣動機械手狀況 從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看, 近30多年來, 氣動行業(yè)發(fā)展很快。20世紀70年代, 液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為9：1, 而30多年后的今天, 在工業(yè)技術發(fā)達的歐美、日本等國家, 該比例已達到6：4, 甚至接近5：5。 90年代初，有布魯塞爾皇家軍事學院Y.Bando教授領導的綜合技術部開發(fā)研制的電子氣動機器人--"阿基里斯"六腳勘測員，也被稱為FESTO的"六足動物"[12]。Y.Bando教授采用了世界上著名的德國FESTO生產(chǎn)的氣動元件、可編程控制器和傳感器等，創(chuàng)造了一個在荷馬史詩中最健壯最勇敢的希臘英雄--阿基里斯。它能在人不易進入的危險區(qū)域、污染或放射性的環(huán)境中進行地形偵察。六腳電子氣動機器人的上方安裝了一個照相機來探視障礙物，能安全的繞過它，并在行走過程中記錄和收集數(shù)據(jù)。六腳電子氣動機器人行走的所有程序由FPC101-B可編程控制器控制，F(xiàn)PC101-B能在六個不同方向控制機器人的運動，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三個腳與地面接觸，機器人便能以一種平穩(wěn)的姿態(tài)行走，六腳中的每一個腳都有三個自由度，一個直線氣缸把腳提起、放下，一個擺動馬達控制腳伸展、退回，另一個擺動馬達則負責圍繞腳的軸心作旋轉運動。每個氣缸都裝備了調節(jié)速度用的單向節(jié)流閥，使機械驅動部件在運動時保持平穩(wěn)，即在無級調速狀態(tài)下工作?？刂茪飧椎拈y內(nèi)置在機器人體內(nèi)，由FPC101-B可編程控制器控制。當接通電源時，氣動閥被切換到工作狀態(tài)位置，當關閉電源時，他們便回到初始位置。此外，操作者能在任何一點上停止機器人的運動，如果機器人的傳感器在它的有效范圍內(nèi)檢測到障礙物，機器人也會自動停止[13]。 由漢諾威大學材料科學研究院設計的氣動攀墻機器人，它能在兩個相互垂直的表面上行走(包括從地面到墻面或者從墻面到天花板上)。該機器人軸心的圓周邊上裝備著等距離(根據(jù)步距設置)的吸盤和氣缸，一組吸盤吸力與另一組吸盤吸力的交替交換，類似腳踏似的運動方式，使機器人產(chǎn)生旋轉步進運動。這種攀墻式機器人可被用于工具搬運或執(zhí)行多種操作，如在核能發(fā)電站、高層建筑物氣動機械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究或船舶上進行清掃、檢驗和安裝工作。機器人用遙控方式進行半自動操作，操作者只需輸入運行的目標距離，然后計算機便能自動計算出必要的單步運行。操作者可對機器人進行監(jiān)控[7]。 國外的設計人員對于機械手的設計理念已經(jīng)非常成熟。Wright等人分析比較了機械手與人手抓取系統(tǒng)，并把機械手分成與機器人手臂和控制系統(tǒng)相兼容、安全抓取和握持對象、準確的完成復雜性任務三種類別。許多工廠的機械手的例子和機械手設計指導方針也被描述進去了。Pham等人總結了機械手在不同應用環(huán)境下設計方案應該如何選擇。在他們的研究中，影響機械手如何選擇的變量如下：（a）成分，（b）任務,(c)環(huán)境，（d）機械臂和控制條件。“成分”這個變量包括幾何、形狀、重量、表面質量和溫度[5]，這些因素都需要考慮好。對于可重構系統(tǒng)，他們以形狀和大小為標準又把這個變量分成了其他家族。對于“任務”這個變量，除了機械手的類型、不同組成部分的數(shù)量、準確性及周期需要考慮外，還有主要的操作處理如抓取、握持、移動和放置都要考慮。在合適的地方設計核實的機械手，必須考慮所有的因素，而且驗證性的測試必須要多做。為了減少疲勞效應，pham等人開發(fā)了一個用于選擇機械手的專家系統(tǒng)。 1.2.2 國內(nèi)氣動機械手情況 我國改革開放以來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。1986年至2003年間，氣動元件產(chǎn)值的年第增率達24.2，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率10的水平。雖然市場和應用發(fā)展迅速，但是我國的氣動技術與歐美、日本等國相比，還存在著相當大的差距。我國在氣動技術的研究與開發(fā)的方面，缺乏先進的儀器與設備，研究開發(fā)手段落后，技術力量差，每年問世的新產(chǎn)品數(shù)量極其有限。在許多開發(fā)與研究領域還是空白，因此必須跟蹤國外氣動技術的最新發(fā)展動向，以減小差距，提高我國氣動技術的水平[8]。 2 發(fā)展趨勢 2.1 重復高精度 精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度, 它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復多次, 機械手到達同樣位置的精確程度重復精度比精度更重要, 如果一個機器人定位不夠精確, 通常會顯示一個固定的誤差, 這個誤差是可以預測的, 因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復運行機器人來測定[15] 。