搬運機械手設計說明書.doc

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機械與裝備工程學院 課程設計說明書 （2016/2017學年第 1學期） 課程名稱 ： 機械設計課程設計 題 目 ： 搬運機械手的設計 專業(yè)班級 ： 機械設計制造及其自動化 學生姓名 ： 學 號： 130200216 指導教師 ： 設計周數(shù) ： 2周 設計成績 ： 2016年 12月 31日 目錄 第一章 緒論 1 1.1 機械手的應用現(xiàn)狀 1 1.2 機械手研究的目的、意義 1 1.3 設計時要解決的幾個問題 1 第二章 機械手總體方案的設計 3 2.1 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成 3 2.2 機械手的基本結構及工作流程 3 第三章 機械手的方案設計及其主要參數(shù) 5 3.1 坐標形式和自由度選擇 5 3.2 執(zhí)行機構 5 3.3 驅動系統(tǒng) 6 3.4 控制系統(tǒng) 7 第四章 結構設計及優(yōu)化 8 4.1手部夾緊氣缸的設計 8 4.1.1手部夾緊氣缸的設計 8 4.1.2 確定氣缸直徑 9 4.1.3 氣缸作用力的計算及校核 9 4.1.4 缸筒壁厚的設計 10 4.1.5 氣缸的基本組成部分及工作原理 10 4.2手臂結構優(yōu)化設計 10 4.2.1問題描述 10 4.2.2設計分析 10 4.2.3建立數(shù)學模型 12 4.2.4優(yōu)化計算 13 4.2.5優(yōu)化結果分析 16 第五章 Adams運動仿真 17 總結與展望 20 摘 要 機械手是近幾十年發(fā)展起來一種高科技自動化生產(chǎn)設備，它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量、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，隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術自身的一些優(yōu)點，氣動機械手已經(jīng)廣泛應用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。 本設計中的搬運機械手的動作由氣動缸驅動，氣動缸由相應的電磁閥來控制，電磁閥由PLC控制。驅動執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。 本文中對機械手臂運用MATLAB算法進行優(yōu)化設計，它使得優(yōu)化過程變得非常簡單、容易理解和掌握，從而避免編寫各種復雜的運算程序，提高了設計效率。 用 ADAMS 軟件建立虛擬樣機進行仿真并優(yōu)化參數(shù)，得出了機械手的運動過程的演示動畫，發(fā)現(xiàn)設計結構能有機地結合在一起，工作平穩(wěn)，并在指定的速度和負載等參數(shù)下得出了所需要的驅動力和結構參數(shù)等。虛擬樣機代替物理樣機對工程機械進行創(chuàng)新設計、測試和評估，可以降低設計成本，縮短開發(fā)周期，而且設計質量和效率都可以得到提高。 關鍵詞:機械手，氣動 ，優(yōu)化設計，仿真 第一章 緒論 1.1 機械手的應用現(xiàn)狀 工業(yè)機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、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、單調重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質量。目前主要應用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。 1.2 機械手研究的目的、意義 （1）以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 （2）以改善勞動條件，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合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，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) 應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 1.3 設計時要解決的幾個問題 （1）具有足夠的握力(夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 （2）手指間應具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 （3）保證工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 （4）具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。 （5）考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型。 第二章 機械手總體方案的設計 2.1 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成 控制系統(tǒng)（PLC） 位置檢測裝置 手臂 手部 立柱 被抓取物品 執(zhí)行機構 驅動系統(tǒng) （氣壓傳動） 圖2.1 機械手的系統(tǒng)工作原理框圖 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。 2.2 機械手的基本結構及工作流程 機械手是一個水平、垂直運動的機械設備，用來將工件由左工作臺搬到右工作臺。有上升、下降運動，左移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制。簡易機械手在各類全自動和半自動生產(chǎn)線上應用得十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動，替代人工作業(yè)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。