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UG
前言
随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。
工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。
这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。
目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。
如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。
应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。
借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。
基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。
同时，借助组态软件的辅助作用，大大提高了系统的工作效率。
因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。
第一章工业机械手概述
1.1概述
用于再现人手的的功能的技术装置称为
。
机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手被称为
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。
机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。
工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。
他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：
其一、它能部分的代替人工操作；
其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；
其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。
尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。
在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的
机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。
随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
1.2工业机械手的作用和意义
随着现代科技和现代工业的发展，工业的自动化程度越来越高。
工业的自动化中机械手发挥了相当大的作用，小到机床的自动换刀机械手，打到整个的全自动无人值守工厂，无一不能看到机械手的身影。
机械手在工业中的应用可以确保运转周期的连贯，提高品质。
另外，由于机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。
机械手在工业中的应用十分广泛，如：
1﹑以提高生产过程中的自动化程度
应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。
2、以改善劳动条件，避免人身事故
在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪音、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。
在一些简单、重复，特别是比较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3、可以减轻人力，并便于有节奏的生产
应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
1.3工业机械手的现状和发展趋势
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。
机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛
在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。
各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。
可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。
据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；
金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。
从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。
目前在我国机械手常用于完成的工作有：
注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；
机械手加工行业中用于取料、送料；
浇铸行业中用于提取高温熔液等等。
现在工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效果是代替人从事繁重的工作和危险的工作，在恶劣环境下尤其明显。
至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门。
机械手的应用情况不能说是很好的。
虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序。
其原因之一是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手的工作范围很狭小。
另外经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看不一定是合算的。
然而，利用机械手或者类似机械设备节省人力和实现生产合理化得要求，今后还会持续增长，只有技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将飞跃发展。
机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。
目前，机械手技术有了新的发展：
出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。
机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。
国内方面：
目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；
在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。
从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。
国外方面：
近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。
（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。
（2）机械结构向模块化、可重构化发展。
例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；
由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；
国外已有模块化装配机器人产品问市。
（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；
器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；
大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；
多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。
美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
（7）机器人化机械开始兴起。
从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
1.4本课题的设计与分析内容
本课题主要针对袋装大米下线过程中的码垛机械手进行结构设计和运动仿真分析。
通过参考与本课题有关的参考书以及调查码垛机械手在生产中的应用实际情况，在导师的指导下把有关知识（机构分析与综合、机械原理、机械设计、机械制造、先进制造技术、计算机辅助技术、液压与气动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及应用、自动机械设计等）中的理论知识结合实际运用，首先，拟定整体方案，特别是传感、控制方式和机械结构有机结合的设计方案；
其次，根据实际生产工艺需要，通过调查研究和毕业实习，搜集和查阅有关图纸、资料，设计工业机械手的运动自由度和相应技术参数，完成工业机械手的手部、腕部、臂部和机身等机械结构的综合设计，并对工业机械手的各零部件正确的进行设计，分析计算与验证；
