先进制造技术在工业机器人末端执行机构中的应用

2016年现代制造技术课程论文先进制造技术在工业机器人末端执行机构中的应用摘要：介绍了工业机器人末端执行机构的概念及分类方法，总结了工业机器人末端执行机构在工业机器人制造中的发展，并对工业机器人末端执行机构的设计要求和分类以及应用进行了简单介绍。关键词：工业机器人；末端执行机构；设计要求；分类；应用前言*由于机器人技术是20世纪出现的新名词，目前机器人技术正处于高速发展的阶段，对机器人的定义仍然在不断的扩展和充实中，目前，世界各国对机器人还没有一个统一的定义，在我国国家标准GB/T12643-90中，工业机器人被定义为“一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。”在机器人技术的设计和发展中，末端执行器的设计和发展无疑是其中最重要的领域。在机器人生产中，大多数故障都是由于末端执行机构的设计不合理，而不是机器人本身的原因；并且手部对机器人来说是一个独立的部件，手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系到了手臂夹持工件时的定位精度、夹持力等的大小。所以，完善末端执行器成为发展机器人技术的必要的和缺一不可的条件之一。末端执行器，又称为末端操作器、末端操作手，有时也被称为手部、手爪、机械手等。在机器人技术领域内，末端执行器机构位于机器人手臂的末端，负责与外界环境进行动作交流。不同的种类由机器人的不同作业性质决定。在某些定义中，末端执行器指的是机器人的末端，从这种角度来看，末端机器人相当于机器人的附属机构。而从广义上来说，末端机器人可以被定义为机器人用以与外界工作环境交流的一部分机构。这并不指可移动机器人的移动车轮，也不是仿人机器人的脚部，这两种都不是末端执行器——它们只是机器人的可移动部分机构。末端执行器多为各种各样的夹持器，一般可以开合夹持或吸放夹持。比如在电焊、喷涂等领域的机器人中，它们的末端执行器即为焊钳和喷具。1末端执行机构的发展现状及优点遥操作机械手是最早出现的机械手，由美国Argonne国家实验室的Gonerts设计，由一个“控制臂”和一个“执行臂”构成，一般称为“遥操作机械手”或“遥控机械手”。该机构的结构如下图。图1最早的机械手在传统工业生产中，机械加工或者其他大型作业或装配作业过程总是需要一种体积很大的，有足够的面积和空间来放置、夹持并定位工件的设备，这种设备通过限制工件的一个或多个自由度，或者夹持在工件表面的一个或多个点来固定加工零件。而在现代加工领域中，工业机器人已经能独立完成定位和夹持较大的工件，来实现更加便捷的加工作业。传统加工中，几乎所有的加工作业都受到定位月2016年4月先进制造技术在工业机器人末端执行机构中的应用2精度的限制。而随着科技的发展，为了更好的加工有精度要求的部件或体积较大的工件，我们对工件定位精度及夹持力等多方面优越的性能的有了更高的要求。事实上，加工数量、加工环境的温度等因素都会使加、夹持定位精度降低。并且活动部件比如铰链、轴承、滑块等会导致摩擦，同样也会使定位变得更加困难。工业机器人末端执行器的应用实现了自动夹持或增压定位的作用。这都体现在夹持、定位、自动卸载等操作中。精确的机床定位通过安装在末端执行器和机器人臂之间的微型定位器来完成，这样的设计使末端执行器在特殊的加工环境下，也能保证高的精确度，排除由于定位夹持不精确而带来的加工误差。2末端执行机构在工业机器人中的应用2.1末端执行机构设计要求及分类2.1.1末端执行机构的设计要求（1）不论是夹持或者吸附，末端执行器需需具有满足作业需要的足够夹持（吸附）力和所需的夹持位置精度。（2）应尽可能使末端执行器结构简单、紧凑，质量轻，以减轻手臂的负荷。