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畢業(yè)設計（論文）指導教師評閱意見表 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 1101 姓名 于兆明 題目 三自由度機械手結構設計 指 導 教 師 評 語 于兆明同學在畢業(yè)設計中，設計題目為三自由度機械手結構設計，經檢查得出以下結論： 1．完成圖紙和設計計算說明書的規(guī)定畢業(yè)設計的工作量。 2．設計計算書參數(shù)選取及計算正確，應用基礎理論知識的能力較強，文中插圖較合理。 3．結構設計較好， 視圖表達較為清晰，能用計算機進行繪圖。 4．具有良好的專業(yè)知識基礎，能夠結合題目進行分析運算，基礎概念清楚。 5．能夠結合題目查閱技術文獻，參考文獻較多。 可以參加答辯。 簽字： 2015年 5月 25日 文獻綜述 學院： 機械與交通工程 專業(yè)：機械設計制造及其自動化 班級： 機制1101班 學號： 311202201 姓名： 于兆明 指導教師： 趙艷春 我國機械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備，它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。本文參閱了大量的國內外期刊雜志，論述了機械手的組成和分類，同時對國內外機械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢做了一定的了解。對應用機械手的工業(yè)機器人市場四大家族競爭分析。另外，本文還對機械手的常見驅動方式做了一番分析，并預測了機械手的發(fā)展趨勢。 1. 機械手的研究現(xiàn)狀 1.1. 概述及現(xiàn)狀 機械手是一種模擬人手操作的自動機械。它可按固定程序抓取、搬運物件或操持工具完成某些特定操作。應用機械手可以代替人從事單調、重復或繁重的體力勞動，實現(xiàn)生產的機械化和自動化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動條件，保證人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。20世紀40年代后期，美國在原子能實驗中，首先采用機械手搬運放射性材料，人在安全間操縱機械手進行各種操作和實驗。50年代以后，機械手逐步推廣到工業(yè)生產部門，用于在高溫、污染嚴重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床的輔助裝置在自動機床、自動生產線和加工中心中應用，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。機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。由度自自越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產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物品的主從式操作手也常稱為機械手。 1.2 機械手技術發(fā)展現(xiàn)象概述 1.2.1機械手技術的發(fā)展 機械手是在機械化，自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。它是機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性(王希敏，1992)。在現(xiàn)代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。(王承義，1995)機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是:機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動;控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年，美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機械手，是后來國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。目前，機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制;改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)節(jié)。 1.2.2 機械手的組成分類及驅動 1） .機械手的組成一般來說，機械手主要有以下幾部分組成: 1. 手部(或稱抓取機構)包括手指、傳力機構等，主要起抓取和放置物件的作用。 2. 傳送機構(或稱臂部)包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用。 3. 驅動部分它是前兩部分的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓氣壓電力和機四種驅動形式。 4. 控制部分它是機械手動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序(程序)、位置和時間(甚至速度與加速度)等。 5. 其它部分如機體、行走機構、行程檢測裝置和傳感裝置等。(侯沂,劉濤.2004) 2) 機械手的分類機械手從使用范圍、運動坐標形式、驅動方式以及臂力大小四個方面的分類分別為: 1. 手部(或稱抓取機構)包括手指、傳力機構等，主要起抓取和放置物件的作用。 2. 傳送機構(或稱臂部)包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用。 3. 驅動部分它是前兩部分的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓氣壓電力和機四種驅動形式。 4. 控制部分它是機械手動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序(程序)、位置和時間(甚至速度與加速度)等。 5. 其它部分如機體、行走機構、行程檢測裝置和傳感裝置等。(侯沂,劉濤.2004) 1.2.3 機械手的分類 機械手從使用范圍、運動坐標形式、驅動方式以及臂力大小四個方面的分類分別為： 1） .按使用范圍分類: 1專用機械手一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機械手”、“曲拐自動車床機械手”、“油泵凸輪軸自動線機械手”等等。這種機械手結構較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產的場合。 2 通用機械手指具有可變程序和單獨驅動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機器，而且能自動完成傳送物件或操作某些工其的機械裝置。通用機械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型(李允文，1994)。 2） .按運動坐標型式分類: 1. 直角坐標式機械手臂部可以沿直角坐標軸X、Y、Z三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動)、左右移動(定為沿Y方向的移動)和上下升降(定為沿Z方向的移動)(張軍，馮志輝，2004); 2. 圓柱坐標式機械手手臂可以沿直角坐標軸的X和Z方向移動，又可繞Z軸轉動(定為繞Z軸轉動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉動; 3. 球坐標式機械手臂部可以沿直角坐標軸X方向移動，還可以繞Y軸和Z軸轉動，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動)、上下擺動(定為繞Y軸擺動)和左右轉動(仍定為繞Z軸轉動); 4. 多關節(jié)式機械手這種機械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機體的連接(肩部)均為關節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉動。