气动机械手的控制形式及应用

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1、毕 业 设 计06 级设计题目：气动机械手的控制形式及应用 姓 名 赵 鹏 班 级 机 制 063 系 别 机电工程系 学 校 邢台职业技术学院 指导教师 李 莉 2009 年 06 月摘 要随着我国科学和工业的迅速发展，工业现代化进程日新月异，高温 、震动、易燃、易爆、多埃、强磁、辐射等恶劣环境无疑已成为现代化工业必须克服的对象。实现它的目的就是减少对人的伤害，以及高速高效的完成工作任务。本文综述了气动机械手的控制形式及在工厂中的综合运用。现在在工农业生产及设备安装中机械手的应用已经相当普遍，而气动机械手因其具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和环保而被广泛应用。关键词：机械手，

2、普遍，节能，环保目录第 一 章 概 述 31.1气 动 技 术 31.2机 械 手 简 介 3第 二 章 气 动 机 械 手 52.1 气 动 机 械 手 的 发 展 过程 52.2 气 动 机 械 手 的 应 用 现状 52.3 气 动 机 械 手 的 控制 5第 三 章 气 动机 械 手 的 发 展 前 景 及 方 向 8 3.1重 复 精 度 高 83.2模 块 化 93.3无 给 油 化 93.4机 电 一 体 化 10第 四 章 结 论 和 展 望 12参 考 文 献 13致 谢 14第一章 概述1.1 气动技术近 20 年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得

3、到广泛应用。电器可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。从各国的行业统计资料来看，近 30 多年来，气动行业发展很快。20 世纪 70 年代，液压与气动元件的产值比约为 9:1，而 30 多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到 6:4，甚至接近

4、 5:5。我国的气动行业起步较晚，但发展较快。从 20 世纪 80 年代中期开始，气动元件产值的年递增率达 20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC 技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。大约开始于 1776 年，Johnwilkimson 发明能产生 1 个大气压左右压力的空气压缩机。1880 年，人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将它成功地用到火车的制动上。20 世纪

5、30 年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。至 50 年代初，大多数气压元件从液压元件改造或演变过来，体积很大。60 年代，开始构成工业控制系统，自成体系，不再与风动技术相提并论。在 70 年代，由于气动技术与电子技术的结合应用，在自动化控制领域得到广泛的推广。80 年代进入气动集成化、微型化的时代。90 年代至今，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展，人们克服了阀的物理尺寸局限，真空技术日趋完美，高精度模块化气动机械手问世，智能气动这一概念产生，气动伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定位，智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。1.2

6、 机械手简介机 械 手 也 被 称 为 自 动 手 。能 模 仿 人 手 和 臂 的 某 些 动 作 功 能 ， 用 以 按 固 定 程 序 抓 取 、 搬 运 物 件 或 操 作 工 具 的 自动 操 作 装 置 。 它 可 代 替 人 的 繁 重 劳 动 以 实 现 生 产 的 机 械 化 和 自 动 化 ， 能 在 有 害 环 境 下 操作 以 保 护 人 身 安 全 ， 因 而 广 泛 应 用 于 机 械 制 造 、 冶 金 、 电 子 、 轻 工 和 原 子 能 等 部 门 。机 械 手 主 要 由 手 部 、 运 动 机 构 和 控 制 系 统 三 大 部 分 组 成 。 手 部

7、是 用 来 抓 持 工 件 （ 或工 具 ） 的 部 件 ， 根 据 被 抓 持 物 件 的 形 状 、 尺 寸 、 重 量 、 材 料 和 作 业 要 求 而 有 多 种 结 构 形式 ， 如 夹 持 型 、 托 持 型 和 吸 附 型 等 。 运 动 机 构 ， 使 手 部 完 成 各 种 转 动 （ 摆 动 ） 、 移 动 或复 合 运 动 来 实 现 规 定 的 动 作 ， 改 变 被 抓 持 物 件 的 位 置 和 姿 势 。 运 动 机 构 的 升 降 、 伸 缩 、旋 转 等 独 立 运 动 方 式 ， 称 为 机 械 手 的 自 由 度 。 为 了 抓 取 空 间 中 任 意

8、位 置 和 方 位 的 物体 ， 需 有 6 个 自 由 度 。 自 由 度 是 机 械 手 设 计 的 关 键 参 数 。 自 由 度 越 多 ， 机 械 手 的灵 活 性 越 大 ， 通 用 性 越 广 ， 其 结 构 也 越 复 杂 。 一 般 专 用 机 械 手 有 2 3 个 自 由 度 。机 械 手 的 种 类 ， 按 驱 动 方 式 可 分 为 液 压 式 、 气 动 式 、 电 动 式 、 机 械 式 机 械 手 ； 按 适用 范 围 可 分 为 专 用 机 械 手 和 通 用 机 械 手 两 种 ； 按 运 动 轨 迹 控 制 方 式 可 分 为 点 位 控 制 和 连续 轨

