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1.前言
1962年美國制造出第一臺實用的示教型工業(yè)機(jī)器人以來，國際上對工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)、研制和應(yīng)用已近50年的歷程。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦等功能，它可代替人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作，代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量[1]。
目前，工業(yè)機(jī)械手主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。以日、美、德、法、韓等為代表，許多國家的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)日趨成熟和完善，所生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人已成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在全球得到廣泛應(yīng)用。由于制造企業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對工業(yè)機(jī)器人的需求越來越大，因而工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用范圍也越來越廣，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來越高，功能也越來越強(qiáng)，正在向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。在發(fā)達(dá)國家中，工業(yè)機(jī)器人自動化生產(chǎn)線成套裝備已成為自動化裝備的主流及未來的發(fā)展方向。
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2.國外工業(yè)機(jī)械手研究現(xiàn)狀
工業(yè)機(jī)械手是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺國家實驗室的搬運(yùn)核原料的遙控機(jī)械操作手研究。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的；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)控示教型機(jī)械手，命名為Unimate(即萬能自動)。
這臺數(shù)控機(jī)械手的運(yùn)動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)用磁鼓做存儲裝置。不少球面坐標(biāo)式機(jī)械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；同年該公司和普曼公司合并成立萬能自動公司。1962年美國機(jī)械鑄造公司也成功制造出一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)，可作點位和軌跡控制該機(jī)械手的中央立柱，以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中開始應(yīng)用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種Unimation-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，利用小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1mm。聯(lián)邦德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)；聯(lián)邦德國Kuka公司還生產(chǎn)一種點焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制；日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快，應(yīng)用國家最多的國家。
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3.國內(nèi)工業(yè)機(jī)械手研究現(xiàn)狀
目前，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床占很大比例，所以生產(chǎn)配套的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床裝夾機(jī)械手將會有很大的發(fā)展前景。同時我們也可以看出數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)量不斷上升，市場還在不斷擴(kuò)展，特別是改造后的數(shù)控機(jī)床的擁有量和需求量比較大，這就給經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床裝夾機(jī)械手帶來了很大的機(jī)遇，同時也給如何適應(yīng)大量異種同型數(shù)控機(jī)床帶來挑戰(zhàn)。
在國外，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)是比較成熟的產(chǎn)品；生產(chǎn)、供應(yīng)都已經(jīng)開始成為一種集體化盈利的模式。2000年以后，我國的數(shù)控技術(shù)和相應(yīng)的機(jī)器人技術(shù)的也逐漸顯現(xiàn)出有力的發(fā)展勢頭，目前已成為相當(dāng)可觀的程度[2]。但是國內(nèi)主要停留在購買國外零部件拼裝工業(yè)機(jī)器人的狀態(tài)。上海交通大學(xué)張偉軍認(rèn)為，如果要讓國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人，首先要在成本上勝過日本。例如，莫托曼公司有一款工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)賣15萬元，這里面包括6個電機(jī)、減速器等。如果做工業(yè)機(jī)器人，僅僅是購買這些電機(jī)和減速器就得花10多萬，這些元器件必須購買進(jìn)口的，因而，減少高精度的元器件可以節(jié)省很多成本。
這種現(xiàn)狀主要由于以下兩個方面：一方面這是由于我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)跟不上，另一方面是設(shè)計不夠系統(tǒng)科學(xué)，而大多是憑經(jīng)驗設(shè)計。這些原因?qū)е挛覈I(yè)機(jī)器人精度不高，且穩(wěn)定性、壽命都不高�，F(xiàn)如今國內(nèi)企業(yè)不但要參與國內(nèi)市場的競爭，而且還要應(yīng)對國際市場的競爭；這就要求要以市場為中心，以滿足顧客需求為目標(biāo)，以技術(shù)創(chuàng)新快速響應(yīng)市場變化。
