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畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師評閱意見表
專業(yè)
機械設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計
指
導(dǎo)
教
師
評
語
于兆明同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計中，設(shè)計題目為三自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計，經(jīng)檢查得出以下結(jié)論：
1．完成圖紙和設(shè)計計算說明書的規(guī)定畢業(yè)設(shè)計的工作量。
2．設(shè)計計算書參數(shù)選取及計算正確，應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識的能力較強，文中插圖較合理。
3．結(jié)構(gòu)設(shè)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(chǔ)，能夠結(jié)合題目進行分析運算，基礎(chǔ)概念清楚。
5．能夠結(jié)合題目查閱技術(shù)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(xué)院： 機械與交通工程
專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化
班級： 機制1101班
學(xué)號： 311202201
姓名： 于兆明
指導(dǎo)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(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。本文參閱了大量的國內(nèi)外期刊雜志，論述了機械手的組成和分類，同時對國內(nèi)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(yīng)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(qū)動方式做了一番分析，并預(yù)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(yīng)用機械手可以代替人從事單調(diào)、重復(fù)或繁重的體力勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)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(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。機械手主要由手部和運動機構(gòu)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(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)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(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)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(shè)計的關(guān)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(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度。機械手的種類，按驅(qū)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(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(shù)發(fā)展現(xiàn)象概述
1.2.1機械手技術(shù)的發(fā)展
機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)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(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)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(yīng)性(王希敏，1992)。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)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(fù)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(yīng)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(jié)構(gòu)是:機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，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(chǔ)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(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)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(chǔ)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(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)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(chǔ)。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)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(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)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(shè)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(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)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(qū)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(gòu))包括手指、傳力機構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用。
2. 傳送機構(gòu)(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(qū)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(qū)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(gòu)、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(qū)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(gòu))包括手指、傳力機構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用。
2. 傳送機構(gòu)(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(qū)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(qū)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(gòu)、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(qū)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(chǎn)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(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。
2 通用機械手指具有可變程序和單獨驅(qū)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(zhuǎn)動(定為繞Z軸轉(zhuǎn)動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動(仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動);
4. 多關(guān)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(guān)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(zhuǎn)動。(孫桓等，2006)
3） 按驅(qū)動方式分類:
1. 液壓驅(qū)動機械手以壓力油進行驅(qū)動;
2. 氣壓驅(qū)動機械手以壓縮空氣進行驅(qū)動;
3. 電力驅(qū)動機械手直接用電動機進行驅(qū)動;
4. 機械驅(qū)動機械手是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構(gòu)等傳遞給機械手的一種驅(qū)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(yīng)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球的領(lǐng)導(dǎo)者。而在經(jīng)過了日本國內(nèi)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(lǐng)域已居于領(lǐng)先地位。美國積極致力于以軍事、航天產(chǎn)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(lǐng)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(wù)，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(wù)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(wù)收入約為5億美元。
中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《2014-2019年工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)全景調(diào)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(fù)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(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次,機械手到達同樣位置的精確程度。重復(fù)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(yù)測的,因此可以通過編程予以校正。重復(fù)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(fù)運行機器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,機械手的重復(fù)精度將越來越高,它的應(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)向驅(qū)動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術(shù),而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機械手比組合導(dǎo)向驅(qū)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(dǎo)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(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能,擴大了機械手的應(yīng)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(yīng)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(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進步，新型材料（如燒結(jié)金屬石墨材料）的出現(xiàn)，構(gòu)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(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件,使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”;省配線的復(fù)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(xué)與技術(shù)的發(fā)展,機械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大.目前,機械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦,冶金,石油,化學(xué),船舶等領(lǐng)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(lǐng)域以及家庭清潔,醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)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(yīng)用的典型。機械手廣泛應(yīng)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(wù)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(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)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(yīng)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(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)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(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機械手整機;國外已有模塊化裝配機械手產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):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(yīng)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(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
5.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機械手操作者產(chǎn)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(gòu)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(jié)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(yīng)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(shù)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(chǎn)自主創(chuàng)新品牌的廣東拓斯達機械手目前在國內(nèi)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(chǎn)品，并且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，以及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、先進制造業(yè)產(chǎn)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(chǎn)帶來變化的不僅僅是機械手使用的現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)，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(yīng)用對于企業(yè)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，升級轉(zhuǎn)型，是一個良好的契機。