9、 迹 控 制 机 械 手 等 。机 械 手 通 常 用 作 机 床 或 其 他 机 器 的 附 加 装 置 ， 如 在 自 动 机 床 或 自 动 生 产 线 上 装 卸 和传 递 工 件 ， 在 加 工 中 心 中 更 换 刀 具 等 ， 一 般 没 有 独 立 的 控 制 装 置 。 有 些 操 作 装 置 需 要 由人 直 接 操 纵 ， 如 用 于 原 子 能 部 门 操 持 危 险 物 品 的 主 从 式 操 作 手 也 常 称 为 机 械 手 。 机 械 手在 锻 造 工 业 中 的 应 用 能 进 一 步 发 展 锻 造 设 备 的 生 产 能 力 ， 改 善 热 、 累 等 劳

10、 动 条 件 。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 。油 田 钻 柱 操 作 机 械 手本 产 品 由 山 东 科 技 大 学 研 发 而 成 ， 主 要 用 于 钻 井 时 的 钻 杆 、 钻 铤 等 的 装 、 卸 工 作。 操 作 机 械 手 设 计 有 两 个 ， 一 个 坐 落 在 一 层 台 井 口 旁 边 2 米 左 右 处 ， 简 称 为 下 手 ； 一个 坐 落 在 二 层 台 上 的 中 心 台 上 ， 简 称 为 上 手 。 下 手 的 腰 部 回 转 角 度 120，

11、 最 大 伸 缩距 离 为 5.7 米 ， 有 5 个 运 动 关 节 ， 在 手 臂 做 伸 缩 运 动 时 ， 手 部 保 持 水 平 平 动 。上 手 的 腰 部 回 转 角 度 为 310 ， 最 大 伸 缩 距 离 2800mm， 上 手 有 9 个 运 动 关 节， 手 臂 做 伸 缩 运 动 时 ， 手 部 保 持 水 平 平 动 。机 械 手 采 用 手 动 比 例 阀 控 制 下 的 液 压 控 制 方 式 。 机 械 手 可 以 完 成 的 操 作 对 象 参 数 为 ： 钻 柱 高 30 m； 钻 杆 重 量 为 ： 40 Kg/m， 总 重 1200 Kg； 钻 铤 （

12、 七 英 寸 直 径 ） 重 量 为 ： 180 Kg /m， 总 重 5400 Kg。一 .硬 臂 式 助 力 机 械 手硬 臂 式 助 力 机 械 手 与 气 动 平 衡 吊 和 软 索 式 助 力 机 械 手 一 样 都 具 有 全 行 程 “漂 浮 ”功能 ， 区 别 是 在 有 扭 矩 产 生 的 情 况 下 无 法 使 用 气 动 平 衡 吊 或 是 软 索 式 助 力 机 械 手 ， 而 必 须选 用 硬 臂 式 助 力 机 械 手 。 比 如 在 工 件 重 心 远 离 臂 悬 挂 点 ， 或 是 工 件 需 要 翻 转 或 倾 斜 情 况下 ， 必 须 选 用 硬 臂 式 助

13、 力 机 械 手 ， 还 有 在 厂 房 高 度 有 限 情 况 下 ， 可 以 选 用 硬 臂 式 助 力 机械 手 。硬 臂 式 助 力 机 械 手 可 以 实 现 提 升 最 大 500Kg 的 工 件 ， 半 径 最 大 可 以 达 到 3000mm， 提 升 高 度 最 大 1800mm。 根 据 起 吊 工 件 重 量 不 同 ， 应 选 择 符 合 最 大 工 件 重 量 的 最小 型 号 的 机 器 ， 如 果 我 们 用 最 大 负 载 200Kg 的 机 械 手 来 搬 运 30Kg 的 工 件 ， 那 么 操作 性 能 肯 定 不 好 ， 感 觉 很 笨 重 。配 有 储

14、 气 罐 ， 可 在 断 气 情 况 下 继 续 使 用 一 个 循 环 ， 同 时 会 报 警 ， 提 醒 操 作 者 ， 在 气压 下 降 到 一 定 程 度 ， 启 动 自 锁 功 能 ， 防 止 工 件 下 降 。 并 设 有 安 全 系 统 ， 在 搬 运 过 程 中 或是 工 件 没 有 被 放 置 在 安 全 表 面 时 ， 操 作 者 不 能 释 放 工 件 。配 合 各 种 非 标 夹 具 ， 硬 臂 式 助 力 机 械 手 可 以 实 现 起 吊 各 种 形 状 的 工 件 。 安 装 形 式 可以 是 地 面 固 定 、 悬 挂 固 定 或 是 导 轨 移 动 。二 .软 索 式 机 械 手 软 索 式 机 械 手 的 功 能 与 气 动 平 衡 吊 类 似 ， 具 有 全 行 程 的 “漂 浮 ”功 能 ， 但 是 提 升 位移 比 气 动 平 衡 吊 要 小 ， 最 大 只 有 1800mm， 而 且 最 大 负 载 只 有 100Kg。由 于 软 索 式 助 力 机 械 手 有 双 关 节 的 机 械 臂 来 实 现 水 平 位 移 ， 工 作 半 径 可 以 达 到2500mm，