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展, 以及氣動伺服技術走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機械手的重復精度將越來越高, 它的應用領域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 2.2 模塊化 有的公司把帶有系列導向驅動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術, 而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的氣動機械手比組合 導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統(tǒng)裝置, 使機械手運動自如。由于模塊化氣動機械手的驅動部件采用了特殊設計的 滾珠軸承, 使它具有高剛性、高強度及精確的導向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應用范圍, 是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向。智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動機械手和氣動機器人的性能起到了十分重要的支持作用。因為智能閥島本來就是模塊化的設備, 特別是緊湊型CP 閥島, 它對分散上的集中控制起了十分重要的作用, 特別對機械手中的移動模塊。 2.3 無給油化 為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求, 不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術的進步, 新型材料(如燒結金屬石墨材料) 的出現(xiàn), 構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件, 不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境, 而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長[16]。 2.4 機電氣一體化 由“可編程序控制器- 傳感器- 氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重要方面;發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制氣動元件, 使氣動技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC 的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC, 而閥島技術的發(fā)展, 又使PLC 在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手[17-22]。 3 研究的基本內(nèi)容 本次畢業(yè)設計中主要完成的內(nèi)容包括： 3.1 氣動翻轉機械手的結構設計 對氣動翻轉機械手的抓取系統(tǒng)、翻轉系統(tǒng)和連接系統(tǒng)進行設計，包括抓取部件、翻轉部件及連接部件和氣動執(zhí)行部件。根據(jù)氣動執(zhí)行部件來驅動抓取部件中的齒條運動，帶動齒輪、齒條一起運動，最終造成兩個齒條的相互運動，實現(xiàn)外部的抓取功能。然后通過連接部件實現(xiàn)兩根軸在同一條線上的不同方向轉動，再通過翻轉部件實現(xiàn)兩個抓取物件同時翻轉的功能。 下面是可能方案一： 下面是可能方案2： 3.2 氣動翻轉機械手的三維建模、裝配 氣動翻轉機械手各部分的具體結構設計，利用Pro/Engineer軟件建立三維模型，進行裝配分析，進一步改進結構設計。分別對各個零件進行建模，再裝配分析是否出現(xiàn)尺寸大小不配套還有運動機構卡死等問題，如果有的話必須調整方案或數(shù)據(jù)。最后通過改進實現(xiàn)最后的裝配。裝配完后進行投影二維圖紙并標注，某些重要的零部件要進行剖視處理。最后得到較好的裝配圖、二維圖紙和三維圖紙。 3.3 氣動翻轉機械手的運動學仿真 通過建立的三維模型，進行運動學仿真分析，分抓取系統(tǒng)、氣動驅動和連接系統(tǒng)三個階段進行動力學分析。運動仿真時要看能不能運動的起來，確保氣動翻轉機械手實現(xiàn)翻轉和氣動的功能。 4 研究思路方案、可行性分析及預期成果 本設計論文擬采用理論分析與三維建模與仿真實驗的方法，在前人的基礎上，通過三維Pro/E環(huán)境完成氣動翻轉機械手的設計仿真，并對其進行初步的運動學分析。 4.1 研究思路方案 具體思路方案包含以下三個方面： 4.1.1 根據(jù)抓取物件大小與形狀對氣動翻轉機械手進行結構設計 包括整體移動系統(tǒng)、氣動驅動系統(tǒng)、抓取系統(tǒng)、連接及可翻轉系統(tǒng)，基于以上理論可進行對氣動翻轉機械手機構原理分析。 