专用的末端在执行器结构简单，工作效率高，而能完成多种作业的“万能”末端执行器可能带来结构复杂，费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器。2.1.2末端执行机构的分类末端执行机构主要分为机械式夹持器、吸附式末端执行器、多指灵巧手三类。其中，机械式夹持器由手爪、传动机构、驱动装置等组成。通过手爪的开、合动作实现对物料的夹持。吸附式末端执行器靠吸附力抓取物料，适用于抓取大平面、易碎、微小等类型的物料。多指灵巧手是一种模仿人手的机构，它有多个手指，每个手指有三个回转关节，每一个关节自由度都是独立控制的，这种机器人的多指灵巧手可以完成各种复杂动作（如拧螺丝、弹钢琴等）如果配置触觉、力觉、温度传感器可使其功能更加广泛。2.2仿人机器手五指机器手是未来工业机器人末端执行机构主要的研究发展方向，这种仿人类学的末端执行机构包含9种此幅机构，控制20个轴或者关节的多种不同的运动。五指机器手不仅仅模仿人手的大小和形状，也完全的模仿人手的运动和灵巧度。不可否认的是，对实际工厂来说，五指仿人机器手的普及仍然还很遥远。大多数这样的机构都只是停留在学校、科技研发机构的研究阶段，还没有应用到社会全自动加工的实际应用中。一旦它能够适应大批量生产和实现更高的经济性，仿人机器手投放到市场进行自动化的加工将会成为可能。图2仿人五指机器手2.3填充技术在粉末轧制技术中，将所载金属（或非金属）粉末通过按压使之填充到已有的凹模中，从而形成凹模的空间形状结构。粉末轧制作为一种粉末成型方法具有许多优点，能够生产一般轧制法难以或无法生产的板带材，能够轧制出成分比较精确的带材，并且成分容易控制，组分均匀；并且粉末轧制的板带材料各项同性。粉末轧制工艺过程短，节约能源并且能降低生产成本，成材率比熔铸轧制法高，而且不需要大型设备，可以大大减少设备投资。由于具有多种优点，粉末轧制技术被应用到多种加工中，而填充末端执行器的发展无疑为这一加工技术锦上添花，能够在保证加工质量的情况下大大提高加工速度。月2016年4月先进制造技术在工业机器人末端执行机构中的应用3图3填充机器手2.4弧焊机器人末端执行机构弧焊机器人是指用于进行自动弧焊的工业机器人。弧焊、电焊机器人的原理都基本相同。图4弧焊机器人3总结工业机器人是我国制造业转型升级、提质增效必不可少的高端装备，是重点发展的领域之一。不同领域的机器人，就会有不同的末端执行机构。除以上提到的三种末端执行机构之外，对于搬运机器人、装配机器人、加工机器人、喷涂机器人、检测机器人、洁净机器人等多种应用机器人，对应着多平，代表了一个国家的制造业水平，发展机器人产业应上升到国家战略高度。机器人的广泛使用是我国从制造业大国走向制造业强国的重要手段和途径。在机器人发展的必然趋势下，工业机器人末端执行机构也必将得到长足的发展，到目前为止，我们已经可以看到很多的研究发明成果，在多次的试验设计后，随着社会要求的不断提高，科学技术的不断进步，工业机器人和其末端执行机构的设计和应用将会被提升到新的高度，并且被提出更精确、更高的要求。参考文献[1]宾鸿赞王润孝．先进制造技术〔M〕．北京：高等教育出版社2006，1∶230-231[2]李碧舟吕伟．国内外工业机器人发展现状与趋势研究〔D〕．沈阳：沈阳新松机器人自动化股份有限公司，2016.8[3]陈丹、赵军平．解读“绿皮书”之我国工业机器人发展重点〔J〕．机器人产业，2013：44-48．[4][6][7][8][9][10]作者简介：本科生，主要研究方向为工业机器人末端执行机构的发展与应用。E-mail:：种多样的末端执行机构。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。机器人的制造及应用水