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摘要：現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展生產(chǎn)與提高效率的根本途徑之一是加速自動化的進程[1]。隨著機電一體化的高速發(fā)展，自動化已廣泛的應用于各個領(lǐng)域中。同時隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化的快速發(fā)展，機械手以其精度高、穩(wěn)定性好和結(jié)構(gòu)靈活等特點廣泛應用于各個工業(yè)領(lǐng)域。機械手是近代自動化控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并成為現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)的一個重要組成部分[2]。采用機械手操作代替人工作業(yè)，大大減輕了工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率。但隨著科技的不斷發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代日漸加快，企業(yè)間的競爭也日益激烈。在如此激烈的競爭中，要使企業(yè)立于不敗之地，則必須對生產(chǎn)環(huán)境中的生產(chǎn)線進行不斷的改造、創(chuàng)新。其中，機械手的創(chuàng)新設(shè)計是必不可少的重要部分。本文對基于PLC控制的SCX1221型DVD盒自動生產(chǎn)線做了簡要的介紹。著重介紹機械手的發(fā)展史及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應用現(xiàn)狀，簡述了自動堆放機械手的優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過對機械手的改進設(shè)計，不僅提高了DVD盒生產(chǎn)線的工作效率，而且節(jié)省能源。 關(guān)鍵字：DVD盒生產(chǎn)線；堆放；機械手 一、相關(guān)概念及背景 1、DVD盒自動生產(chǎn)線及機械手相關(guān)概念 在DVD盒生產(chǎn)市場上，DVD盒從注塑機加工出來之后，其整形過程幾乎都是由人工來完成的，并沒有采取一套自動的DVD盒自動生產(chǎn)線。與此同時，科研人員也開始了對該生產(chǎn)線的研究。DVD盒自動生產(chǎn)線主要有取盒，翻折、堆放、冷卻、傳輸?shù)葞椎乐匾ば?。剛由注塑機注塑成型的一個DVD盒塑料制品形狀扁平，經(jīng)過DVD盒氣動折疊合蓋裝置的自動折疊合蓋，并由堆放機械手將DVD盒子轉(zhuǎn)移到輸送帶上，并同時在輸送帶上完成冷卻定型過程。該生產(chǎn)線基于PLC控制，以單相可逆電機和氣動系統(tǒng)作為動力，實現(xiàn)DVD盒整形生產(chǎn)過程自動化，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。 用于再現(xiàn)人手功能的技術(shù)裝置稱為機械手。機械手是模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或堆放的自動機械裝置。應用機械手可以代替人從事單調(diào)、重復或繁重的體力勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，代替人在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合下進行的手工操作，改善勞動條件，保證人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手的發(fā)展正在日益為人們所認識，很多國家也都開始重視，投入大量的人力物力來研究和應用。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取的一定的效果，受到機械工業(yè)的重視[3]。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，它有多個自由度，可以在不同環(huán)境中完成堆放物體的工作。機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用[4]。 目前，DVD盒自動生產(chǎn)線在投入生產(chǎn)以來，運行良好，為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效益。但同時它存在著自身的不足，主要體現(xiàn)在自動堆放機械手上。因此，本文主要針對已經(jīng)形成的DVD自動生產(chǎn)線中的自動堆放機械手進行設(shè)計改造以及創(chuàng)新。對于自動堆放機械手，我們應當在機械手的基礎(chǔ)之上進行改造，考慮各方面的問題，選擇最佳的方案來改進生產(chǎn)設(shè)備，促使企業(yè)可以得到更好的收益。 2、歷史背景 機械手是在早期出現(xiàn)的古代機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機械手起源于20世紀50年代，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式，能適應產(chǎn)品種類變更，具有多個自由度動作功能的柔性自動化設(shè)備，也是典型機電一體化產(chǎn)品[5]。隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進展，又為機器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，20世紀40年代后期，美國在原子能實驗中開發(fā)了遙控機械手，首先采用機械手搬運放射性材料，人在安全間操縱機械手進行各種操作和實驗。50年代以后，又開發(fā)了機械式的主從機械手，機械手逐步被推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門，用于在高溫、污染嚴重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床的輔助裝置在自動機床、自動生產(chǎn)線和加工中心中應用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。 機械手首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人。現(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式[6]。