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4.工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用及不足
目前，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電器行業(yè)等領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、電焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量使用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車行業(yè)，如在毛坯制造、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測等作業(yè)中，機(jī)器人已逐步取代人工作業(yè)。汽車行業(yè)首先是代表高技術(shù)的領(lǐng)域，投入也是相當(dāng)大，也是率先廣泛應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的領(lǐng)域；從汽車行業(yè)應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，可以看出整個工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展前景是非常好的。
同時，國內(nèi)外已經(jīng)有很多應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上的機(jī)械手產(chǎn)品，各有優(yōu)缺點，但是主要定位于中高端應(yīng)用。現(xiàn)有的裝夾機(jī)械手為了達(dá)到所要求的通用性，在結(jié)構(gòu)、控制以及最后的制造上往往比較復(fù)雜，因此價格也比較昂貴。本文對國內(nèi)已有的專利進(jìn)行研究，如中國國家知識產(chǎn)權(quán)局2008年公布了一項發(fā)明專利：自動上下料機(jī)械手(公開號：CN101168251)，其主要有定位、夾緊和翻轉(zhuǎn)三部分組成，夾緊部件與滑動驅(qū)動器相聯(lián)，滑動驅(qū)動器與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定連接，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與定位機(jī)構(gòu)滑塊限位連接，定位氣缸與導(dǎo)軌分別固定于頂板上；使用橫跨結(jié)構(gòu)，位于數(shù)控機(jī)床的上部；只是在滑塊上設(shè)有檔塊來調(diào)節(jié)定位角度，需配定位置。中國國家知識產(chǎn)權(quán)局2008年還公布了一項實用新型專利：全自動送料數(shù)控機(jī)械手(公開號：CN201079955)，其使用送料臂的機(jī)構(gòu)，送料臂的一頭安裝在箱體，另一頭與送料鉗通過銷釘旋轉(zhuǎn)式相連，送料臂和箱體之間連接有拉力氣缸，送料臂上還設(shè)有從動壓輪和復(fù)合凸輪；定位采用信號測試桿、接近開關(guān)等；為滿足不同產(chǎn)品生產(chǎn)，使用了可調(diào)整復(fù)合凸輪的外周形狀。上面兩項專利都是基于數(shù)控機(jī)床和盡量提高經(jīng)濟(jì)適用性而設(shè)計的，但也還有一些問題：
(1)為提高通用性，雖設(shè)有可調(diào)機(jī)構(gòu)，但可調(diào)范圍受局限，比如自動上下料機(jī)械手采用橫跨結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的位置相對可調(diào)范圍比較��；而全自動送料數(shù)控機(jī)械手則采用可調(diào)整復(fù)合凸輪，受限也較大。
(2)由于結(jié)構(gòu)的限制，機(jī)械手的安裝位置配合要求較高，且調(diào)整較困難。
(3)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形狀相對固定，拆卸較繁瑣。
5.展望
縱觀國內(nèi)外研究工作主要集中在智能型、高速度、高精度的機(jī)器人上，對于中小企業(yè)所需的經(jīng)濟(jì)、簡單實用型機(jī)器人的研究不夠重視；此外，還有很多研究工作比較關(guān)注機(jī)器人的機(jī)構(gòu)和靈活性，很少涉及與數(shù)控機(jī)床通信控制的協(xié)同作業(yè)方面。因此在深入快速設(shè)計技術(shù)的同時，運(yùn)用CAD/CAE等計算機(jī)輔助技術(shù)對在少自由度情況下機(jī)器人的機(jī)構(gòu)和靈活性方面進(jìn)行深入探討，通過一次性機(jī)械調(diào)整達(dá)到對某一系列零件的自動裝夾和卸料，通過盡量使用簡單標(biāo)準(zhǔn)件和機(jī)械定位壓低成本，通過調(diào)換不同的機(jī)械手抓提高機(jī)器人的柔性等方面研究將具有較高的技術(shù)創(chuàng)新水平和較大的工程應(yīng)用價值�，F(xiàn)將進(jìn)一步研究具體實現(xiàn)的目標(biāo)總結(jié)如下：
(1)通過調(diào)查和分析擬設(shè)計一種全新的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床裝夾機(jī)械手，使其通過一次調(diào)整達(dá)到對某一種待加工工件的自動裝夾及卸料。從而實現(xiàn)某一種待加工工件在數(shù)控機(jī)床上的自動加工，達(dá)到省工省時省力的目的[3]。
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(2)通過理論研究和假定條件首先設(shè)計機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行優(yōu)化分析，從而壓縮成本，達(dá)到比較好的經(jīng)濟(jì)效益。
(3)研究通過運(yùn)用計算機(jī)相關(guān)軟件pro/e進(jìn)行建模，hypermesh劃分網(wǎng)格，adams進(jìn)行動力學(xué)仿真，ansys進(jìn)行靜力學(xué)仿真，optistruct進(jìn)行優(yōu)化，ls-dyna進(jìn)行碰撞分析，涉及matlab/simlink聯(lián)合控制仿真，對機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析和相應(yīng)結(jié)構(gòu)改進(jìn),并為以后控制實現(xiàn)提供依據(jù)。
(4)實現(xiàn)數(shù)控車床配置機(jī)械手、上下料裝置、輔助數(shù)控機(jī)床組網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床作為“自動加工柔性單元”應(yīng)用，以實現(xiàn)較高的工程應(yīng)用價值。
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