袋装料码垛机械手设计说明.docx
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袋装料码垛机械手设计说明
袋装料码垛机械手设计
1前言
1.1设计的目的和意义
机械手自问世以来，经过了40多年的发展，已广泛应用于各个领域。
机械手最早应用于制造工业，常用于喷漆、焊接、搬运和上下料。
机械手可代替人从事危险、有毒、有害、高温、高压、重载、噪音、粉尘和低温等恶劣环境中的工作；代替人完成单调重复和繁重的劳动，不仅减少了人力资源的浪费，减轻了劳动强度，而且大大改善了工人的劳动条件，提高了生产效率和生产自动化水平。
目前机械手主要用于以下几个方面。
（1）恶劣的工作环境和危险的工作
在核工业中，核反应堆具有较强的放射性，为了人员的安全，经常需要机械手来完成相关的清理工作，另外在压铸、冲压、热处理、锻造、喷漆车间以及有强烈紫外线照射的电弧焊等危险领域的作业中也经常需要用到机械手。
（2）自动化生产领域
目前研制出了搬运机械手、码垛机械手、汽车座椅装配机械手、点胶机械手等各类工业机械手，主要用于生产上实现自动化。
如当末端夹持焊枪时，可以对汽车或摩托车的车体进行点焊或弧焊作业；当末端安装喷枪时可以进行喷涂作业；当末端安装手钳时，可以给压铸机或成型机进行上下料作业或者用来装配机械零部件。
目前我国已经建成的自动生产线有很多，如水泵厂的环类深井泵轴承体加工自动线、动力机厂的箱体类气缸盖加工自动线、电机厂的轴类4号和5号电动机轴加工自动线、拖拉机齿轮厂的盘类齿坯加工自动线等等[1]。
（3）在特殊作业场合进行极限作业
在一些极地探索、火山探险、空间探索、深海探密等领域经常要用到机器人去探索，目前研制出了螃蟹机器人，用于水下勘测任务操作，它的身体结构接近于螃蟹，能够完成指定的指令，也可以用于海洋搜寻及石油天然气的勘测。
还有用于国际空间站的机器人，可以对空间站的外表面进行检测。
（4）农业生产
目前研制出了太阳能农用机器人，他可以找到隐藏在农作物中的杂草，这主要依赖于它的视觉系统，当发现有别于农作物的植物时，它便利用数据库提供的植物的特性与目标植物加以比较，当确定为杂草时，就会用机械手割断杂草，同时还可以喷洒除草剂。
（5）军事应用
在军事应用中，军人执勤经常会遇到危险，这就需要机器人帮助完成执勤任务，给机器人配备军用机枪，利用机器人完成炸弹清除工作。
机械手在控制器的控制下，可以、仿人的手、腕、臂的动作，按照固定的动作流程进行工作。
我国绝大多数农民工就业于劳动密集型行业，劳动密集型行业中绝大多数工作是简单的、重复性作业，这些工作没有多少技术，农民工很容易学会，但这些工作对从业者的体力反应灵敏度或操作精确度有比较高的要求，因此，青年农民工从事这些工作时劳动生产率比较高，但是非技术农民工进入中年后，体力、反应灵敏度和操作精确度下降，劳动生产率逐年降低。
因此使用机械手，不但降低了人的体力劳动，减少人力资源的浪费，减轻了劳动强度，而且大大改善了工人的劳动条件，提高了工作效率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，为企业带来更大的经济效益，更有利于企业的发展。
尤其是在高温、高压、重载、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的危险环境中应用更为普遍。
1.2机械手国外研究现状
工业机械手起源于20世纪50年代，最初是用来示教再现，这类机械手没有任何的传感器，它的工作路径和运动参数都是操作人员通过编程来设定的。
后来出现了感觉型机械手，这类机械手配备了简单的、外部传感器，具有部分适应外部环境的能力，可以感知部分物理量并进行反馈。
再后来出现了智能型机械手，这类机械手可以对外部环境信息进行感知、提取、处理并做出适当的决策，可以自主的完成某一项任务，至今仍处于研究和发展阶段。
目前，机械手在技术水平上优势集中于日美等几个发达的工业化国家。
