搬運機械手設(shè)計說明書.doc

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機械與裝備工程學(xué)院 課程設(shè)計說明書 （2016/2017學(xué)年第 1學(xué)期） 課程名稱 ： 機械設(shè)計課程設(shè)計 題 目 ： 搬運機械手的設(shè)計 專業(yè)班級 ： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號： 130200216 指導(dǎo)教師 ： 設(shè)計周數(shù) ： 2周 設(shè)計成績 ： 2016年 12月 31日 目錄 第一章 緒論 1 1.1 機械手的應(yīng)用現(xiàn)狀 1 1.2 機械手研究的目的、意義 1 1.3 設(shè)計時要解決的幾個問題 1 第二章 機械手總體方案的設(shè)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(jié)構(gòu)及工作流程 3 第三章 機械手的方案設(shè)計及其主要參數(shù) 5 3.1 坐標(biāo)形式和自由度選擇 5 3.2 執(zhí)行機構(gòu) 5 3.3 驅(qū)動系統(tǒng) 6 3.4 控制系統(tǒng) 7 第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化 8 4.1手部夾緊氣缸的設(shè)計 8 4.1.1手部夾緊氣缸的設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 10 4.2.1問題描述 10 4.2.2設(shè)計分析 10 4.2.3建立數(shù)學(xué)模型 12 4.2.4優(yōu)化計算 13 4.2.5優(yōu)化結(jié)果分析 16 第五章 Adams運動仿真 17 總結(jié)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(shè)備，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，隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術(shù)自身的一些優(yōu)點，氣動機械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。 本設(shè)計中的搬運機械手的動作由氣動缸驅(qū)動，氣動缸由相應(yīng)的電磁閥來控制，電磁閥由PLC控制。驅(qū)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(shè)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(fù)雜的運算程序，提高了設(shè)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(shè)計結(jié)構(gòu)能有機地結(jié)合在一起，工作平穩(wěn)，并在指定的速度和負(fù)載等參數(shù)下得出了所需要的驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)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(shè)計、測試和評估，可以降低設(shè)計成本，縮短開發(fā)周期，而且設(shè)計質(zhì)量和效率都可以得到提高。 關(guān)鍵詞:機械手，氣動 ，優(yōu)化設(shè)計，仿真 第一章 緒論 1.1 機械手的應(yīng)用現(xiàn)狀 工業(yè)機械手最早應(yīng)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(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(yīng)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(fù)，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(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)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(zhǔn)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(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 1.3 設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)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(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)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(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)是一支點兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型。 第二章 機械手總體方案的設(shè)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(gòu) 驅(qū)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(gòu)、驅(qū)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(gòu)的相應(yīng)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(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當(dāng)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(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置。 2.2 機械手的基本結(jié)構(gòu)及工作流程 機械手是一個水平、垂直運動的機械設(shè)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(yīng)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(shè)計中的機械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動式結(jié)構(gòu)，機械手的動作由氣動缸驅(qū)動，氣動缸由相應(yīng)的電磁閥來控制，電磁閥由PLC 控制驅(qū)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(dāng)機械手在原點位置下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，左傳送帶運轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開關(guān)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(shè)計及其主要參數(shù) 3.1 坐標(biāo)形式和自由度選擇 直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型 球坐標(biāo)型 關(guān)節(jié)型 具有三個移動關(guān)節(jié)（PPP） 具有兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（PPR），受部的坐標(biāo)為（z，r，θ） 具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)（RRP） 具有三個轉(zhuǎn)動關(guān)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(jié)構(gòu)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(yuǎn)，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(jié)構(gòu)緊湊，所占空間尺寸小，但目前應(yīng)用較少。 具有結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積少，相對工作空間大等特點，用于復(fù)雜設(shè)備當(dāng)中。 圖3.1 本機械手采用圓柱座標(biāo)型式，具有三個自由度，即腰關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；還有一個用于夾持物料的機械手。 3.2 執(zhí)行機構(gòu) 1、手部 在本設(shè)計中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yù)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(zhuǎn)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(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 3.3 驅(qū)動系統(tǒng) 液壓驅(qū)動系統(tǒng) 氣動驅(qū)動系統(tǒng) 電動驅(qū)動系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、 力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)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(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)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(jié)構(gòu)簡單， 維修方便、價格低等特點。 適用于中、小負(fù)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(yīng)用較多。 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)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(gòu)。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(qū)動系統(tǒng)高。 圖3.3 機械手驅(qū)動系統(tǒng) 氣壓驅(qū)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(zhì)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(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當(dāng)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(jié)構(gòu)簡單，通用性強； （３）編程方便，使用簡易； （４）功能完善； （５）設(shè)計、施工和調(diào)試的周期短； （６）體積小，維護操作方便同。 