本設計中的機械手采用上下升降加平面轉動式結構，機械手的動作由氣動缸驅動，氣動缸由相應的電磁閥來控制，電磁閥由PLC 控制驅動執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。 根據(jù)要求：機械手初始位置在原點位置，每次循環(huán)動作都從原點位置開始，完成上升、下降運動，左移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制，并能實現(xiàn)手動操作和自動操作方式。當機械手在原點位置下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，左傳送帶運轉。當光電開關檢測到物品后，左傳送帶停止運行。根據(jù)分析可得出機械手的工作流程圖，如圖2.2所示 原位 下降 夾緊 上升 右移 停止 左移 上升 松開 下降 啟動 右限 下限 延時 上限 左限 圖2.2 機械手工作流程圖 第三章 機械手的方案設計及其主要參數(shù) 3.1 坐標形式和自由度選擇 直角坐標型 圓柱坐標型 球坐標型 關節(jié)型 具有三個移動關節(jié)（PPP） 具有兩個移動關節(jié)和一個轉動關節(jié)（PPR），受部的坐標為（z，r，θ） 具有兩個轉動關節(jié)和一個移動關節(jié)（RRP） 具有三個轉動關節(jié)（RRR） 由于其運動方程可獨立處理，且為線性的，具有定位精度高， 控制簡單等特點，但操作靈活性較差，運動速度低的特點 這種操作機的優(yōu)點是所占的空間尺寸較小，相對工作范圍較大，結構簡單，手部可獲得較高的速度。而缺點是手部外伸離中心軸愈遠，其切向線位移分辨精度愈低。 通常用于搬運機器 人。 優(yōu)點是結構緊湊，所占空間尺寸小，但目前應用較少。 具有結構緊湊，所占空間體積少，相對工作空間大等特點，用于復雜設備當中。 圖3.1 本機械手采用圓柱座標型式，具有三個自由度，即腰關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)，都為轉動關節(jié)；還有一個用于夾持物料的機械手。 3.2 執(zhí)行機構 1、手部 在本設計中我們采用夾持式手部結構，夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指運動形式采用平移型手指，其夾持圓形零件時，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。手指結構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。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。 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，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 4、機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 3.3 驅動系統(tǒng) 液壓驅動系統(tǒng) 氣動驅動系統(tǒng) 電動驅動系統(tǒng) 由于液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、 力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉換（電能轉換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調速，效率比電動驅動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 具有速度快， 系統(tǒng)結構簡單， 維修方便、價格低等特點。 適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。 由于低慣量、大轉矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調制器）的廣泛采用，這類驅動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，使用方便，噪聲較低。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構。直流有刷電機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動系統(tǒng)高。 圖3.3 機械手驅動系統(tǒng) 氣壓驅動的優(yōu)點： （１）能量儲蓄簡單易行，可以獲得短時間的高速動作： （２）夾緊時無能量消耗，不發(fā)熱； （３）柔軟，安全性高； （４）體積小，重量輕，輸出質量比高； （５）處理簡便，成本低川。 由于氣壓傳動系統(tǒng)具有以上所述優(yōu)點，所以本機械手采用氣壓傳動方式。 3.4 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 相對于其他控制系統(tǒng)，PLC具有如下優(yōu)點： （１）抗干擾能力強，可靠性高； （２）控制系統(tǒng)結構簡單，通用性強； （３）編程方便，使用簡易； （４）功能完善； （５）設計、施工和調試的周期短； （６）體積小，維護操作方便同。 第四章 結構設計及優(yōu)化 4.1手部夾緊氣缸的設計 4.1.1手部夾緊氣缸的設計 夾緊氣缸的夾緊、驅動力的確定，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）驅動力 F驅 = （4.1.2） （其中 b=50，c=30 ，α=23） 故F驅==250（N） F實際≥ （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， K2=1+式中a為被抓取工件運動時的最大加速度， a= v：升降速度0.2m/s，t：機械手達到最高速度的響應時間為0.1s， g為重力加速度 g=9.8m/s2。 