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摘 要：总结研究机器人末端结构性操作器的设计方法，通过合理设计执行器零件的结构及相互之间的装配形式，同时满足末端操作器工作时具备六自由度限位能力。这样能够解决在自动化生产线调试时，因机械加工尺寸公差所产生的微小误差，及有效提高结构性执行器的快速更换及维修效率。同时，本文简要说明执行器中所必需的传感器，提供必要的反馈信号，保证末端执行器工作可靠有效，以提升自动化生产线的整体开动率。
关键字：机器人 末端执行器 六自由度 结构调试 互换性 传感器
引言
伴随国家对工业4.0的倡导，制定较高的行业标准，倒逼工业先进技术的进步及革新。人类对工作环境要求的不断提高及公司加强对劳动成本的控制，工业机器人将扮演越来越重要的角色，同时在现阶段工业机器人的需求量急剧增长。然而，结合中国现阶段的技术水平，绝大多数的机器人本体依赖进口，我们依然处于机器人应用技术层次。在此境况下，如何将机器人末端做好显得格外关键。
本文主要介绍搬运、码垛、焊接、涂胶、喷涂等常见的末端执行器。在实现以上功能的时候，需末端执行器具有良好的可靠性，以保证在执行作业时能够精准、可循环及防止错误作业。这样就要求末端执行器的结构遵循六自由度原则。
1 依据六点定位原理的设计理念
1.1 六点定位原理
一个零件在空间中可以有六个独立的运动，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度，如图1所示。
图1 六点定位
（1）完全定位与不完全定位。工件的六个自由度全部被夹具中的定位元件所限制，而在夹具中占有完全确定的惟一位置，称为完全定位。根据工件加工表面的不同加工要求，定位支承点的数目可以少于六个。有些自由度对加工要求有影响，有些自由度对加工要求无影响，这种定位情况称为不完全定位。不完全定位是允许的。
（2）欠定位与过定位。按照加工要求应该限制的自由度没有被限制的定位称为欠定位。欠定位是不允许的。因为欠定位保证不了加工要求。工件的一个或几个自由度被不同的定位元件重复限制的定位称为过定位。当过定位导致工件或定位元件变形，影响加工精度时，应该严禁采用。但是，当过定位并不影响加工精度，反而对提高加工精度有利时，可以采用。这里，各类钳加工和机加工都会用到。
1.2 末端执行器的定位形式
为了快速更换调试、提高调试效率，设计工装时，遵循六点定位原理。需要综合考虑零件的加工性、加工工艺、装配性。以下介绍三种结构。
（1）一面两销两钉结构。图2为两个零件的连接方式，轴测图；图3为两零件的正视图。此类连接方式是以一个加工面作为第一定位基准面，垂直于基准面加工两个销孔作为定位基准孔，辅助以两个紧固螺纹连接，达到完全定位的结果。
图2 轴测图
采用两个短圆柱销与定位孔配合时，是过定位，延连心线方向的自由度被重复限制。当工件的孔间距（L±δLD/2）与夹具的销间距（L±δLd/2）的公差之和大于工件两定位孔（D1，D2）与夹具两定位销（d1，d2）的配合间隙之和时，将妨碍部分工装的装入。
要使同一工序的所有工件都能顺利装卸，必须满足下列条件：当工件两孔径为最小（D1min，D2min）、夹具两销直径为最大（d1max，d2max）、孔间距为最大（L+δLD/2）、销间距为最小（L-δLd/2）、或者孔间距为最小（L-δLD/2）、销间距为最大（L+δLd/2）时，D1与d1，D2与d2之间仍有最小装配间隙χ1min，χ2min存在，如图3所示。
图3 正视图
从图4（a）可知，为满足上述条件，假设第一销与第一孔采用标准配合，第二销与第二孔配合如图所示，连心线方向的间隙增大。第二销的最大直径为：
式中，χ2min第二销与第二孔采用标准配合时的最小间隙。从图4（a）可得：
从图4（b）也可得同样结果，所以：