第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化 4.1手部夾緊氣缸的設(shè)計 4.1.1手部夾緊氣缸的設(shè)計 夾緊氣缸的夾緊、驅(qū)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(qū)動力 F驅(qū) = （4.1.2） （其中 b=50，c=30 ，α=23） 故F驅(qū)==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(yīng)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(shè)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(shè)計要求。 4.1.4 缸筒壁厚的設(shè)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(nèi)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(nèi)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(fù)直線運動帶動與手爪相連的曲柄連桿機構(gòu)，驅(qū)動各個手爪同步做開、閉運動。 4.2手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(xué)研究的熱點之一。機械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計通常是一多解問題。目前，還未形成完備的設(shè)計方案。這里針對具體實例，運用目前較為流行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算來調(diào)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(zhì)量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。 4.2.2設(shè)計分析 手臂運動由提升重物的豎直運動與帶動重物旋轉(zhuǎn)的水平回轉(zhuǎn)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(shè)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(yīng)力?max，?max是由彎矩M產(chǎn)生的拉應(yīng)力?1與向心力F產(chǎn)生的應(yīng)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(guān)。 對于外徑為D，內(nèi)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(yīng)力最大。因圓環(huán)截面壁厚T遠(yuǎn)小于外徑D，故最大剪應(yīng)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(jié)構(gòu)尺寸限制 D>>2T L≥40(cm) 4.2.3建立數(shù)學(xué)模型 優(yōu)化設(shè)計追求的目標(biāo)是機械手臂的質(zhì)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(shè)計變量 由第二步設(shè)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(shè)計的數(shù)學(xué)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(xué)模型是一個單目標(biāo)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(shè)計數(shù)學(xué)模型的方法或?qū)?yōu)的方法稱為優(yōu)化計算方法。對于機械優(yōu)化設(shè)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(xué)規(guī)劃方法的理論，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特點，利用MATLAB6.5軟件進行輔助優(yōu)化計算與設(shè)計，以求得機械手臂的最佳設(shè)計參數(shù)[2][3][4]。 （1）函數(shù)的性態(tài)分析 應(yīng)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(biāo)函數(shù) mesh(x,y,M); %通過三維網(wǎng)格模擬目標(biāo)函數(shù)圖形 在MATLAB6.5下運行程序可畫出目標(biāo)函數(shù)的三維圖形，如圖4.2.2所示： 圖4.2.2 目標(biāo)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(biāo)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(shè)計變量的可行域 Fig. 3 Feasible region of variable design 由圖2可以看出：目標(biāo)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(jié)構(gòu)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(yīng)用MATLAB軟件求解 1　 編與目標(biāo)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(shè)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(diào)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(jié)果： X= 3.8160 %最后的優(yōu)化結(jié)果 40. 0000 %D .3. 8160cm, L = 40cm fval = %優(yōu)化后的最小質(zhì)量 0. 7021 % m2min = 0. 7021kg exitflag = %算法退出處條件 1 outplot = Iterations：2 %函數(shù)調(diào)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(jié)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(jié)構(gòu)尺寸的方程，并建立了優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上編制程序求得手臂的最小質(zhì)量，實現(xiàn)了手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。本設(shè)計的主要特點是運用MATLAB算法進行優(yōu)化設(shè)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(fù)雜的運算程序，提高了設(shè)計效率。設(shè)計值與所求近似值很接近，說明其具有相當(dāng)?shù)目尚哦?，并且?yōu)化結(jié)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(zhuǎn)動副。 3. 添加驅(qū)動 分別在三個轉(zhuǎn)動副上添加角速度為30度/秒的驅(qū)動。 4. 設(shè)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(zhuǎn)120度——大臂向下轉(zhuǎn)動45度——手爪開、合（夾持物體）——大臂向上轉(zhuǎn)動45度——立柱向右（左）旋轉(zhuǎn)120度（回到原位）。 5. 生成曲線（Measure） 在仿真結(jié)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(jié)束后繪制有關(guān)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(nèi)，也就是說，腰關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)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(qū)動力 圖5.5 機械臂z方向受的驅(qū)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(rèn)為是不變的。滿足設(shè)計要求。 改變各個構(gòu)件的各個尺寸，各個關(guān)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(guān)系?？梢钥闯?，用Adams進行機構(gòu)的動力學(xué)，運動學(xué)分析可以得到足夠的精度，能夠快速有效地輔助設(shè)計工作的完成。  總結(jié)與展望 1、本次設(shè)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(yīng)靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。工作環(huán)境適應(yīng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計運用MATLAB算法進行優(yōu)化設(shè)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(fù)雜的運算程序，提高了設(shè)計效率。對目前的機械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行了創(chuàng)新，為今后的設(shè)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(shè)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(zhǔn)確的定位精度，以及極簡單的結(jié)構(gòu)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(dāng)然本機械手還有很多不足。比如可采用三平動一轉(zhuǎn)動的空間四自由度并聯(lián)機構(gòu)，通過動平臺拆分，引入末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)存在的缺陷。動平臺設(shè)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)末端手爪的轉(zhuǎn)動。在該部分的設(shè)計中，同時創(chuàng)新引入雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)使用壽命。同時，創(chuàng)新采用在工作空間全域內(nèi)單軸驅(qū)動力矩最小的機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化條件，完成機構(gòu)參數(shù)的匹配優(yōu)化，有效提升機械手的運動學(xué)和動力學(xué)性能。 主要參考文獻 [1]蔣少茵.機械手模型與設(shè)計[J].華僑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1998,(04). 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