机械自动控制技术的研究进展

2013-08-15谷宇

山东工业技术 2013年15期

谷宇

(驻马店汇津水务有限公司，河南驻马店463000)

0 引言

机械自动控制技术是一种具有高度灵活性的自动化技术，是一种复杂的机电一体化设备。按照开发内容和目的分类基本上有三类机械自动控制技术操作设备吗，工业机械自动控制技术设备、机械自动控制技术机械自动控制技术操作设备和智能机械自动控制技术设备。广泛采用机械自动控制技术设备,不仅可提高产品的质量与数量,而且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。

1 机械自动控制技术设备发展进展

1960 年，美国Unimation 公司，根据Devol 的技术专利研制出第一台机械自动控制技术设备样机，并定型生产Unimate 机械自动控制技术设备。 1967 年日本川崎重工业公司从美国购买了机械自动控制技术操作设备的生产许可证，日本从此开始了对机械自动控制技术设备的制造和开发热潮。 20 世纪80 年代，计算机技术推动机械自动控制技术设备的发展达到了新的水平。上到宇宙飞船，下至海洋开发都采用了机械自动控制技术设备作业。机械自动控制技术操作设备技术已成为高科技应用领域中的重要组成部分。自从第一台机械自动控制技术操作设备问世以来，机械自动控制技术操作设备的应用领域从汽车工业逐渐向其他行业渗透，机械自动控制技术操作设备的种类也从操作手逐渐衍生出各种各样的机械自动控制技术操作设备，如今机械自动控制技术操作设备已经深入到人类生活的方方面面。人类科技的进步、文明的发展已经和机械自动控制技术操作设备产生了密切的关系。人类社会的发展已经离不开机械自动控制技术操作设备技术，而机械自动控制技术操作设备技术的进步必然对推动科技的发展产生不可忽视的作用。目前，对机械自动控制技术操作设备技术的发展有重要影响的国家有美国和日本。美国在机械自动控制技术操作设备技术的综合性水平上仍处于领先地位，日本生产的机械自动控制技术操作设备数量和种类则居世界首位。我国机械自动控制技术操作设备技术起步于20 世纪70 年代末。 1995 年6 月，6000m 水下机械自动控制技术操作设备试验成功。近年来，在步行机械自动控制技术操作设备、精密装配机械自动控制技术操作设备及多自由度关节型机械自动控制技术操作设备研制等前沿领域内逐步缩短与世界水平的差距。

工业机械自动控制技术操作设备一般需要6 个自由度,它是机械自动控制技术操作设备在工作空间内,达到任意位置和方向所需要的最少的数量。然而,六自由度机械自动控制技术操作设备跟踪特定位置和方向的能力受到很大的限制。因此,研究人员想到通过增加自由度的办法来提高它的灵活性,这种具有额外关节的机械自动控制技术操作设备称为冗余度机械自动控制技术操作设备。它的出现,大大地克服了六自由度机械自动控制技术操作设备受到奇异构形空间、障碍物、关节运动极限和电机的转矩极限等一系列运动学和动力学问题的限制。因此,7 自由度冗余手臂是智能化机械自动控制技术操作设备的一个重要主题,而且有资料显示,未来的通用机械自动控制技术操作设备一般应至少具有7 个自由度。

2 机械自动控制技术关键技术的发展进展

机械自动控制技术操作设备是模拟人的上臂而构成的。关节型机械自动控制技术操作设备的特点是结构紧凑，所占空间体积小，相对的工作空间最大，还能绕过基座周围的一些障碍物，是机械自动控制技术操作设备中使用最多的一种结构形式。但是这种机械自动控制技术操作设备的缺点有：结构刚性较差，操作精度较低（一般重复定位精度低于±0.1mm）,随着机械本体自由度的增加，其自动控制难度将会快速增加。在20 世纪60 年代,基于机械手设计思想的机械自动控制技术操作设备,也具有3 个转动运动,其运动也是通过锥齿轮来实现的,该机械自动控制技术操作设备的有些结构如驱动装置的安放,其思想就来自人体关节动力的肌肉的安排方式。 20 世纪90 年代初期，北京航空航天大学机器人研究所张启先院士瞄准机械自动控制技术操作设备技术的国际前沿，开展了机械自动控制技术操作设备和多指灵巧手的研究，1993 年成功地研制出除美国、日本以外世界上少见的最先进的机械自动控制技术操作设备。清华大学精密仪器与机械学系的刘辛军等给出了一种拟人先进的机械自动化控制的设计方案。

相对于传统的机械控制技术,机械自动控制技术具有刚度重量比大、负载与机构质量比大、低惯性、高速度、精度高等显著优点,但是其工作空间与机构整体尺寸比值小、结构设计困难、运动学计算繁琐等缺陷也极大地制约着并联机构在实际生产中的应用。随着相关研究工作的不断深入,以及机械制造技术、计算机控制技术和伺服技术的发展,20 世纪90 年代以来,机械自动控制技术已经开始逐步应用于机床和工业机械自动控制技术操作设备领域。

与传统机床或传统的机械自动控制技术操作设备相比,机械自动控制技术具有以下几个主要结构特点：（1）结构简单,它主要由一些通用元件(如滚珠丝杆螺母、球铰等)组成；（2）结构刚度高,由于其基本结构为框架形结构,因此其刚度重量比大大高于传统机床；（3）精度高,并联机床由并联机构组成,各杆的杆长(或滑块的位置)都单独对主轴的位置和姿态起作用,因而它不存在传统机床中串联机构的误差积累问题,从而其加工精度较高；（4）功能多、灵活性强，由于它的结构简单、重量轻、控制方便、容易根据不同的加工对象很方便地组成合适的通用机床或专用机床,用于实现铣削、镗削、磨削、钻削、抛光等加工工艺,还可以配备必要的测量工具把它组成多坐标测量机,以实现机床的多种功能。因此,并联机床具有较强的重组能力,而且与物流系统的可亲性好,其技术柔性(包括空间柔性和时间柔性)也高。缺点是：转动自由度缺少，工作空间狭窄等。