1958年，创建世界上第一个机器人公司的JosephF.EngelBerger被誉为“工业机器人之父”，他参与设计了第一台机器人-Unimate机器人，后来AMF公司研制的Versatran机器人也相继问世，它主要用于机器之间的物料运输，20世纪60年代，美国斯坦福研究所研制了机器人Shakey。
1986年，美国研制出了第一台拟人型两足步行机器人SD-2，8个自由度，可以静态行走，1987年，PacificNorthwest实验室研制出38个自由度的液压驱动拟人机器人[2]。
随后，在美国的工业生产中，工业机械手得到了大力发展和广泛应用，
日本机器人的发展经历了20世纪60年代的摇篮期、70年代的实用化时期以及80年代的普及期三个时期。
1967年，日本东京机械贸易公司从美国AMF公司引进了Versatran机器人，后来日本川崎重工业公司从美国引进了Unimation机器人，1980年被日本人称为“日本的机器人元年”，在这一年，日本的机器人技术得到了极大的成功和普及。
1997年，日本本田公司研制出了世界上第一台类人型步行机器人样机，2002年，该公司又研制出Asimo机器人。
现在，日本拥有的工业机器人数量约占世界总数量的65%。
我国的工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了三个时期：
70年代的萌芽期、80年代的开发期和90年代的适用化期。
1990年，国防科技大学研制出了我国第一台类人型机器人，命名为：
先行者。
1989年，我国成功的将自主研发的水下机器人出口到美国。
1990年，我国又成功研制出了深潜6000米的水下机器人，同年我国自主开发的机器人关键技术—AGV技术出口国[3]。
近几年，我国实施了“863”计划，培养了一大批机器人方面的专业技术人员，我国又斥资5800万元在建立机器人“机器人技术国家工程研究中心”和“智能机器人中心”，这充分说明了我国对工业机器人的重视。
目前我国建立了多条工业机械手生产线，包括：
弧焊机械手生产线、装配机械手生产线、喷涂生产线和焊装生产线等，我国的机械手技术取得了许多前所未有的成果。
但是尽管如此，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外相比还有一定的差距，因此，我国应该加快工业化进程，提高关键技术，培养更多的专业化人才。
1.3设计的容
本课题旨在设计一种袋装料码垛机械手，该机械手抓取的物料为袋装物料，尺寸为，袋装物料重量小于5Kg，机械手工作围为：
工作半径1.0m。
其工作过程如下：
通电后，机械手先行复位，然后机械手臂下降至物品处，手部抓住物品，机械手臂上升将物品拿起，然后机身旋转至一定角度，机械手臂旋转到指定位置，手臂下降，手腕旋转至物料正确位置，然后手部开将物品放下，机械手臂上升，复位。
至此，一个工作周期结束。
但是还要将物品堆垛起来，就要求放置物品时要按照一定的规律放到相应的筐。
设计时需要设计出机械手的手部、腕部和臂部等，使其能够完成相应的功能，画出机械手的装配图和部分零件图，通过分析袋装料码垛机械手系统的工作过程，选择运动控制器，设计出其控制系统。
1.3.1机械手的技术参数
表1.1机械手技术参数表
结构形式
平面关节式
自由度数
4
负载能力（Kg）
5
末端重复精度（mm）
±0.1
最大展开半径（mm）
1000
高度（mm）
973
本体重量（Kg）
<45
供电电源
单相220V、50Hz
运动精度（脉冲当量/转）
关节1
1000000
关节2
99000
关节3
2983
关节4
800000
每轴最大运动速度（rad/s）
关节1
1.57
关节2
3.14
关节3
3.14
关节4
3.14
每轴最大运动围（°）
关节1
±120
关节2
±130
关节4
0~360
安装要求
安装方式
水平安装
安装环境
温度（°C）：
0~45
湿度（%RH）：
20~80
震动（G）：
<0.5
避免接触易燃腐蚀性液体或气体，远离电器噪声源
2总体方案设计
2.1功能与性能要求分析
本次设计的机械手的功能是将袋装物料从流水线上依次搬运到相应的筐，并进行堆垛。