(孫桓等，2006) 3） 按驅動方式分類: 1. 液壓驅動機械手以壓力油進行驅動; 2. 氣壓驅動機械手以壓縮空氣進行驅動; 3. 電力驅動機械手直接用電動機進行驅動; 4. 機械驅動機械手是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構等傳遞給機械手的一種驅動方式。 4） 按機械手的臂力大小分類: 1. 微型機械手臂力小于1㎏; 2. 小型機械手臂力為1-10㎏; 3. 中型機械手臂力為10-30㎏; 4. 大型機械手臂力大于30㎏。 2. 機械手的應用—機械人市場分析 日本和歐洲是全球工業(yè)機器人市場的兩大主角，并且實現(xiàn)了傳感器、控制器、精密減速機等核心零部件完全自主化。 　　通過滿足具有國際性競爭力的汽車、電子/電機產業(yè)等企業(yè)使用者之嚴苛的要求，以及銷售實績與專門技能的累積，日本工業(yè)機器人產業(yè)已經成為全球的領導者。而在經過了日本國內市場激烈的價格競爭后，也獲得了國際性的價格競爭力。目前家用機器人也處于優(yōu)勢地位。 　　歐州工業(yè)機器人和醫(yī)療機器人領域已居于領先地位。美國積極致力于以軍事、航天產業(yè)等為背景的開發(fā)或創(chuàng)投企業(yè)，體現(xiàn)在系統(tǒng)集成領域，醫(yī)療機器人和國防軍工機器人具有主要優(yōu)勢。 　　在機器人系統(tǒng)集成方面，除了機器人本體企業(yè)的集成業(yè)務，知名獨立系統(tǒng)集成商還包括杜爾、徠斯和柯馬等。2013年德國杜爾和意大利柯瑪?shù)南到y(tǒng)集成業(yè)務收入均約為7億美元，折人民幣100億元。 　機器人減速機70%以上市場份額由日本納博特斯克（Nabtesco）和哈默（Harmonicdrive）壟斷。2013年納博的減速器業(yè)務收入約為5億美元。 中國產業(yè)信息網發(fā)布的《2014-2019年工業(yè)機器人產業(yè)全景調研及投資方向研究報告》指出：2013年ABB、發(fā)那科、庫卡、安川電機收入分別為418、60、24、38億美元；凈利潤分別為28、15、0.8、0.8億美元；工業(yè)機器人收入均為10-14億美元左右，但收入占比差別較大，分別為3%、23%、42%、34%；2013年末市值分別為610、300、16、24億美元。 　　注：工業(yè)機器人收入除ABB為2009年數(shù)據(jù)，其他為2013年末數(shù)據(jù) 　　四大家族除了發(fā)那科綜合毛利率接近50%，其余毛利率水平基本在25-30%左右。四家凈利潤水平相差較大，發(fā)那科凈利率達25%，ABB為7%，庫卡和安川電機僅為2-3%。從歷史數(shù)據(jù)看，過去十年四大家族PE水平保持在20-30倍左右。 3. 機械手發(fā)展前景及方向 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。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展,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）模塊化有的公司把帶有系列導向驅動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術,而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的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油管的導向系統(tǒng)裝置,使機械手運動自如。模塊化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,是機械手的一個重要的發(fā)展方向。 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。 4）機電一體化由“可編程序控制器-傳感器-液壓元件”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液壓元件,使液壓技術從“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。隨著科學與技術的發(fā)展,機械手的應用領域也不斷擴大.目前,機械手不僅應用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦,冶金,石油,化學,船舶等領域,同時也已開始擴大到核能,航空,航天,醫(yī)藥,生化等高科技領域以及家庭清潔,醫(yī)療康復等服務業(yè)領域中.如,水下機器人,拋光機器人,打毛刺機器人,擦玻璃機器人,高壓線作業(yè)機器人,服裝裁剪機器人,制衣機器人,管道機器人等特種機器人以及掃雷機器人,作戰(zhàn)機器人,偵察機器人,哨兵機器人,排雷機器人,布雷機器人等軍用機器人都是機械手應用的典型。機械手廣泛應用于各行各業(yè).而且,隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩,未來各種專業(yè)服務機器人和家庭用消費機器人將不斷貼近人類生活,其市場將繁榮興旺。 5）機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，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。機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于注塑輔機上自動取出產品、機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。 1.工業(yè)機械手性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)。 2.機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機械手整機;國外已有模塊化裝配機械手產品問市。 3.工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4.傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機械手還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機械手則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 5.虛擬現(xiàn)實技術在機械手中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機械手操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機械手。 6.當代遙控機械手系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機械手的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機械手走出實驗室進入實用化階段。 4. 結束語 中國作為制造業(yè)大國，要實現(xiàn)制造業(yè)自動化必然缺不了機械手的應用，誰將會肩負重任完成這一偉大的使命呢？外國品牌機械手在技術上和做工上達到先進的水平，但我們不能一味依賴外國品牌，我們要始終堅持自主創(chuàng)新，做強做大我們的民主品牌。作為國產自主創(chuàng)新品牌的廣東拓斯達機械手目前在國內制造業(yè)市場中份額每年逐漸攀升，廣東拓斯達機械手榮獲廣東省名牌產品，并且擁有自主知識產權、核心技術和關鍵技術，以及戰(zhàn)略性新興產業(yè)、先進制造業(yè)產品。拓斯達自動化主張“讓工業(yè)文明回歸自然之美”品牌價值，打造中國制造業(yè)自動化第一品牌，實現(xiàn)無人化車間，積極推動機器換人時代，而努力奮斗前行， 　　機械手市場前景開闊為工業(yè)的制造生產帶來變化的不僅僅是機械手使用的現(xiàn)代化生產技術，而且隨之而來的現(xiàn)代化管理模式也大大改變了企業(yè)的生機和活力和市場競爭力。機械手的應用對于企業(yè)調整產業(yè)結構，升級轉型，是一個良好的契機。