基于3D打印技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器解決方案

李小軍

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001）

如圖1所示，工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器，就是指安裝于工業(yè)機(jī)器人手臂末端，起到直接作用于工作對(duì)象的一種裝置，它具有夾持、搬運(yùn)及放置工件到某個(gè)位置的功能。雖然看似不起眼，卻舉足輕重，它作為工業(yè)機(jī)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(duì)于提高工業(yè)機(jī)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(gè)工業(yè)機(jī)器人的工作性能[1]。

隨著當(dāng)前國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，其末端執(zhí)行器應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，對(duì)其重復(fù)定位精度、柔性化設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，而我們傳統(tǒng)機(jī)械制造方法在一定程度上顯然已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前市場(chǎng)需求。3D打印技術(shù)正好彌補(bǔ)工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在前期產(chǎn)品研發(fā)和樣件試制、機(jī)器人核心零部件生產(chǎn)及產(chǎn)品修復(fù)改造等方面不足，如圖1所示利用3D打印機(jī)打印出的塑料制成并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器。

圖1 塑料制成并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器

1 工業(yè)機(jī)器發(fā)展概述

如圖2所示，在中國(guó)經(jīng)濟(jì)信息社發(fā)布的《全球智能制造發(fā)展指數(shù)報(bào)告（2017）》中看到，中國(guó)已經(jīng)列入到智能制造發(fā)展“先進(jìn)型”國(guó)家行列之中，綜合排名已位于全球第6位，預(yù)計(jì)在2018年全球?qū)⒂写蠹s232萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人被部署于工廠車(chē)間。

圖2 全球智能制造發(fā)展指數(shù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

在2017年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)量是13.1萬(wàn)臺(tái)(套)，預(yù)計(jì)2018年～2020年，國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的銷(xiāo)量將分別為16萬(wàn)、19.5萬(wàn)、23.8萬(wàn)臺(tái)。以我們國(guó)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(kāi)的股東大會(huì)上，富士康董事長(zhǎng)郭臺(tái)銘明確表示將計(jì)劃在企業(yè)內(nèi)部用Foxbot機(jī)器人代替其8成的企業(yè)一線操作員崗位。隨著當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)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(jī)器人逐步代替人力勞動(dòng)是主流趨勢(shì)，其主要應(yīng)用已經(jīng)從汽車(chē)工業(yè)擴(kuò)展到食品、電子等其它領(lǐng)域，并徹底改變了傳統(tǒng)工業(yè)的生產(chǎn)模式。工業(yè)機(jī)器換人已成為當(dāng)下最大的趨勢(shì)。依托3D打印技術(shù)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(jī)器末端執(zhí)行器解決方案

我們面對(duì)情況是國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，其末端執(zhí)行器應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，市場(chǎng)對(duì)于末端執(zhí)行器的重復(fù)定位精度、柔性化設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)制造生產(chǎn)方式由于設(shè)計(jì)研發(fā)周期長(zhǎng)，定制生產(chǎn)成本過(guò)高、產(chǎn)品外形及結(jié)構(gòu)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(jī)器人末端執(zhí)行器模型。

3D打印技術(shù)正好彌補(bǔ)傳統(tǒng)制造工藝不足，將更多的新型材料應(yīng)用到制造中，是一種極其節(jié)約高效制造技術(shù)，基本不會(huì)產(chǎn)生廢料。正好滿(mǎn)足工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在前期研發(fā)和樣品試制、不會(huì)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(mǎn)足產(chǎn)品功能性要求；對(duì)于一些特定客戶(hù)，可根據(jù)現(xiàn)有末端執(zhí)行器形狀結(jié)構(gòu)借助逆向掃描，對(duì)其進(jìn)行修復(fù)和改造。

2.1 基于FDM技術(shù)末端執(zhí)行器制造解決方案

依托FDM熔融層積成型技術(shù)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(guò)加熱器的擠壓頭熔化成為了液體，由計(jì)算機(jī)控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，使熔化的熱塑材料絲通過(guò)噴嘴擠出，覆蓋于已建造的零件之上，并在極短的時(shí)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(gè)末端執(zhí)行器，方便、快捷。

如圖3所示，根據(jù)工業(yè)機(jī)器人用途，可以將其末端執(zhí)行器的模型結(jié)構(gòu)在CAD軟件中快速、準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出來(lái)，又能依據(jù)理論建模數(shù)據(jù)，經(jīng)濟(jì)、可靠地生成相關(guān)的可觸摸的物理實(shí)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(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)人員可以更快，更容易地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的缺陷，此外更為重要的是，對(duì)于可以裝配使用末端執(zhí)行器產(chǎn)品而言，設(shè)計(jì)人員可以及時(shí)進(jìn)行新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能以及其定位精度、重復(fù)定位精度、靈活性、通用性和美學(xué)品質(zhì)檢驗(yàn)。

圖3 工業(yè)機(jī)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(diǎn)，其ABS原型強(qiáng)度可達(dá)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(qiáng)度、硬度已經(jīng)接近或超過(guò)了普通注塑零件，在某些特定場(chǎng)合（如試用、維修、暫時(shí)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(jī)構(gòu)和公司都對(duì)此進(jìn)行研究，是當(dāng)今快速原型領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)研究項(xiàng)目）的材料永生性能可能更好，但在塑料零件領(lǐng)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(fù)改造工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的綠色環(huán)保理念。

2.2 基于DMLM技術(shù)末端執(zhí)行器制造解決方案

我們依托金屬激光熔煉（DMLM）機(jī)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(lèi)似，但能夠完全熔化其金屬粉末而不是燒結(jié)。

因?yàn)閷?duì)于有些在外部環(huán)境中工作的工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械性能要求較高應(yīng)用領(lǐng)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(shù)3D打印機(jī)使他們能夠根據(jù)用途結(jié)合CAD軟件設(shè)計(jì)出其三維模型，再根據(jù)CAD軟件提供文件直接打印出一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)器末端執(zhí)行器；使用了這種技術(shù)，我們將設(shè)計(jì)改變得很輕松，只需要更改圖紙就行了。

3 結(jié)束語(yǔ)

以智能制造為代表的第四次工業(yè)革命，積極推動(dòng)了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)，工業(yè)機(jī)器人、數(shù)字制造、人工智能等領(lǐng)域的不斷優(yōu)化創(chuàng)新，推動(dòng)了我們傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型。而3D打印技術(shù)使很多新材料、新設(shè)計(jì)應(yīng)用到工業(yè)制造中，推動(dòng)了加工和智能生產(chǎn)的發(fā)展，滿(mǎn)足人們不斷增長(zhǎng)的對(duì)智能化生產(chǎn)需求，如圖4所示為依托3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)出柔性化工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器。

圖4 工業(yè)機(jī)器人柔性化末端執(zhí)行器

現(xiàn)代企業(yè)集團(tuán)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(jī)器人市場(chǎng)應(yīng)用需求越來(lái)越大，從而加強(qiáng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人工作能力的不斷提高，因?yàn)槟壳肮I(yè)機(jī)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(jī)多盤(pán)、一機(jī)多線、一機(jī)多用途的功能。由于目標(biāo)對(duì)象的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、尺寸等各不相同，對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)以及對(duì)其目標(biāo)對(duì)象的操作方式也不同，因?yàn)槟繕?biāo)對(duì)象一旦更換，則需要更換相應(yīng)的末端執(zhí)行器，為了適應(yīng)各種工作情況，結(jié)合3D打印技術(shù)研發(fā)通用型協(xié)同機(jī)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(shì)在必行。