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人。作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”[7]。這些工業(yè)機器人主要由類似人的手和臂組成它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 二、國內(nèi)外現(xiàn)狀 目前工業(yè)機械手主要用于流水線傳送、焊接、裝配、機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面都能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 在國內(nèi)主要是發(fā)展各方面的機械手，逐步擴大應用范圍，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手，有條件還要研制示教機械手、組合機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，以及用于不同類型的夾緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成不同用途的機械手，即便于設(shè)計制造，又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 在機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料以及焊、噴漆等作業(yè)，它可以按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，有些還具備有傳感反饋能力，能應付外界的變化。如果機械手發(fā)生某些偏離時，會引起零部件甚至機械本身的損壞，但若有了傳感反饋自動，機械手就可以根據(jù)反饋自行調(diào)整。對于機械手的研究國內(nèi)外的水平不一，但代表當今最先進的技術(shù)在日本，他的自動化，人性化令人嘆為觀止，這些技術(shù)依賴于控制理論、新材料科學，它是融合各種尖端技術(shù)的現(xiàn)代機器。我國也陸續(xù)在工業(yè)中有所應用，對于自動控制，柔性制造系統(tǒng)中應用更為廣泛，但我國的自動化水平有待提高，只相當于世界先進技術(shù)在八十年代的水平。 三、機械手的發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化技術(shù)越來越高，工人工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡單化，對于一些往復的工作由機械手遠程控制或自動完成顯得非常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質(zhì)對人體造成傷害。從起源至今幾十年專用機械手的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。通用機械手的應用和發(fā)展，促使了智能機器人的研制。智能機器人的研制是一項綜合性較強的新技術(shù)[15]。目前國內(nèi)外對此也都十分的重視，設(shè)計不斷地修改，品種不斷地增加，應用領(lǐng)域也在不斷地擴大。從機械手的起源到現(xiàn)如今，主要經(jīng)歷分為三代：一代是靠人工進行控制的，一代是設(shè)有電子計算機控制系統(tǒng)，一代是能獨立完成工作過程中的任務。預計接下來機械手的發(fā)展應當從以下三個方面進行創(chuàng)新以及改進： （1）重復高精度 精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度, 它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復精度是指如果動作重復多次, 機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要, 如果一個機器人定位不夠精確, 通常會顯示一個固定的誤差, 這個誤差是可以預測的, 因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復運行機器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,機械手的重復精度將越來越高, 它的應用領(lǐng)域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 （2）模塊化 有的公司把帶有系列導向驅(qū)動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機械手比組合導向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導向系統(tǒng)裝置, 使機械手運動自如。模塊化機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應用范圍, 是機械手的一個重要的發(fā)展方向。 （3）機電一體化 由“可編程序控制器- 傳感器- 液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應控制液壓元件, 使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性[19]。而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。 四、總結(jié)： 機械手已在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中扮演這一個重要的角色。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，機械手技術(shù)也隨之提高。同時隨著機械手的應用普及，機械手向著專用化，機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化的方向發(fā)展，機械手的動作更加靈活多樣，其控制方式也向這多元化的方向發(fā)展。在DVD盒自動生產(chǎn)線中，自動堆放機械手的設(shè)計仍然存在著許多的問題需要解決。所以在設(shè)計的過程中我們還需要再仔細的研究，盡量創(chuàng)新堆放機械手，使其更完善的在自動生產(chǎn)線上發(fā)揮作用。 參考文獻： [1]袁國盼;謝柳輝;軟管插放機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其優(yōu)化.學術(shù)與經(jīng)驗，2007（1） 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