多自由度機(jī)械手在裝配生產(chǎn)線上的應(yīng)用

摘 要：在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，自動(dòng)化已經(jīng)成為了人們對工具的基本要求。在世界大大小小不同的工廠生產(chǎn)線上，自動(dòng)化配置占據(jù)著越來越重要的位置，而對自動(dòng)化的設(shè)計(jì)要求也越來越高。自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線多自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)，在機(jī)器時(shí)代里如何凸顯其自身優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化裝配；生產(chǎn)線；多自由度

1 概述

在多數(shù)機(jī)器產(chǎn)品制造的過程當(dāng)中，一般最先進(jìn)行的都是基本零件的加工，然后才進(jìn)行產(chǎn)品的裝配。自動(dòng)化裝配的生產(chǎn)線主要都是從事產(chǎn)品制造中后期的種種裝配、檢測、包裝等工作順序，操作對象一般包括組成產(chǎn)品的零件、部件等，一般說來最后完成的基本都是成品或半成品，適用于在市場當(dāng)中占相當(dāng)份額、能夠做到長期出產(chǎn)的產(chǎn)品，例如軸承、計(jì)算機(jī)硬盤、計(jì)算機(jī)光盤驅(qū)動(dòng)器、電氣開關(guān)、燈泡、鎖具、小型電機(jī)、食品包裝等，具有生產(chǎn)效率高，人力成本低、占用地方小，裝配質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)越性。自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線在工藝流程上和手工裝配流水線是基本一致的，只是在手工裝配流水線上操作的人大都是工人，而自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線上則是由一系列自動(dòng)化配置好的機(jī)器來完成各種裝配任務(wù)。自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線較手工裝配生產(chǎn)線可以減少從事簡單操作的勞動(dòng)力，且能掌握好動(dòng)作的精密度，能提供更標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。所以，自動(dòng)化生產(chǎn)線是工業(yè)生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要發(fā)明。

何為自動(dòng)化裝配？筆者認(rèn)為，自動(dòng)化裝配已經(jīng)不局限于一種機(jī)器，而是多種機(jī)器，多種部件在自動(dòng)化裝配流程上相互配合的一個(gè)重要過程。只有相互配合得好，自動(dòng)化裝配才能真正的達(dá)到自動(dòng)化，才能真正保證大批量生產(chǎn)性能穩(wěn)定產(chǎn)品。此外，配置自動(dòng)化生產(chǎn)線最重要的一點(diǎn)就是要注意其生產(chǎn)速率。生產(chǎn)速率對自動(dòng)化生產(chǎn)線尤其重要，只有在明確的生產(chǎn)速率下才有可能為機(jī)器配置適合其的生產(chǎn)設(shè)備，只有合適，才有可能規(guī)劃出最優(yōu)成果，節(jié)省資源。

2 多自由度機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域

在制造業(yè)生產(chǎn)流水線上，有很多危險(xiǎn)的操作，這些操作以往都需要人去完成，面對這些危險(xiǎn)的操作，以至于工人無法安全地去完成這些工作。那么，有沒有什么機(jī)器可以替代工人的雙手，出色的完成工作呢？鑒于解決這一問題，有專家創(chuàng)造出了機(jī)械手，它能夠模擬手的功能，且多自由度，一定程度上解決了人手不能完成的危險(xiǎn)工作。這樣既保證了生產(chǎn)的安全性，也提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品生產(chǎn)效率。隨著工業(yè)機(jī)械化水平的不斷發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，為社會(huì)做出的貢獻(xiàn)也越來越大。

在制造行業(yè)生產(chǎn)流水線上，也有很多勞動(dòng)密集型企業(yè)，員工們從事簡單重復(fù)的裝配動(dòng)作，容易產(chǎn)生疲勞、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量受員工人為因素很大，一旦發(fā)生用工荒，人員緊缺、培訓(xùn)不到位，交貨周期就無法保障。為了解決這些實(shí)際生產(chǎn)過程中所需要面對的問題，多自由度機(jī)械手就在這樣的時(shí)代背景下應(yīng)運(yùn)而生了。經(jīng)過不斷的實(shí)踐和技術(shù)改進(jìn)，多自由度機(jī)械手很好的幫助生產(chǎn)企業(yè)解決了上述可能出現(xiàn)的一系列問題，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。這樣既增加了企業(yè)的生產(chǎn)效益，也相應(yīng)地提高了廣大人民群眾的購買力。多自由度機(jī)械手在這些企業(yè)的生產(chǎn)線上具有廣泛的應(yīng)用空間。

在制造業(yè)生產(chǎn)流水線上，還有一些精密度要求很高的裝配工作，靠人的操作很難達(dá)到要求，而且生產(chǎn)效率很低、一致性不高，穩(wěn)定性不好，而多自由度機(jī)械手就可以在此領(lǐng)域發(fā)揮人工無法比擬的優(yōu)勢，能精準(zhǔn)地完成各種復(fù)雜的動(dòng)作。

