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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