工业机械手研究及应用

伯特利数控陈生

1.前言

1962年美国制造出第一台实用的示教型工业机器人以来，国际上对工业机器人的开发、研制和应用已近50年的历程。工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑等功能，它可代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作，代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量[1]。

目前，工业机械手主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。以日、美、德、法、韩等为代表，许多国家的机器人产业日趋成熟和完善，所生产的工业机器人已成为一种标准设备在全球得到广泛应用。由于制造企业技术的不断进步，对工业机器人的需求越来越大，因而工业机器人技术在制造业应用范围也越来越广，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度越来越高，功能也越来越强，正在向着成套技术和装备的方向发展。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套装备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。

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2.国外工业机械手研究现状

工业机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教型机械手，命名为Unimate(即万能自动)。

这台数控机械手的运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动控制系统用磁鼓做存储装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成立万能自动公司。1962年美国机械铸造公司也成功制造出一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可作点位和轨迹控制该机械手的中央立柱，以实现回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation-Vic-arm型工业机械手，利用小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1mm。联邦德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业；联邦德国Kuka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家。

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3.国内工业机械手研究现状

目前，经济型数控机床占很大比例，所以生产配套的经济型数控机床装夹机械手将会有很大的发展前景。同时我们也可以看出数控机床的消费量不断上升，市场还在不断扩展，特别是改造后的数控机床的拥有量和需求量比较大，这就给经济型数控机床装夹机械手带来了很大的机遇，同时也给如何适应大量异种同型数控机床带来挑战。

在国外，工业机器人已经是比较成熟的产品；生产、供应都已经开始成为一种集体化盈利的模式。2000年以后，我国的数控技术和相应的机器人技术的也逐渐显现出有力的发展势头，目前已成为相当可观的程度[2]。但是国内主要停留在购买国外零部件拼装工业机器人的状态。上海交通大学张伟军认为，如果要让国内企业生产工业机器人，首先要在成本上胜过日本。例如，莫托曼公司有一款工业机器人在国内卖15万元，这里面包括6个电机、减速器等。如果做工业机器人，仅仅是购买这些电机和减速器就得花10多万，这些元器件必须购买进口的，因而，减少高精度的元器件可以节省很多成本。

这种现状主要由于以下两个方面：一方面这是由于我国的基础产业跟不上，另一方面是设计不够系统科学，而大多是凭经验设计。这些原因导致我国工业机器人精度不高，且稳定性、寿命都不高。现如今国内企业不但要参与国内市场的竞争，而且还要应对国际市场的竞争；这就要求要以市场为中心，以满足顾客需求为目标，以技术创新快速响应市场变化。

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4.工业机械手的应用及不足

目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电器行业等领域。在工业生产中，弧焊机器人、电焊机器人、装配机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量使用。在制造业中，尤其是在汽车行业，如在毛坯制造、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测等作业中，机器人已逐步取代人工作业。汽车行业首先是代表高技术的领域，投入也是相当大，也是率先广泛应用工业机器人的领域；从汽车行业应用工业机器人的发展现状和趋势，可以看出整个工业机器人的发展前景是非常好的。

同时，国内外已经有很多应用在数控机床上的机械手产品，各有优缺点，但是主要定位于中高端应用。现有的装夹机械手为了达到所要求的通用性，在结构、控制以及最后的制造上往往比较复杂，因此价格也比较昂贵。本文对国内已有的专利进行研究，如中国国家知识产权局2008年公布了一项发明专利：自动上下料机械手(公开号：CN101168251)，其主要有定位、夹紧和翻转三部分组成，夹紧部件与滑动驱动器相联，滑动驱动器与翻转机构固定连接，翻转机构与定位机构滑块限位连接，定位气缸与导轨分别固定于顶板上；使用横跨结构，位于数控机床的上部；只是在滑块上设有档块来调节定位角度，需配定位置。中国国家知识产权局2008年还公布了一项实用新型专利：全自动送料数控机械手(公开号：CN201079955)，其使用送料臂的机构，送料臂的一头安装在箱体，另一头与送料钳通过销钉旋转式相连，送料臂和箱体之间连接有拉力气缸，送料臂上还设有从动压轮和复合凸轮；定位采用信号测试杆、接近开关等；为满足不同产品生产，使用了可调整复合凸轮的外周形状。上面两项专利都是基于数控机床和尽量提高经济适用性而设计的，但也还有一些问题：

(1)为提高通用性，虽设有可调机构，但可调范围受局限，比如自动上下料机械手采用横跨结构，机械手的位置相对可调范围比较小；而全自动送料数控机械手则采用可调整复合凸轮，受限也较大。

(2)由于结构的限制，机械手的安装位置配合要求较高，且调整较困难。

(3)机械手的结构形状相对固定，拆卸较繁琐。

5.展望

纵观国内外研究工作主要集中在智能型、高速度、高精度的机器人上，对于中小企业所需的经济、简单实用型机器人的研究不够重视；此外，还有很多研究工作比较关注机器人的机构和灵活性，很少涉及与数控机床通信控制的协同作业方面。因此在深入快速设计技术的同时，运用CAD/CAE等计算机辅助技术对在少自由度情况下机器人的机构和灵活性方面进行深入探讨，通过一次性机械调整达到对某一系列零件的自动装夹和卸料，通过尽量使用简单标准件和机械定位压低成本，通过调换不同的机械手抓提高机器人的柔性等方面研究将具有较高的技术创新水平和较大的工程应用价值。现将进一步研究具体实现的目标总结如下：

(1)通过调查和分析拟设计一种全新的经济型数控机床装夹机械手，使其通过一次调整达到对某一种待加工工件的自动装夹及卸料。从而实现某一种待加工工件在数控机床上的自动加工，达到省工省时省力的目的[3]。

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(2)通过理论研究和假定条件首先设计机械手的结构，然后进行优化分析，从而压缩成本，达到比较好的经济效益。

(3)研究通过运用计算机相关软件pro/e进行建模，hypermesh划分网格，adams进行动力学仿真，ansys进行静力学仿真，optistruct进行优化，ls-dyna进行碰撞分析，涉及matlab/simlink联合控制仿真，对机械手结构进行优化分析和相应结构改进,并为以后控制实现提供依据。

(4)实现数控车床配置机械手、上下料装置、辅助数控机床组网系统，实现数控机床作为“自动加工柔性单元”应用，以实现较高的工程应用价值。

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