基于3D打印技術的工業(yè)機器人末端執(zhí)行器解決方案

李小軍

（甘肅機電職業(yè)技術學院，甘肅 天水 741001）

如圖1所示，工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器，就是指安裝于工業(yè)機器人手臂末端，起到直接作用于工作對象的一種裝置，它具有夾持、搬運及放置工件到某個位置的功能。雖然看似不起眼，卻舉足輕重，它作為工業(yè)機器人和外部環(huán)境之間相互作用的最后環(huán)節(jié)與執(zhí)行部件，對于提高工業(yè)機器人的柔性化程度和易用性起著非常重要的作用，其性能的優(yōu)劣在一定程度上決定了整個工業(yè)機器人的工作性能[1]。

隨著當前國內(nèi)工業(yè)機器人應用領域不斷擴大，其末端執(zhí)行器應用范圍越來越廣，對其重復定位精度、柔性化設計要求越來越高，而我們傳統(tǒng)機械制造方法在一定程度上顯然已經(jīng)不能滿足當前市場需求。3D打印技術正好彌補工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在前期產(chǎn)品研發(fā)和樣件試制、機器人核心零部件生產(chǎn)及產(chǎn)品修復改造等方面不足，如圖1所示利用3D打印機打印出的塑料制成并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器。

圖1 塑料制成并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器

1 工業(yè)機器發(fā)展概述

如圖2所示，在中國經(jīng)濟信息社發(fā)布的《全球智能制造發(fā)展指數(shù)報告（2017）》中看到，中國已經(jīng)列入到智能制造發(fā)展“先進型”國家行列之中，綜合排名已位于全球第6位，預計在2018年全球?qū)⒂写蠹s232萬臺工業(yè)機器人被部署于工廠車間。

圖2 全球智能制造發(fā)展指數(shù)綜合評價結(jié)果

在2017年我國工業(yè)機器人的產(chǎn)量是13.1萬臺(套)，預計2018年～2020年，國內(nèi)工業(yè)機器人的銷量將分別為16萬、19.5萬、23.8萬臺。以我們國內(nèi)最大的代加工企業(yè)富士康為例，在2018年6月22日召開的股東大會上，富士康董事長郭臺銘明確表示將計劃在企業(yè)內(nèi)部用Foxbot機器人代替其8成的企業(yè)一線操作員崗位。隨著當前工業(yè)機器人技術的不斷發(fā)展成熟，制造業(yè)不斷發(fā)生巨大的變革，以工業(yè)機器人逐步代替人力勞動是主流趨勢，其主要應用已經(jīng)從汽車工業(yè)擴展到食品、電子等其它領域，并徹底改變了傳統(tǒng)工業(yè)的生產(chǎn)模式。工業(yè)機器換人已成為當下最大的趨勢。依托3D打印技術打破傳統(tǒng)金屬制作的原型，將其取代為塑料制品。

2 工業(yè)機器末端執(zhí)行器解決方案

我們面對情況是國內(nèi)工業(yè)機器人應用領域不斷擴大，其末端執(zhí)行器應用范圍越來越廣，市場對于末端執(zhí)行器的重復定位精度、柔性化設計要求越來越高，傳統(tǒng)制造生產(chǎn)方式由于設計研發(fā)周期長，定制生產(chǎn)成本過高、產(chǎn)品外形及結(jié)構單一、柔性化程度不高等原因制約其發(fā)展，3D打印工業(yè)機器人末端執(zhí)行器模型。

3D打印技術正好彌補傳統(tǒng)制造工藝不足，將更多的新型材料應用到制造中，是一種極其節(jié)約高效制造技術，基本不會產(chǎn)生廢料。正好滿足工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在前期研發(fā)和樣品試制、不會受到零件形狀約束，基本上可以“一次成型”，從而大大提高了生產(chǎn)效率，也更好地滿足產(chǎn)品功能性要求；對于一些特定客戶，可根據(jù)現(xiàn)有末端執(zhí)行器形狀結(jié)構借助逆向掃描，對其進行修復和改造。