最后，完成工业机械手的各零部件和工作装配图的三维模型设计，绘制符合国家标准的工程图样，并利用UG软件对设计出的机械手进行计算机仿真分析与验证。
第二章工业机械手总体设计方案
2.1工业机械手的组成与分类
1、工业机械手的组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置监测装置等组成。
（1）执行机构
执行机构是机械手完成握持工件（或工具）实现所需的各种运动的机械部件，包括手部、手腕、手臂和机身等部件，有的还增设行走机构。
工业机械手组成示意图如图1.1和1.2。
图2.1工业机械手组成框图
1）手部——是机械手中直接与工件或工具接触用来完成握持工件或工具的部件。
有些机械手直接将工具（如焊枪、喷枪、容器等）装置于机械手前端，而不设置手部。
由于同手部的接触形式不同，可将其分为夹持式和吸附式手部。
夹持式手部由手指和传力机构所组成。
手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。
回转型手指结构简单、制造容易，故应用广泛。
平移型结构较复杂，应用较少，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径的变化不会影响其轴心的位置，因此适合于夹持直径范围变化大的工件。
机器人的手指结构取决于被抓物体的表面形状、被抓部位和物件的重量及尺寸。
常用的指形有平面的、V形的和曲面的；
手指有外夹式和内撑式；
指数有双指数、多指数和双手双指式等。
2）手腕——是机械手中连接手部与臂部主要用来确定手部工作时位置并扩大臂部动作范围的部件。
一些简易的机械手，也不设有手腕部件，将手部直接装在手臂部件的端部。
3）手臂——是机械手中支承腕部和手部用来实现较大范围运动的部件。
手臂的作用是引导手指准确地去抓去物体，并按其预定的要求将其运送到所需的位置。
为了使机械手能够准确地工作，手臂的三个自由度都要精确地定位。
工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件和驱动源相互配合来实现手臂的各种需要的运动。
驱动部件主要油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构和凸轮机构等，驱动源主要由液压、气压或电机等。
4）机身——是机械手中用来支承手臂部件，并安装驱动装置及其他装置部件。
5）行走机构——当工业机械手在需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整体运动。
滚轮式行走机构可分为有轨和无轨两种。
（2）驱动系统
驱动系统是为了执行系统各部件提供动力的装置。
通常有动力源、控制调节装置和辅助装置组成，采用的动力源不同，其驱动系统的组成亦不相同。
常用的驱动系统由液压驱动、气压驱动、电力驱动和机械驱动等四种形式，液压驱动是由油缸、阀、油泵和油箱等组成；
气压驱动系统是由气缸、气阀、空压机和储气罐等组成；
电气驱动系统是由一些电机、专用电机等组成。
其中液压和气动应用最多。
（3）控制系统
控制系统是通过对驱动系统的控制，是执行系统按规定的要求进行工作，目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位系统组成。
控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有误时或发生故障时发出报警信号。
（4）位置监测装置
控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定到位置。
图2.2工业机械手基本组成
2、工业机械手的分类
机器人分类方法有多种。
（1）按机器人的控制方法的不同分类
1）点位控制型（PointtoPointControl）
机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。
例如机器人在进行点焊时的轨迹控制。
2）连续轨迹控制型（ContinuousPathControl）
机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。
（2）按机器人的结构分类
1）直角坐标型:
该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有藕合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。
缺点是占地面积大、工作空间小。
2）圆柱坐标型:
该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以θ，r，z:
为坐标，位置函数为P=f（θ，r，z），其中，r是手臂径向长度，z是垂直方向的位移，θ是手臂绕垂直轴的角位移。
这种形式的机器人占用空间小，结构简单。
3）球坐标型:
具有两个转动关节和一个移动关节。
以θ，φ，y为坐标，位置函数为P=f（θ，φ，y），该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。
4）关节坐标型:
有垂直关节型和水平关节型（SCARA型）机器人。
前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。
（3）按驱动方式分类:
1）液压传动机械手
液压驱动主要通过油缸、阀、油泵和油箱等组成来实现传动。
它利用油缸、油马达及齿轮、齿条实现直线运动；
利用摆动油缸、油马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。
目前高效专用设备和自动线大多采用液压驱动，配合使用的机械手可直接引用机床动力源，简化机械手结构，液压机械手是应用最广的驱动型式。
2）气压传动机械手
气压驱动所采用的元件主要有气压缸、气压马达、气阀等元件组成。
一般采用4~6个大气压，个别达到8~10个大气压。
气动机械手若采用液压缓冲后，能使它既保持高速的优点，又克服脉动的缺点，使之运动平稳，从而扩大适用范围。
3）电气传动机械手
电气驱动机构都采用三相感应电机作为动力，用大减速比减速来驱动执行机构；
有的采用直线电动机。
通用机械手则考虑采用步进电机、直流和交流伺服电机、变速箱等。
电动机械手的主要特点是机械手的每个活动度都相应配有一台电动机以及有关变速传动机构。
与液压或气压机械手相比，驱动源和系统较简单，电动机又是配套通用产品，规格齐全，容易得到，不需另行设计制造。
在位置精度要求不高的情况下，控制亦较方便。
但普通电机均为回转运动且转速较高，一般都要配有变回转运动为直线运动的机构和减速机构。
因此，在驱动功能要求较大的情况下，整个装置也较大。
故电动机械手一般适用于提取重量不大，位置精度一般，活动度较少的机械手。
若采用特殊设计的专用电动机或特种电机，如功率伺服电机、功率步进电机，直线电机等，就可以改善电动机械手的性能。
4）机械传动机械手
实现这类机械手是由一台普通电动机驱动或主机（如压床、冲床等）的运动部件来驱动，通过如干机械传动机构（如连杆、凸轮、齿轮等机构）来实现机械手的几个活动度。
其最大特点是结构简单，动作可靠，节拍较快，不需要较复杂的液压、气压与电控系统。
投资小，上马快，收效大。
但它也有调整不便等缺点，故常用在工作对象专一，生产批量大，不需经常调整的场合。
（4）按功能分类
1）专用机械手
它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。
专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。
2）通用机械手
它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活的机械手。
在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。
通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变化生产品种的中小批量自动化的生产。
2.2工业机械手的工况分析
目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。
在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。
在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，专用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。
将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。
同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。
针对袋装大米完成包装后人工码垛困难，码垛精度低，而且效率低下的情况，本文设计了50kg以下的袋装大米自动下线码垛机械手。
该机械手可从包装流水线上抓取产品后机身转向并由机械手臂部，腕部和手部配合动作在托板上完成产品码垛。
袋装大米质量较重，人工码垛及其费力费时，码垛精度不高容易出现事故，本文设计的自动码垛机械手就要求工作时要有一定的精度和效率。
由于机械手抓取产品质
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