3 多自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)組成

機(jī)械手主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和位置檢測裝置等組成。機(jī)械手在程序的控制下，來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)部位的操作，有轉(zhuǎn)動(dòng)，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定的速度和時(shí)間限制。同時(shí)按照控制系統(tǒng)的命令，對機(jī)械手的操作進(jìn)行監(jiān)督，當(dāng)動(dòng)作有誤時(shí)立即發(fā)出警報(bào)，位置檢測裝置隨時(shí)對系統(tǒng)的實(shí)際位置做出反饋，并和事前設(shè)定的位置比較，然后進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到要求。多自由度機(jī)械手自帶指關(guān)節(jié)，可以更靈活的運(yùn)用操作機(jī)器，精準(zhǔn)地完成工作。此外，它還配有專門的感應(yīng)器系統(tǒng)，可以在不同環(huán)境下檢測濕度溫度壓力等。

3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。

（1）手部，就是和物件接觸的地方。由于和物件接觸的方法不同，可以分為夾持式和吸附式。筆者認(rèn)為在自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線多自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)上，機(jī)械手應(yīng)該采取夾持式。夾持式手部由手爪和傳立機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手爪是和部件直接接觸的地方，其結(jié)構(gòu)取決于被抓物件的表面形狀，被抓的物件部位和物件的重量體積。傳力機(jī)構(gòu)則利用手指產(chǎn)生的力來完成工作。筆者認(rèn)為這樣的設(shè)計(jì)更有利于機(jī)械手來更好的代替人手來完成相對應(yīng)的工作。

（2）手臂，手臂是支撐被抓物，手部、手腕的一個(gè)重要地方。手臂主要是帶動(dòng)手爪去抓住物件，并按要求到達(dá)指定位置。在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，手臂可以和驅(qū)動(dòng)源一起合作，實(shí)現(xiàn)手臂的自由度。機(jī)械手臂在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中有很廣泛的應(yīng)用，按照驅(qū)動(dòng)方式來分，機(jī)械手臂有液壓式、氣動(dòng)式和電動(dòng)式。機(jī)械臂除了用于搬運(yùn)、噴涂、焊接、裝配等傳統(tǒng)的作業(yè)范圍之外，還可以用于護(hù)理、航天、探海等特殊作業(yè)領(lǐng)域。機(jī)械臂是機(jī)械人在工作區(qū)內(nèi)移動(dòng)所需要的最重要的動(dòng)力系統(tǒng)之一。

（3）立柱，立柱是支撐手臂的地方，簡單來說，也可以是手臂的一部分，手臂的升降等都和立柱有著密不可分的關(guān)系。機(jī)械手在實(shí)際的工作、生產(chǎn)的過程中，主要靠著立柱的支撐來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的升降，以此來完成操作作業(yè)。相對于傳統(tǒng)的人力而言，立柱所起到的作用就相當(dāng)于是機(jī)械手的骨架，支撐著機(jī)械手的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

它是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)作的，主要由動(dòng)力裝置、調(diào)節(jié)裝置以及輔助裝置組成。多自由度機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含：旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、水平驅(qū)動(dòng)、垂直驅(qū)動(dòng)、夾爪驅(qū)動(dòng)等等。在實(shí)際的作業(yè)操作過程中，機(jī)械手可以依靠這些系統(tǒng)的功能模仿人手來進(jìn)行操作，機(jī)械手通過這些裝置之間的相互協(xié)調(diào)和配合來完成操作作業(yè)。

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是機(jī)械手中最重要的核心部分，是控制機(jī)械手按規(guī)定運(yùn)作的系統(tǒng)。它支配機(jī)械手按照規(guī)定指令來執(zhí)行動(dòng)作，并且記憶人們給機(jī)械手的指令、動(dòng)作、語言，同時(shí)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)也監(jiān)督機(jī)械手的動(dòng)作，動(dòng)作有誤時(shí)就發(fā)出警告。機(jī)械手控制系統(tǒng)一般由主控板、轉(zhuǎn)接板、顯示器、控制按鍵、配套電源等部分組成。控制系統(tǒng)就相當(dāng)于是機(jī)械手的大腦，控制機(jī)械手來完成各項(xiàng)工作。隨著近些年來我國工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，控制系統(tǒng)也更加智能化，機(jī)械手所能承擔(dān)的作業(yè)范圍也在不斷擴(kuò)大。

3.4 位置檢測裝置

檢測機(jī)械手執(zhí)行動(dòng)作的位置，并且隨時(shí)將實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并和事先設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后進(jìn)行調(diào)整，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到精確位置，這樣才能更好的來使機(jī)械手為機(jī)械化生產(chǎn)來服務(wù)。檢測裝置能夠使機(jī)械手的執(zhí)行動(dòng)作位置和執(zhí)行速度更加精確，進(jìn)而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

基于空間連桿機(jī)構(gòu)的變桿長及扭角空間閉鏈機(jī)構(gòu)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多種相應(yīng)的空間運(yùn)動(dòng)軌跡以及多自由度運(yùn)動(dòng)方式。與常規(guī)機(jī)構(gòu)比較，該新型機(jī)構(gòu)靈活、可靠且多變。運(yùn)動(dòng)中給定某桿長和扭角的變化規(guī)律，使其成為可控構(gòu)件，使機(jī)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)控制，從而實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)動(dòng)軌跡。本文分析結(jié)果為機(jī)器人仿生、復(fù)雜曲面加工技術(shù)研究提供了理論基礎(chǔ)。

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