2.1 基于FDM技術末端執(zhí)行器制造解決方案

依托FDM熔融層積成型技術基本原理，以熱塑性成形材料絲為材料（選材很重要），材料絲通過加熱器的擠壓頭熔化成為了液體，由計算機控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準確運動，使熔化的熱塑材料絲通過噴嘴擠出，覆蓋于已建造的零件之上，并在極短的時間內(nèi)迅速凝固，形成一層材料。這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個末端執(zhí)行器，方便、快捷。

如圖3所示，根據(jù)工業(yè)機器人用途，可以將其末端執(zhí)行器的模型結(jié)構在CAD軟件中快速、準確設計出來，又能依據(jù)理論建模數(shù)據(jù)，經(jīng)濟、可靠地生成相關的可觸摸的物理實體，這要比將三維的幾何造型轉(zhuǎn)化為二維的圖紙上具有更高的直觀性和啟示性。而作為工業(yè)機器人末端執(zhí)行器設計人員可以更快，更容易地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計中的缺陷，此外更為重要的是，對于可以裝配使用末端執(zhí)行器產(chǎn)品而言，設計人員可以及時進行新產(chǎn)品結(jié)構、性能以及其定位精度、重復定位精度、靈活性、通用性和美學品質(zhì)檢驗。

圖3 工業(yè)機器人末端執(zhí)行器三維建模型

材料性能一直是FDM工藝的主要優(yōu)點，其ABS原型強度可達到注塑零件的三分之一。近些年又發(fā)展出了PPSF、PC/ABS、PC等材料，它們強度、硬度已經(jīng)接近或超過了普通注塑零件，在某些特定場合（如試用、維修、暫時替換等）下可以直接使用。雖然金屬零件成型（近些年有許多研究機構和公司都對此進行研究，是當今快速原型領域的一個熱點研究項目）的材料永生性能可能更好，但在塑料零件領域，F(xiàn)DM工藝將是一種非常適宜的快速制造方式，特別適合我們以塑料代替金屬材料制造及修復改造工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的綠色環(huán)保理念。

2.2 基于DMLM技術末端執(zhí)行器制造解決方案

我們依托金屬激光熔煉（DMLM）機器的粉末沉積系統(tǒng)與現(xiàn)在其他金屬3D打印方法（比如直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）和選擇性激光熔煉（SLM））相比，DMLM與DMLS有些類似，但能夠完全熔化其金屬粉末而不是燒結(jié)。

因為對于有些在外部環(huán)境中工作的工業(yè)機器人、機械性能要求較高應用領域必須要求末端執(zhí)行器是金屬制作或者含有金屬成份產(chǎn)品，所以我們可利用DMLM技術3D打印機使他們能夠根據(jù)用途結(jié)合CAD軟件設計出其三維模型，再根據(jù)CAD軟件提供文件直接打印出一個完整的工業(yè)機器末端執(zhí)行器；使用了這種技術，我們將設計改變得很輕松，只需要更改圖紙就行了。

3 結(jié)束語

以智能制造為代表的第四次工業(yè)革命，積極推動了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級，工業(yè)機器人、數(shù)字制造、人工智能等領域的不斷優(yōu)化創(chuàng)新，推動了我們傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的自動化、智能化轉(zhuǎn)型。而3D打印技術使很多新材料、新設計應用到工業(yè)制造中，推動了加工和智能生產(chǎn)的發(fā)展，滿足人們不斷增長的對智能化生產(chǎn)需求，如圖4所示為依托3D打印技術設計出柔性化工業(yè)機器人末端執(zhí)行器。

圖4 工業(yè)機器人柔性化末端執(zhí)行器

現(xiàn)代企業(yè)集團化、生產(chǎn)能力的規(guī)模化、多品種少批量的生產(chǎn)方式，將使得工業(yè)機器人市場應用需求越來越大，從而加強對工業(yè)機器人工作能力的不斷提高，因為目前工業(yè)機器人不但要向高速化方向發(fā)展，而且還需要其具備處理多種產(chǎn)品的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)一機多盤、一機多線、一機多用途的功能。由于目標對象的結(jié)構、形態(tài)、尺寸等各不相同，對工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的結(jié)構以及對其目標對象的操作方式也不同，因為目標對象一旦更換，則需要更換相應的末端執(zhí)行器，為了適應各種工作情況，結(jié)合3D打印技術研發(fā)通用型協(xié)同機器人末端執(zhí)行器的快接裝置以及末端執(zhí)行器裝置已經(jīng)勢在必行。