4.1.2 氣動機械手Pro/ E三維建模、裝配 目前,隨著計算機輔助技術的不斷發(fā)展,三維造型軟件功能不斷完善,傳統(tǒng)的二維設計正逐漸被三維實體設計所代替。 Pro /Engineer是美國PTC公司于1988年開發(fā)的參數(shù)化設計系統(tǒng),是一套由設計至生產(chǎn)的機械自動化的三維實體模型(3DS)設計軟件,它不僅具有CAD 的強大功能,同時還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應用于工業(yè)設計、機械設計、模具設計、機構分析、有限元分析、加工制造及關系數(shù)據(jù)庫管理等領域。而且能同時支持針對同一產(chǎn)品進行同步設計,具有單一數(shù)據(jù)庫、全相關性、以特征為基礎的參數(shù)式模型和尺寸參數(shù)化等優(yōu)點。采用三維CAD 設計的產(chǎn)品,是和實物完全相同的數(shù)字產(chǎn)品,零部件之間的干涉一目了然,Pro/Engineer 軟件能計算零部件之間的干涉和體積,把錯誤消滅在設計階段[9]。 運用Pro/ E三維設計平臺,通過對特征工具的操作,避免高級語言的復雜編程,所開發(fā)設計出來的氣動翻轉機械手,便于研究人員通過對界面特征工具的操作,生成氣動翻轉機械手實體模型，甚至輸出所需要的工程圖及相關分析數(shù)據(jù)。這樣既可輔助研究人員完成其設計構思、減輕勞動強度、提高效率和精度、改善視覺的立體效果,并可有效地縮短研制周期,提高設計制造的成功率;也為后續(xù)的3D運動學仿真分析奠定了基礎。 4.1.3 氣動翻轉機械手Pro/ E運動學仿真分析 運動仿真是機構設計的一個重要內(nèi)容, 在Pro /E的Mechanism模塊中,通過對機構添加運動副、驅動器使其運動起來,來實現(xiàn)機構的運動仿真。通過仿真技術可以在進行整體設計和零件設計后, 對各種零件進行裝配后模擬機構的運動, 從而檢查機構的運動是否達到設計的要求, 可以檢查機構運動中各種運動構件之間是否發(fā)生干涉，實現(xiàn)機構的設計與運動軌跡校核。同時, 可直接分析各運動副與構件在某一時刻的位置、運動量以及各運動副之間的相互運動關系及關鍵部件的受力情況。在Pro /E環(huán)境下進行機構的運動仿真分析,不需要復雜的數(shù)學建模、也不需要復雜的計算機語言編程,而是以實體模型為基礎,集設計與運動分析于一體,實現(xiàn)產(chǎn)品設計、分析的參數(shù)化和全相關,反映機構的真實運動情況。 本次畢業(yè)設計以PTC公司的三維建模軟件Pro/E及其中的運動學仿真功能建立氣動翻轉機械手的運動仿真模型。首先在Pro/E中建立氣動翻轉機械手的三維CAD模型，然后完成氣動翻轉機械手的裝配，設置機構運動的初始位置，添加驅動和約束，進行運動仿真。在整個過程中，需要對建立模型等前續(xù)工作進行不斷的修改和完善，才能生成所要求的氣動翻轉機械手的仿真模型。 4.2 可行性分析 抓取和翻轉系統(tǒng)的結構設計和研究是機械手方面研究的基礎。因此，對具有理想結構的抓取和翻轉系統(tǒng)進行運動學和動力學、控制理論、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意義的。因此,要進行抓取和翻轉系統(tǒng)的結構設計研究，從幾何、運動學、動力學及結構關系等不同角度對機械手進行研究, 使機械手能比較完美的在抓取和翻轉物體。在前人研究工作基礎上，本設計論文進行氣動翻轉機械手設計與仿真，在基本原理上是可行的。 本設計的工作主要涉及力學、機械原理和機械設計等方面的知識，以及Pro/ E設計工具，本人已學習了這些相關課程，并取得了較好的成績，掌握了本設計所需的基本知識。 指導老師在氣動翻轉機械手的相關研究方面具有很多成功的經(jīng)驗，本設計的研究方法思路經(jīng)過深思熟慮，切實可行，能夠確保畢業(yè)設計的順利完成并取得預期的研究成果。 4.3 預期研究成果 設計出氣動翻轉機械手，完成三維建模和二維圖紙，并對其中一些零部件進行剖視建模和仿真。通過仿真分析，保證設計能較好的滿足設計要求。 5 研究工作計劃 表1 研究工作計劃 起止時間 內(nèi)容 2012.11.15~2012.12.10 調研、信息匯總，文獻查閱分析 2012.12.10~2012.12.31 外文翻譯、文獻綜述、開題報告，并熟悉理論力學、機械原理等相關知識 2013.01.01~2013.01.10 提交開題報告、文獻綜述及外文翻譯 2013.01.11~2013.01.20 開題答辯 2013.01.21~2013.03.01 氣動翻轉機械手的整體方案設計 2013.03.02~2013.03.28 氣動翻轉機械手抓取和翻轉系統(tǒng)的結構設計及零部件設計 2013.03.29~2013.04.11 三維CAD建模、裝配、三維運動學分析仿真 2013.04.12~2013.04.24 結構改進設計及畢業(yè)論文撰寫 2013.04.25~2013.05.02 完成并提交畢業(yè)論文 2013.05.03~2013.05.10 整理材料準備答辯 參考文獻 [1]陶湘廳，袁銳波，羅璟.氣動機械手的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 機床與液壓, 2007, 35(8):226-228. 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