用于柔性生產線的多用途機械手臂

【摘 要】 機械手臂主要用于人工無法操作的惡劣環境，具有靈活性好、應用范圍廣的優點，已經成為現代工業的重要生產工具；在實際工程生產中，機械手的應用大大提高了生產效率，對于很多工作強度大、工作時間長工作環境來說，機械手臂發揮著不可替代的作用。對于柔性生產線來說，要實現物料自動傳送和不同方向上的傳輸，通常需要繁瑣單調的流水線操作，然而這種傳統的操作模式在人力物力上具有相當高的成本，為降低成本提高效率，多用途機械手臂廣泛應用于柔性生產線。因此對于柔性生產線上的多用途機械手臂的研究具有重要意義。

【關鍵詞】 機械手臂 柔性生產線 生產工具

1.項目意義

隨著我國工業的高速發展，特別是進入21世紀以后，機械手臂廣泛應用于汽車、航空航天等領域；在計算機輔助制造工業和自動化生產過程中更是隨處可見機械手臂的身影。特別在對于危害工人健康的惡劣環境下，如焊接工藝，機械手臂的應用不僅能消除環境對工人造成的負面影響，更是提高了工作效率和降低了制造成本。而對于在由多臺機床組成的自動運輸的生產線上即在柔性生產線上，機械手臂發揮著不可替代的作用[1]。因此，對于柔性生產線上多用途機械手臂的研究不僅是生產的需要，更是順應了當今世界工業發展的大趨勢；在節省原料、提高生產效率、降低人力物力投入、擴展生產范圍等方面，都具有重要的現實意義。

2.競爭現狀和發展趨勢

我國的機械手臂的起步來自于機器人產業興起，起步于我國第七個“五年計劃”的科技攻關項目，經過四十多年的發展，如今我國已經有了一套相當成型的機器人產業技術，其中，工業機器手得到了最為廣泛的發展，幾乎涉及了我國所有的工業生產環節，在制造成型方面，如焊接、鑄造、沖壓等機械加工[2]，以及生產線的傳送、運輸和裝配[3]方面，都有著機械手臂的存在；特別是在航空航天領域，對靈活性高的機械手臂有著非常廣泛的應用[4]。但是由于我國起步較晚，加上在芯片和集成控制領域落后于美國、日本等發達國家，使得我國在工業機器手方面的競爭力在國際上還不夠高，比著發達國家相對落后。縱觀世界機器人產業的發展趨勢，機械手臂主要沿著運動軌跡和位置優化方向[5]，以及芯片硬件的智能開發方向發展，也即是朝著結構優化和控制的方向發展[6]，同時在這兩個發展方向上有很大的進步空間。除此之外，具有非線性、強耦合以及高速、高加速度等特性的機械手臂的研究也是現如今的一個熱點[7]

3.用于柔性生產線上的機械手臂運營的關鍵點

對于用在柔性生產線上的機械手臂，其關鍵點在于為完成工作目的所預設的工作軌跡，這是一個復雜的過程，例如對于在柔性生產線上起到傳送工件或產品抓取及傳送功能的機械手臂[8]，要考慮帶的傳送速度和誤差以及工作空間的大小，從而設計機械手臂的運動軌跡，包括機械手的運動方向設計以及各運動方向的驅動設計，有些還需要設計液壓系統等；然后再通過開發芯片完成在允許誤差內的自動控制，其控制主要通過PLC和單片機實現。對于多功能的機械手設計，則還要考慮其在工作空間的多自由移動和轉動。除此之外，對于柔性生產線的方案設計和工藝方法，以及批量生產情況下綜合考慮節省成本和提高效率，生產線的控制系統設計等，都是十分關鍵的。這些都是在設計用于柔性生產線的多功能機械手臂時所重點考慮和解決的內容。

4.可能出現的問題、原因和解決方案

首先由于工作空間的限制，生產線上不能出現體型較大的設備，因此設計時要盡可能使其結構簡單，可通過考慮在手臂底座添加套筒的方式，機械手臂穿過套筒，并在手臂下端安裝能動裝置。第二，對于機械手臂的位置確定也是一個首要解決的問題，在機器人程序功能的可視化和模擬的過程中，機械手臂發生連續的位置變化，對于這些位置的確定，我們可以添加先進工程程序。第三，對于機械手臂的預設計運動位置，實際運動位置可能與其不符合，對于這種情況，我們可采取添加驅動桿件，當預設位置與實際位置不符合的時候，驅動桿件作用，使兩者同步。第四，對于柔性生產線來說存在著兩個基本問題，第一個問題是對于大規模、大量的柔性生產件來說，大量的工業機器人廣泛用于各式各樣的生產線，那對于生產線上的機械手臂的替換要求停下所有的生產線，這個過程是相當繁瑣和復雜的，且降低了生產效率。為解決此類問題，我們可以采取模塊化的設計理念，這樣就使得改變任意一個生產元素成為可能。

結 論

柔性生產線為當代工業生產的主流方式，而在柔性生產線上采用多用途的機械手臂又是提高生產效率和降低成本的有效手段；然而，在機械手臂的設計復雜繁瑣，存在著各式各樣的待解決問題，本文提出的問題和解決方案并不是全部，只是其中的一部分。當然，整個機器人工業仍存在著很大的發展空間，也有更加先進和智能的方案等待著我們開發設計，同時，也有很多更加困難的難題等待著我們去解決。

【參考文獻】

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[7] 胡云堂， 江卓達. 多自由度柔性生產線送料機械手系統設計[J]. 液壓與氣動， 2011（6）：45-47.

[8] 張冠偉， 張世昌. 用于柔性生產線方案設計的分層工藝規劃方法[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報， 2003， 15（10）：1303-1306.

作者簡介：羅杰（1994），男，漢族，四川自貢，碩士研究生，重慶交通大學經濟與管理學院，研究方向：物流管理。