这就是说，要满足工件顺利装卸的条件，第二销与第二孔之间的最小间隙χ'2min应达到：
实际应用时可取：
图4 两圆柱销限位时工件顺利装卸的条件
由于在实际应用过程中，第一销与第一孔同样存在不是标准配合的情况，加之图2所示结构，可得实际 ![]() 因此，只要合理控制加工件的精度，提高工件定位基面之间及定位元件工作表面之间的位置精度，基准孔选取合适的公差等级，就能够实现工件的顺利装卸。经过实践验证，我们能够控制L的加工误差，减小或消除过定位引起的干涉，采用两个圆柱销进行定位完全满足要求。这虽然造成了过定位，但是满足过定位的要求。
通过上述分析可知，一面两销两钉结构的优点：
（1）满足使用过程中的定位稳定及可靠；
（2）满足易损件的快速更换，且能够重复定位原位置（仅受加工精度影响），互换性好；
（3）满足末端执行器现场调试过程中更换，且能够重复定位原位置（仅受加工精度影响），互换性好；
（4）可优选国标件或标准件做为组成零件；
（5）装配性能高。
注：图1所示两零件之间的间隙，是为了方便工件位置的调整。
故此种结构简单，制造轻易，操纵方便，加工质量稳定，满足生产工艺要求，零件互换性好，有利于非标末端执行器的调试。
由上述分析可知：为使工件在极端条件下能装到销子上，可以通过以一个圆柱销和一个削边销方式定位，这样能够达到完全的定位效果，且为完全定位。
（2）两面一销两钉结构。图5为两个零件的连接方式，轴测图；图6为两零件的正视图。
图5 轴测图
图6 正视图
此类连接方式是以一个加工面作为第一定位基准面，垂直于基准面加工一平面和一个销孔作为定位基准，辅助以两个紧固螺纹连接，达到完全定位的结果。
此类结构相对一面两销两钉结构的优点是，紧固强度相同的情况下结构更为紧凑，同时能具有一面两销两钉结构优势。具体的，可根据具体情况采用，不再具体分析。
（3）三面两钉结构。图7为两个零件的连接方式，轴测图；图8为两零件的正视图。此类连接方式是以一个加工面作为第一定位基准面，垂直于基准面加工两个平面作为定位基准，同时需要增加挡板限位一个自由度，辅助以两个紧固螺纹连接，达到完全定位的结果。
图7 轴测图
图8 正视图
此类结构相对一面两销两钉结构的优点是结构更为紧凑，同时能满足一面两销两钉结构优势；缺点是结构设计不方便，加工工艺性要求更高，故可根据具体要求采用，不再具体分析。
2 传感器信息的反馈
机器人末端执行器工作时，一般需要检测两个方面的传感器信号。一是末端执行器自身动作反馈，一是末端执行器作业过程中的动作、位置反馈。常见传感器有位置传感器、压力传感器、气压传感器、温度传感器、红外传感器等。
当设计工程师设计时，需要增加必要的传感器来满足机器人的信号需求。这就是给末端执行器装上眼睛和耳朵，以便机器人在工作前、工作中、工作结束后，能够及时适当调用程序；同时，还能自动检测作业是否有效，以及防止操作者的误操作带来的问题。尤为重要的是，通过传感器采集的信号反馈，有效提高故障排除的时间，并且保障工作人员的安全，减少和预防事故发生。
3 结论
随着物联网的发展和“工业4.0”概念的成熟，机器人各方面的运用呈现突飞猛进的态势。在传统的工业加工领域中，利用机器人的高精度、高效率，结合实际生产的经验，将会使工业一线的生产效率得到有效提升。
本文介绍结构性末端执行器的设计思路，能够实现非标工件像国标件，快速更换互换性好，装卸方便提高工作效率，方便调试，重复定位性能良好，可广泛利用在搬运、码垛、焊接、涂胶、喷涂等常见末端执行器。当然，文中所介绍的部分理念仍可继续优化，或者设计时不必要求工件完全定位。这就要求我们在工作中活学活用，不断创新。
来源：调节阀信息网
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发表于 2017-7-14 00:26:06
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