四自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)
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- 畢、引言
機(jī)械臂是一種模擬人手操作的自動(dòng)機(jī)械，又叫機(jī)械手。它可按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操持工具完成某些特定操作。應(yīng)用機(jī)械臂可以代替人從事單調(diào)、重復(fù)或繁重的體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動(dòng)條件，保證人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。20世紀(jì)40年代后期，美國在原子能實(shí)驗(yàn)中，首先采用機(jī)械手搬運(yùn)放射性材料，人在安全間操縱機(jī)械手進(jìn)行各種操作和實(shí)驗(yàn)。50年代以后，機(jī)械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門，用于在高溫、污染嚴(yán)重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機(jī)床的輔助裝置在自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。機(jī)械臂主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械臂的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6個(gè)自由度 。自由度是機(jī)械臂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù) 。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，利用機(jī)械手完成封接環(huán)切齒，目前操作為手工操作過程，操作時(shí)操作工雙手完全在沖床滑塊下方，存在安全隱患。為消除這一隱患。設(shè)想采用切齒自動(dòng)化替代手工操作。
二、現(xiàn)狀及發(fā)展
近年來，機(jī)器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多始位置到不同目標(biāo)位置的搬運(yùn)和擺放。應(yīng)用范疇也十分廣泛。在工業(yè)中，自動(dòng)控制系統(tǒng)有著廣應(yīng)用精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動(dòng)這兩項(xiàng)功能泛的應(yīng)用，例如數(shù)控機(jī)床、智能機(jī)器人、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、模糊控來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需功能，其中，抓取和移動(dòng)是兩個(gè)最主要的功能。而工業(yè)機(jī)器人是相對(duì)較新的電子設(shè)備，它正在改變現(xiàn)代該設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求、工作原理、設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求來確定化工業(yè)的面貌。在某些勞動(dòng)環(huán)境極其惡劣的條件下，就可以使機(jī)械手，機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用諧波齒輪傳動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)用機(jī)器人來代替人力工作[[1] 劉東.四自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì)[D].遼寧：大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2014:41
][1]。
目前，工業(yè)機(jī)械手廣泛應(yīng)用于各種制造行業(yè)中，如電器制造行業(yè)、 汽車制造行業(yè)、 塑料加工行業(yè)、機(jī)械制造行業(yè)以及金屬加工行業(yè)等。隨著社會(huì)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)械手的功能和性能將進(jìn)一步得到改善和提高， 因此， 工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V[[[]孫增圻. 機(jī)器人智能控制[M].太原：山西教育出版社， 1995:5
]]。
三、組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
通用控制系統(tǒng)，包括主控系統(tǒng)與定位系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，是機(jī)械手系統(tǒng)的核心部分， 其主要作用是使得工業(yè)機(jī)械手能夠按照預(yù)定的動(dòng)作正確地完成每一個(gè)動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是工業(yè)機(jī)械手的動(dòng)力裝置， 主要作用是作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)源，由動(dòng)力源和輔助裝置組成。 當(dāng)前工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀前市場上的絕大部分機(jī)械手采用的驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)、 電力驅(qū)動(dòng)、 氣壓驅(qū)動(dòng)和機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 是工業(yè)機(jī)械手的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在的工業(yè)機(jī)械手是完成工件的取送工作，當(dāng)前市場上大多數(shù)工業(yè)機(jī)方式， 大多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)械手，械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為手抓、 夾鉗和吸盤。具有精度高、 驅(qū)動(dòng)力大、 響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)采用電位置檢測系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手精確定位的機(jī)驅(qū)動(dòng)， 必須使用減速機(jī)構(gòu)， 因此， 采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方裝置，主要作用是實(shí)時(shí)檢測機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體的位置，而控制系統(tǒng)根據(jù)反饋回來的機(jī)械手位置與給定機(jī)械并將機(jī)械手的位置信息實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，及時(shí)地修正機(jī)械手的位置，而限制了電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用。隨著氣動(dòng)技術(shù)的高速發(fā)展，又由于氣壓驅(qū)動(dòng)具有其他驅(qū)動(dòng)方式所沒有的一些優(yōu)點(diǎn)， 如成本低、 高性價(jià)比、 無污染、 結(jié)構(gòu)簡單、 抗干擾能力強(qiáng)等， 因而越來越多的工業(yè)機(jī)械手采用氣動(dòng)控制，因而氣動(dòng)技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展[[[]管永忠.工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)探析[C].天津: 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子學(xué)院，2011:10-22
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