这就要求机械手具有灵活的运动关节和准确的定位，手部要抓住物料，臂部要能移动到指定位置并具有升降功能，当手部到达指定位置时，很可能袋装物料并未处于正确的位置，就需要手腕具有旋转功能，将物料旋转到正确位置然后放入相应的筐。
袋装物料的尺寸为，重量小于5Kg，因此设计手部时就需要考虑手部的大小和驱动力的大小。
机械手工作围为：
工作半径1.0m，因此设计时就需要考虑整体的工作半径。
为了防止机械手运动的距离太远或者太近，需要在机械手的各个轴上加磁性开关，当完成一次任务时，机械手回到初始位置。
设计时还要求将物料堆垛起来，因此放置物料时要按照一定的规律放到相应的筐，每次机身旋转的角度是不一样的。
手臂旋转的距离也是不一样的。
二者必须协调工作将物料放到指定位置。
为了实现人机交互、运动控制和轨迹规划，机械手需要具有控制系统，要实现检测各关节的转动量、移动量和位置信息，就需要在机械本体上安装位置检测装置，它将这些信息反馈给控制系统，执行机构在控制系统的控制下，通过驱动系统驱动机械手各个关节的运动，实现指定动作。
综上分析，该袋装料码垛机械手组成框图如图2.1所示：
控制系统
驱动系统
执行机构
位置检测装置
工件
图2.1机械手组成框图
2.2设计方案比较、分析与确定
2.2.1机械手基本形式的选择
为了满足设计的要求，本次设计的机械手需要四个自由度，即：
手腕的旋转；小臂的升降；小臂的旋转和大臂的旋转。
因此需要三个并联的旋转关节和一个做垂直运动的滑动关节，初选机械手的基本形式为平面关节型机械手。
比较如下：
（1）直角坐标型机械手。
这种机械手具有三个移动关节，在X、Y、Z轴上的运动是独立的，它的优点是定位精度高、轨迹求解容易、控制起来比较简单，但是它的操作围比较小，占地面积比较大，运动速度比较低[4]。
（2）圆柱坐标型机械手。
这种机械手有两个滑动关节和一个旋转关节组成，可以旋转一定的角度，它所占的空间尺寸较小，手部可获得较高的速度，但是手部外伸离中心轴越远，其切向线位移分辨精度越低。
（3）球坐标型机械手。
这种机械手有一个滑动关节和两个旋转关节组成，优点是结构紧凑，所占空间尺寸小。
但是它的坐标比较复杂，难以控制。
（4）关节坐标型机械手。
这种机械手的关节都是旋转的，具有结构紧凑、所占空间体积小、工作空间大等特点。
（5）平面关节型机械手。
这种机械手是关节坐标型机械手的特例，具有两个并联的旋转关节和一个做垂直运动的滑动关节，关节轴线共面。
通过特点比较可知：
平面关节型机械手具有两个并联的旋转关节和一个做垂直运动的滑动关节，并且所占的空间体积小，结构紧凑，符合设计的要求，在此基础上增加腕部的旋转关节即可，因此选用平面关节型机械手。
2.2.2驱动机构的选择
要使机械手完成相应的动作，必须有驱动机构，在驱动机构的驱动下，机械手才会具有动力，从而完成一系列的动作。
机械手需要实现码垛功能，对位置的精确度要求较高，因此就要求驱动机构具有很大的精确性。
又由于袋装物料重量小于5Kg，因此应该选用适用于中等负载机械手的驱动机构。
设计时同时要考虑减小机械手的体积，减轻驱动装置的重量，初选电动驱动系统，比较如下：
（1）液压驱动系统。
这类驱动系统具有动力大、快速响应高、可以直接驱动的特点。
液压技术是一种比较成熟的技术，通过流量控制，可以改变运动速度，通过换向控制，可以改变运动方向。
通过压力控制，可以实现无级控制。
主要适用于惯量大、承载能力大的工业机械手中。
（2）气动驱动系统。
这类驱动系统具有结构简单、速度快、体积小、价格低、维修方便等特点。
对使用环境无特殊要求，通过向缸体供给压缩空气使活塞做往复运动将动力传出，在上下料和冲压机械手中应用较多，适用于轻负载的工业机械手中。
（3）电动驱动系统。
这类驱动系统具有电源方便、驱动力大、控制方式灵活、精确度高、响应快、信号检测与传递方便等特点，主要适用于中等负载的工业机械手中。
通过比较可知，电动驱动系统的精确度高，可以准
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