用于柔性生产线的多用途机械手臂

【摘 要】 机械手臂主要用于人工无法操作的恶劣环境，具有灵活性好、应用范围广的优点，已经成为现代工业的重要生产工具；在实际工程生产中，机械手的应用大大提高了生产效率，对于很多工作强度大、工作时间长工作环境来说，机械手臂发挥着不可替代的作用。对于柔性生产线来说，要实现物料自动传送和不同方向上的传输，通常需要繁琐单调的流水线操作，然而这种传统的操作模式在人力物力上具有相当高的成本，为降低成本提高效率，多用途机械手臂广泛应用于柔性生产线。因此对于柔性生产线上的多用途机械手臂的研究具有重要意义。

【关键词】 机械手臂 柔性生产线 生产工具

1.项目意义

随着我国工业的高速发展，特别是进入21世纪以后，机械手臂广泛应用于汽车、航空航天等领域；在计算机辅助制造工业和自动化生产过程中更是随处可见机械手臂的身影。特别在对于危害工人健康的恶劣环境下，如焊接工艺，机械手臂的应用不仅能消除环境对工人造成的负面影响，更是提高了工作效率和降低了制造成本。而对于在由多台机床组成的自动运输的生产线上即在柔性生产线上，机械手臂发挥着不可替代的作用[1]。因此，对于柔性生产线上多用途机械手臂的研究不仅是生产的需要，更是顺应了当今世界工业发展的大趋势；在节省原料、提高生产效率、降低人力物力投入、扩展生产范围等方面，都具有重要的现实意义。

2.竞争现状和发展趋势

我国的机械手臂的起步来自于机器人产业兴起，起步于我国第七个“五年计划”的科技攻关项目，经过四十多年的发展，如今我国已经有了一套相当成型的机器人产业技术，其中，工业机器手得到了最为广泛的发展，几乎涉及了我国所有的工业生产环节，在制造成型方面，如焊接、铸造、冲压等机械加工[2]，以及生产线的传送、运输和装配[3]方面，都有着机械手臂的存在；特别是在航空航天领域，对灵活性高的机械手臂有着非常广泛的应用[4]。但是由于我国起步较晚，加上在芯片和集成控制领域落后于美国、日本等发达国家，使得我国在工业机器手方面的竞争力在国际上还不够高，比着发达国家相对落后。纵观世界机器人产业的发展趋势，机械手臂主要沿着运动轨迹和位置优化方向[5]，以及芯片硬件的智能开发方向发展，也即是朝着结构优化和控制的方向发展[6]，同时在这两个发展方向上有很大的进步空间。除此之外，具有非线性、强耦合以及高速、高加速度等特性的机械手臂的研究也是现如今的一个热点[7]

3.用于柔性生产线上的机械手臂运营的关键点

对于用在柔性生产线上的机械手臂，其关键点在于为完成工作目的所预设的工作轨迹，这是一个复杂的过程，例如对于在柔性生产线上起到传送工件或产品抓取及传送功能的机械手臂[8]，要考虑带的传送速度和误差以及工作空间的大小，从而设计机械手臂的运动轨迹，包括机械手的运动方向设计以及各运动方向的驱动设计，有些还需要设计液压系统等；然后再通过开发芯片完成在允许误差内的自动控制，其控制主要通过PLC和单片机实现。对于多功能的机械手设计，则还要考虑其在工作空间的多自由移动和转动。除此之外，对于柔性生产线的方案设计和工艺方法，以及批量生产情况下综合考虑节省成本和提高效率，生产线的控制系统设计等，都是十分关键的。这些都是在设计用于柔性生产线的多功能机械手臂时所重点考虑和解决的内容。

4.可能出现的问题、原因和解决方案

首先由于工作空间的限制，生产线上不能出现体型较大的设备，因此设计时要尽可能使其结构简单，可通过考虑在手臂底座添加套筒的方式，机械手臂穿过套筒，并在手臂下端安装能动装置。第二，对于机械手臂的位置确定也是一个首要解决的问题，在机器人程序功能的可视化和模拟的过程中，機械手臂发生连续的位置变化，对于这些位置的确定，我们可以添加先进工程程序。第三，对于机械手臂的预设计运动位置，实际运动位置可能与其不符合，对于这种情况，我们可采取添加驱动杆件，当预设位置与实际位置不符合的时候，驱动杆件作用，使两者同步。第四，对于柔性生产线来说存在着两个基本问题，第一个问题是对于大规模、大量的柔性生产件来说，大量的工业机器人广泛用于各式各样的生产线，那对于生产线上的机械手臂的替换要求停下所有的生产线，这个过程是相当繁琐和复杂的，且降低了生产效率。为解决此类问题，我们可以采取模块化的设计理念，这样就使得改变任意一个生产元素成为可能。

结 论

柔性生产线为当代工业生产的主流方式，而在柔性生产线上采用多用途的机械手臂又是提高生产效率和降低成本的有效手段；然而，在机械手臂的设计复杂繁琐，存在着各式各样的待解决问题，本文提出的问题和解决方案并不是全部，只是其中的一部分。当然，整个机器人工业仍存在着很大的发展空间，也有更加先进和智能的方案等待着我们开发设计，同时，也有很多更加困难的难题等待着我们去解决。

【参考文献】

[1] 沈斌. 计算机辅助制造技术[M]. 北京：高等教育出版社， 1995.

[2] 吴平. 高速加工中心组成的敏捷柔性生产线的研制和应用[J].组合机床与自动化加工技术， 2009（5）：78-81.

[3] 高微， 杨中平， 赵荣飞，等. 机械手臂结构优化设计[J]. 机械设计与制造， 2006（1）：13-15.

[4] 赵振民， 刘锋， 孔民秀，等. 高速并联机械手臂的自抗扰控制算法研究[J]. 电机与控制学报， 2011， 15（1）：98-104.

[5] 胡云堂. 基于PLC的柔性生产线送料机械手控制系统设计[J]. 机械工程与自动化， 2011（3）：149-150.

[6] 方龙， 陈丹， 肖献保. 基于单片机的机械手臂控制系统设计[J]. 轻工科技， 2008， 24（8）：89-90.

[7] 胡云堂， 江卓达. 多自由度柔性生产线送料机械手系统设计[J]. 液压与气动， 2011（6）：45-47.

[8] 张冠伟， 张世昌. 用于柔性生产线方案设计的分层工艺规划方法[J]. 计算机辅助设计与图形学学报， 2003， 15（10）：1303-1306.

作者简介：罗杰（1994），男，汉族，四川自贡，硕士研究生，重庆交通大学经济与管理学院，研究方向：物流管理。