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1.前言
1962年美國制造出第一臺實用的示教型工業機器人以來，國際上對工業機器人的開發、研制和應用已近50年的歷程。工業機械手延伸和擴大了人的手足和大腦等功能，它可代替人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環境中的工作，代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞動生產率，保證產品質量[1]。
目前，工業機械手主要應用于制造業中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業。以日、美、德、法、韓等為代表，許多國家的機器人產業日趨成熟和完善，所生產的工業機器人已成為一種標準設備在全球得到廣泛應用。由于制造企業技術的不斷進步，對工業機器人的需求越來越大，因而工業機器人技術在制造業應用范圍也越來越廣，其標準化、模塊化、網絡化和智能化的程度越來越高，功能也越來越強，正在向著成套技術和裝備的方向發展。在發達國家中，工業機器人自動化生產線成套裝備已成為自動化裝備的主流及未來的發展方向。
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2.國外工業機械手研究現狀
工業機械手是在第二次世界大戰期間發展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺國家實驗室的搬運核原料的遙控機械操作手研究。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統是示教型的；1962年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上，又試制成一臺數控示教型機械手，命名為Unimate(即萬能自動)。
這臺數控機械手的運動系統仿造坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮，用液壓驅動控制系統用磁鼓做存儲裝置。不少球面坐標式機械手就是在這個基礎上發展起來的；同年該公司和普曼公司合并成立萬能自動公司。1962年美國機械鑄造公司也成功制造出一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運，可作點位和軌跡控制該機械手的中央立柱，以實現回轉、升降、伸縮，采用液壓驅動，控制系統也是示教型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業機械手發展的基礎。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業機器人相繼在生產中開始應用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯合研制出一種Unimation-Vic-arm型工業機械手，利用小型電子計算機進行控制，用于裝配作業，定位誤差可小于1mm。聯邦德國機器制造業是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業；聯邦德國Kuka公司還生產一種點焊機械手，采用關節式結構和程序控制；日本是工業機器人發展最快，應用國家最多的國家。
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3.國內工業機械手研究現狀
目前，經濟型數控機床占很大比例，所以生產配套的經濟型數控機床裝夾機械手將會有很大的發展前景。同時我們也可以看出數控機床的消費量不斷上升，市場還在不斷擴展，特別是改造后的數控機床的擁有量和需求量比較大，這就給經濟型數控機床裝夾機械手帶來了很大的機遇，同時也給如何適應大量異種同型數控機床帶來挑戰。
在國外，工業機器人已經是比較成熟的產品；生產、供應都已經開始成為一種集體化盈利的模式。2000年以后，我國的數控技術和相應的機器人技術的也逐漸顯現出有力的發展勢頭，目前已成為相當可觀的程度[2]。但是國內主要停留在購買國外零部件拼裝工業機器人的狀態。上海交通大學張偉軍認為，如果要讓國內企業生產工業機器人，首先要在成本上勝過日本。例如，莫托曼公司有一款工業機器人在國內賣15萬元，這里面包括6個電機、減速器等。如果做工業機器人，僅僅是購買這些電機和減速器就得花10多萬，這些元器件必須購買進口的，因而，減少高精度的元器件可以節省很多成本。
這種現狀主要由于以下兩個方面：一方面這是由于我國的基礎產業跟不上，另一方面是設計不夠系統科學，而大多是憑經驗設計。這些原因導致我國工業機器人精度不高，且穩定性、壽命都不高。現如今國內企業不但要參與國內市場的競爭，而且還要應對國際市場的競爭；這就要求要以市場為中心，以滿足顧客需求為目標，以技術創新快速響應市場變化。
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4.工業機械手的應用及不足
目前，工業機器人已廣泛應用于汽車及汽車零部件制造業、機械加工行業、電子電器行業等領域。在工業生產中，弧焊機器人、電焊機器人、裝配機器人及搬運機器人等工業機器人都已被大量使用。在制造業中，尤其是在汽車行業，如在毛坯制造、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測等作業中，機器人已逐步取代人工作業。汽車行業首先是代表高技術的領域，投入也是相當大，也是率先廣泛應用工業機器人的領域；從汽車行業應用工業機器人的發展現狀和趨勢，可以看出整個工業機器人的發展前景是非常好的。
同時，國內外已經有很多應用在數控機床上的機械手產品，各有優缺點，但是主要定位于中高端應用。現有的裝夾機械手為了達到所要求的通用性，在結構、控制以及最后的制造上往往比較復雜，因此價格也比較昂貴。本文對國內已有的專利進行研究，如中國國家知識產權局2008年公布了一項發明專利：自動上下料機械手(公開號：CN101168251)，其主要有定位、夾緊和翻轉三部分組成，夾緊部件與滑動驅動器相聯，滑動驅動器與翻轉機構固定連接，翻轉機構與定位機構滑塊限位連接，定位氣缸與導軌分別固定于頂板上；使用橫跨結構，位于數控機床的上部；只是在滑塊上設有檔塊來調節定位角度，需配定位置。中國國家知識產權局2008年還公布了一項實用新型專利：全自動送料數控機械手(公開號：CN201079955)，其使用送料臂的機構，送料臂的一頭安裝在箱體，另一頭與送料鉗通過銷釘旋轉式相連，送料臂和箱體之間連接有拉力氣缸，送料臂上還設有從動壓輪和復合凸輪；定位采用信號測試桿、接近開關等；為滿足不同產品生產，使用了可調整復合凸輪的外周形狀。上面兩項專利都是基于數控機床和盡量提高經濟適用性而設計的，但也還有一些問題：
(1)為提高通用性，雖設有可調機構，但可調范圍受局限，比如自動上下料機械手采用橫跨結構，機械手的位置相對可調范圍比較小；而全自動送料數控機械手則采用可調整復合凸輪，受限也較大。
(2)由于結構的限制，機械手的安裝位置配合要求較高，且調整較困難。
(3)機械手的結構形狀相對固定，拆卸較繁瑣。
5.展望
縱觀國內外研究工作主要集中在智能型、高速度、高精度的機器人上，對于中小企業所需的經濟、簡單實用型機器人的研究不夠重視；此外，還有很多研究工作比較關注機器人的機構和靈活性，很少涉及與數控機床通信控制的協同作業方面。因此在深入快速設計技術的同時，運用CAD/CAE等計算機輔助技術對在少自由度情況下機器人的機構和靈活性方面進行深入探討，通過一次性機械調整達到對某一系列零件的自動裝夾和卸料，通過盡量使用簡單標準件和機械定位壓低成本，通過調換不同的機械手抓提高機器人的柔性等方面研究將具有較高的技術創新水平和較大的工程應用價值。現將進一步研究具體實現的目標總結如下：
(1)通過調查和分析擬設計一種全新的經濟型數控機床裝夾機械手，使其通過一次調整達到對某一種待加工工件的自動裝夾及卸料。從而實現某一種待加工工件在數控機床上的自動加工，達到省工省時省力的目的[3]。
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(2)通過理論研究和假定條件首先設計機械手的結構，然后進行優化分析，從而壓縮成本，達到比較好的經濟效益。
(3)研究通過運用計算機相關軟件pro/e進行建模，hypermesh劃分網格，adams進行動力學仿真，ansys進行靜力學仿真，optistruct進行優化，ls-dyna進行碰撞分析，涉及matlab/simlink聯合控制仿真，對機械手結構進行優化分析和相應結構改進,并為以后控制實現提供依據。
(4)實現數控車床配置機械手、上下料裝置、輔助數控機床組網系統，實現數控機床作為“自動加工柔性單元”應用，以實現較高的工程應用價值。
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