那么：K2=1+=1.204； η：手部機械效率，一般取0.85～0.95 取η=0.85（滾動摩擦）； F實際==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 氣缸作用力的計算及校核 F氣缸= （4.1.5） F氣缸==628(N) 因為 F氣缸＞F實際 ， 所以 滿足設計要求。 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實際=531N 則:d ≥ (4531/π120) 1/2 =2.37mm ≤12mm 滿足設計要求。 4.1.4 缸筒壁厚的設計 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徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: δ=DPP/2[σ] （4.1.7） 式中: δ—— 缸筒壁厚 mm D ——氣缸內徑 ，40mm PP——實驗壓力，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 氣動手爪的開閉是通過由氣缸活塞產(chǎn)生的往復直線運動帶動與手爪相連的曲柄連桿機構，驅動各個手爪同步做開、閉運動。 4.2手臂結構優(yōu)化設計 4.2.1問題描述 機械手臂作為機器人的一個重要組成部分，一直是機器人科學研究的熱點之一。機械手臂的結構設計通常是一多解問題。目前，還未形成完備的設計方案。這里針對具體實例，運用目前較為流行的結構優(yōu)化計算來調整截面尺寸和手臂長度，使其在滿足強度、剛度和尺寸要求的前提下，得到最優(yōu)尺寸和最小質量，實現(xiàn)結構優(yōu)化設計。 4.2.2設計分析 手臂運動由提升重物的豎直運動與帶動重物旋轉的水平回轉運動組成。手臂自重相對于重物來說，對手臂強度計算的影響較小，可不作考略，故設計時僅考慮重物G的作用。手臂受力如圖4.2.1所示。 圖4.2.1機械手臂受力圖 （1）抗拉強度條件 如圖4.2.1所示，手臂N點處受到最大拉應力?max，?max是由彎矩M產(chǎn)生的拉應力?1與向心力F產(chǎn)生的應力?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。 對于外徑為D，內徑為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），計算整理得： 120D3-970D2+34D-6.4LD≥0 （2）抗剪強度條件 手臂N點處所受剪應力最大。因圓環(huán)截面壁厚T遠小于外徑D，故最大剪應力為： =2 （4.2.6） 據(jù)抗剪強度條件有； =2≤[] （4.2.7） 將己知數(shù)據(jù)代入式 計算整理得： 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）計算整理得： 30D3-18D2 -0. 64L2≥0 （4）結構尺寸限制 D>>2T L≥40(cm) 4.2.3建立數(shù)學模型 優(yōu)化設計追求的目標是機械手臂的質量m2最小。m2的計算表達式為： m2（x）=M（）= =0.005LD-0.001L (4.2.10) 式中，設計變量 由第二步設計分析計算得D的值約3.5cm， 故式（4.2.10）可簡化為： m2（x）=0.0046LD 顯然，L、D越小，m2值越小。據(jù)此，可寫出優(yōu)化設計的數(shù)學模型[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)學模型是一個單目標非線性二維約束優(yōu)化問題。 4.2.4優(yōu)化計算 我們將用于求解優(yōu)化設計數(shù)學模型的方法或尋優(yōu)的方法稱為優(yōu)化計算方法。對于機械優(yōu)化設計問題，求解常常需要經(jīng)過多步迭代，最終收斂得到最優(yōu)解[1]。這里運用數(shù)學規(guī)劃方法的理論，根據(jù)數(shù)學模型的特點，利用MATLAB6.5軟件進行輔助優(yōu)化計算與設計，以求得機械手臂的最佳設計參數(shù)[2][3][4]。 （1）函數(shù)的性態(tài)分析 應用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; %目標函數(shù) mesh(x,y,M); %通過三維網(wǎng)格模擬目標函數(shù)圖形 在MATLAB6.5下運行程序可畫出目標函數(shù)的三維圖形，如圖4.2.2所示： 圖4.2.2 目標函數(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]) %抗拉強度條件的圖形， hold on y =0：0. 1： 50； X=.0. 2； plot(x，y，‘k’） %抗剪強度條件的圖形， ‘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’） %長度尺寸邊界條件圖形， ‘m’指圖形顏色為紫紅色 hold on title(‘各個約束函數(shù)圖像’） %標注圖形名稱 text(4,45, ‘可行域’） %注明’可行域’區(qū)域 hold off 運行程序繪出約束函數(shù)的圖形，如3所示： 圖4.2.3 設計變量的可行域 Fig. 3 Feasible region of variable design 由圖2可以看出：目標函數(shù)的圖像規(guī)則，即性態(tài)好，對于多數(shù)優(yōu)化方法均適用。對圖3可行域分析可知，實際起約束作用有： 1　 剛度條件：30D3-18D2-0.64L2≥0 2　 結構尺寸限制條件：L-40≥0 所以，計算時只須考慮這兩個條件。這樣就大大簡化了計算過程。 （2）應用MATLAB軟件求解 1　 編與目標函數(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　 因設計約束含非線性約束，故需編寫一個描述非線性 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，并調用優(yōu)化函數(shù)： x0= [4 40]’； A=[0 -1]； b= [ -40]； lb = zeros(1, 1); %賦 0 語句 options = optimset(‘Display’，‘iter’，‘LargeScale’，‘off’ )； [x, fval, exitflag, output] = fmincon( ‘Objfun’, x0,A, b, [ ], [ ], lb, [ ], ‘NonLinConstr’,options) 4　 計算結果： X= 3.8160 %最后的優(yōu)化結果 40. 