基于3D打印技术的工业机器人末端执行器解决方案

李小军

（甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741001）

如图1所示，工业机器人的末端执行器，就是指安装于工业机器人手臂末端，起到直接作用于工作对象的一种装置，它具有夹持、搬运及放置工件到某个位置的功能。虽然看似不起眼，却举足轻重，它作为工业机器人和外部环境之间相互作用的最后环节与执行部件，对于提高工业机器人的柔性化程度和易用性起着非常重要的作用，其性能的优劣在一定程度上决定了整个工业机器人的工作性能[1]。

随着当前国内工业机器人应用领域不断扩大，其末端执行器应用范围越来越广，对其重复定位精度、柔性化设计要求越来越高，而我们传统机械制造方法在一定程度上显然已经不能满足当前市场需求。3D打印技术正好弥补工业机器人末端执行器在前期产品研发和样件试制、机器人核心零部件生产及产品修复改造等方面不足，如图1所示利用3D打印机打印出的塑料制成并联机器人末端执行器。

图1 塑料制成并联机器人末端执行器

1 工业机器发展概述

如图2所示，在中国经济信息社发布的《全球智能制造发展指数报告（2017）》中看到，中国已经列入到智能制造发展“先进型”国家行列之中，综合排名已位于全球第6位，预计在2018年全球将有大约232万台工业机器人被部署于工厂车间。

图2 全球智能制造发展指数综合评价结果

在2017年我国工业机器人的产量是13.1万台(套)，预计2018年～2020年，国内工业机器人的销量将分别为16万、19.5万、23.8万台。以我们国内最大的代加工企业富士康为例，在2018年6月22日召开的股东大会上，富士康董事长郭台铭明确表示将计划在企业内部用Foxbot机器人代替其8成的企业一线操作员岗位。随着当前工业机器人技术的不断发展成熟，制造业不断发生巨大的变革，以工业机器人逐步代替人力劳动是主流趋势，其主要应用已经从汽车工业扩展到食品、电子等其它领域，并彻底改变了传统工业的生产模式。工业机器换人已成为当下最大的趋势。依托3D打印技术打破传统金属制作的原型，将其取代为塑料制品。

2 工业机器末端执行器解决方案

我们面对情况是国内工业机器人应用领域不断扩大，其末端执行器应用范围越来越广，市场对于末端执行器的重复定位精度、柔性化设计要求越来越高，传统制造生产方式由于设计研发周期长，定制生产成本过高、产品外形及结构单一、柔性化程度不高等原因制约其发展，3D打印工业机器人末端执行器模型。

3D打印技术正好弥补传统制造工艺不足，将更多的新型材料应用到制造中，是一种极其节约高效制造技术，基本不会产生废料。正好满足工业机器人末端执行器在前期研发和样品试制、不会受到零件形状约束，基本上可以“一次成型”，从而大大提高了生产效率，也更好地满足产品功能性要求；对于一些特定客户，可根据现有末端执行器形状结构借助逆向扫描，对其进行修复和改造。

2.1 基于FDM技术末端执行器制造解决方案

依托FDM熔融层积成型技术基本原理，以热塑性成形材料丝为材料（选材很重要），材料丝通过加热器的挤压头熔化成为了液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。这样逐层由底到顶地堆积成一个末端执行器，方便、快捷。

如图3所示，根据工业机器人用途，可以将其末端执行器的模型结构在CAD软件中快速、准确设计出来，又能依据理论建模数据，经济、可靠地生成相关的可触摸的物理实体，这要比将三维的几何造型转化为二维的图纸上具有更高的直观性和启示性。而作为工业机器人末端执行器设计人员可以更快，更容易地发现产品设计中的缺陷，此外更为重要的是，对于可以装配使用末端执行器产品而言，设计人员可以及时进行新产品结构、性能以及其定位精度、重复定位精度、灵活性、通用性和美学品质检验。

图3 工业机器人末端执行器三维建模型

材料性能一直是FDM工艺的主要优点，其ABS原型强度可达到注塑零件的三分之一。近些年又发展出了PPSF、PC/ABS、PC等材料，它们强度、硬度已经接近或超过了普通注塑零件，在某些特定场合（如试用、维修、暂时替换等）下可以直接使用。虽然金属零件成型（近些年有许多研究机构和公司都对此进行研究，是当今快速原型领域的一个热点研究项目）的材料永生性能可能更好，但在塑料零件领域，FDM工艺将是一种非常适宜的快速制造方式，特别适合我们以塑料代替金属材料制造及修复改造工业机器人末端执行器的绿色环保理念。

2.2 基于DMLM技术末端执行器制造解决方案

我们依托金属激光熔炼（DMLM）机器的粉末沉积系统与现在其他金属3D打印方法（比如直接金属激光烧结（DMLS）和选择性激光熔炼（SLM））相比，DMLM与DMLS有些类似，但能够完全熔化其金属粉末而不是烧结。

因为对于有些在外部环境中工作的工业机器人、机械性能要求较高应用领域必须要求末端执行器是金属制作或者含有金属成份产品，所以我们可利用DMLM技术3D打印机使他们能够根据用途结合CAD软件设计出其三维模型，再根据CAD软件提供文件直接打印出一个完整的工业机器末端执行器；使用了这种技术，我们将设计改变得很轻松，只需要更改图纸就行了。

3 结束语

以智能制造为代表的第四次工业革命，积极推动了传统工业生产模式转型升级，工业机器人、数字制造、人工智能等领域的不断优化创新，推动了我们传统工业生产的自动化、智能化转型。而3D打印技术使很多新材料、新设计应用到工业制造中，推动了加工和智能生产的发展，满足人们不断增长的对智能化生产需求，如图4所示为依托3D打印技术设计出柔性化工业机器人末端执行器。

图4 工业机器人柔性化末端执行器

现代企业集团化、生产能力的规模化、多品种少批量的生产方式，将使得工业机器人市场应用需求越来越大，从而加强对工业机器人工作能力的不断提高，因为目前工业机器人不但要向高速化方向发展，而且还需要其具备处理多种产品的能力，能够实现一机多盘、一机多线、一机多用途的功能。由于目标对象的结构、形态、尺寸等各不相同，对工业机器人末端执行器的结构以及对其目标对象的操作方式也不同，因为目标对象一旦更换，则需要更换相应的末端执行器，为了适应各种工作情况，结合3D打印技术研发通用型协同机器人末端执行器的快接装置以及末端执行器装置已经势在必行。