0000 %D .3. 8160cm, L = 40cm fval = %優(yōu)化后的最小質量 0. 7021 % m2min = 0. 7021kg exitflag = %算法退出處條件 1 outplot = Iterations：2 %函數(shù)調用次數(shù) funcCount：11 %函數(shù)賦值次數(shù) Stepsize：1 %步長 Algorithm：‘medium - scale: SQP, Quasi - Newton, line - search’ %算法 firstorderopt: 0. 1840 %第一優(yōu)化命令的長度 cgiterations: [ ] 經(jīng)11次迭代計算后，求得最優(yōu)方案為： D = 3.8160cm[2], L = 40cm[3], m2=0.7021kg[4]。 4.2.5優(yōu)化結果分析 對機械手臂運動受力進行分析，求得滿足強度、剛度和結構尺寸的方程，并建立了優(yōu)化設計的數(shù)學模型，在此基礎上編制程序求得手臂的最小質量，實現(xiàn)了手臂的結構優(yōu)化設計。本設計的主要特點是運用MATLAB算法進行優(yōu)化設計，它使得優(yōu)化過程變得非常簡單、容易理解和掌握，從而避免編寫各種復雜的運算程序，提高了設計效率。設計值與所求近似值很接近，說明其具有相當?shù)目尚哦?，并且?yōu)化結果可以明顯降低加工成本，具有較高的經(jīng)濟價值。 第五章 Adams運動仿真 1. 建模 如圖5.1 圖5.1 機械手模型 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動副。 3. 添加驅動 分別在三個轉動副上添加角速度為30度/秒的驅動。 4. 設置運動函數(shù)（motion） 立柱：STEP( time , 0 , 0d , 24 , 120d )+STEP( time , 48 , 0d , 72 , -120d ) 機械臂：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 ) 機械手的運動過程：立柱向左（右）旋轉120度——大臂向下轉動45度——手爪開、合（夾持物體）——大臂向上轉動45度——立柱向右（左）旋轉120度（回到原位）。 5. 生成曲線（Measure） 在仿真結束后，進行測量輸出。ADAMS的測量功能非常廣泛，不僅可以在仿真分析過程中跟蹤繪制感興趣的變量，以便跟蹤了解仿真分析過程，同時還可以在仿真分析結束后繪制有關變量的變化線。在這里我們測量手爪隨時間的角速度變化，得圖5.2和圖5.3所示曲線圖。圖5.2和圖5.3中可以清楚地看到機械手爪全部位移運動大部分集中在33-39s內，也就是說，腰關節(jié)，肘關節(jié)的旋轉已經(jīng)基本達到所需位置。 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 機械臂x方向受的驅動力 圖5.5 機械臂z方向受的驅動力 由上面的圖5.2，圖5.3，圖5.4，圖5.5可以看出，角速度相對于力矩來說是極小的，可以認為是不變的。滿足設計要求。 改變各個構件的各個尺寸，各個關節(jié)的運動參數(shù)，可以得到不同條件下不同點的位移，速度，加速度曲線，以及力矩，角速度和角加速度之間的關系?？梢钥闯觯肁dams進行機構的動力學，運動學分析可以得到足夠的精度，能夠快速有效地輔助設計工作的完成。  總結與展望 1、本次設計的是氣動自動上下料機械手，相對于專用機械手，此機械手可用于各種生產(chǎn)中機械上下料，可配合不同的機械共同運作，適用面較廣。 2、采用氣壓傳動，動作迅速，反應靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。工作環(huán)境適應性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會污染環(huán)境。同時成本低廉。 3、手臂的結構優(yōu)化設計運用MATLAB算法進行優(yōu)化設計，它使得優(yōu)化過程變得非常簡單、容易理解和掌握，從而避免編寫各種復雜的運算程序，提高了設計效率。對目前的機械手臂結構設計方法進行了創(chuàng)新，為今后的設計提供了新的思路。 4、機械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設定PLC程序來實現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)機械手的動作順序修改程序，使機械手的通用性更強。 5、機械手高效的工作效率，準確的定位精度，以及極簡單的結構及控制方式是人手不能代替的，機械手的使用也越來越廣泛。 當然本機械手還有很多不足。比如可采用三平動一轉動的空間四自由度并聯(lián)機構，通過動平臺拆分，引入末端執(zhí)行器的轉動自由度，不僅可以實現(xiàn)物料的快速搬運、裝箱等功能，同時通過末端執(zhí)行器的轉動自由度可以實現(xiàn)物料的順序擺放動作，克服了類似機構存在的缺陷。動平臺設計創(chuàng)新采用分開式方案，通過末端上下平臺在豎直方向的相對運動利用螺母絲杠結構實現(xiàn)末端手爪的轉動。在該部分的設計中，同時創(chuàng)新引入雙導軌結構，有效地減輕高速運動時對于絲杠和螺母的摩擦，延長了機械結構使用壽命。同時，創(chuàng)新采用在工作空間全域內單軸驅動力矩最小的機構參數(shù)優(yōu)化條件，完成機構參數(shù)的匹配優(yōu)化，有效提升機械手的運動學和動力學性能。 主要參考文獻 [1]蔣少茵.機械手模型與設計[J].華僑大學學報(自然科學版),1998,(04). 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