機(jī)械自動控制技術(shù)的研究進(jìn)展

谷 宇

(駐馬店匯津水務(wù)有限公司，河南 駐馬店463000)

0 引言

機(jī)械自動控制技術(shù)是一種具有高度靈活性的自動化技術(shù)，是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備。按照開發(fā)內(nèi)容和目的分類基本上有三類機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備嗎，工業(yè)機(jī)械自動控制技術(shù)設(shè)備、機(jī)械自動控制技術(shù)機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備和智能機(jī)械自動控制技術(shù)設(shè)備。廣泛采用機(jī)械自動控制技術(shù)設(shè)備,不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量,而且對保障人身安全、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強(qiáng)度、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)約材料消耗以及降低生產(chǎn)成本有著十分重要的意義。

1 機(jī)械自動控制技術(shù)設(shè)備發(fā)展進(jìn)展

1960 年，美國Unimation 公司，根據(jù)Devol 的技術(shù)專利研制出第一臺機(jī)械自動控制技術(shù)設(shè)備樣機(jī)，并定型生產(chǎn)Unimate 機(jī)械自動控制技術(shù)設(shè)備。 1967 年日本川崎重工業(yè)公司從美國購買了機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備的生產(chǎn)許可證，日本從此開始了對機(jī)械自動控制技術(shù)設(shè)備的制造和開發(fā)熱潮。 20 世紀(jì)80 年代，計算機(jī)技術(shù)推動機(jī)械自動控制技術(shù)設(shè)備的發(fā)展達(dá)到了新的水平。 上到宇宙飛船，下至海洋開發(fā)都采用了機(jī)械自動控制技術(shù)設(shè)備作業(yè)。機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備技術(shù)已成為高科技應(yīng)用領(lǐng)域中的重要組成部分。自從第一臺機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備問世以來，機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域從汽車工業(yè)逐漸向其他行業(yè)滲透，機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備的種類也從操作手逐漸衍生出各種各樣的機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備，如今機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備已經(jīng)深入到人類生活的方方面面。人類科技的進(jìn)步、 文明的發(fā)展已經(jīng)和機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備產(chǎn)生了密切的關(guān)系。 人類社會的發(fā)展已經(jīng)離不開機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備技術(shù)，而機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步必然對推動科技的發(fā)展產(chǎn)生不可忽視的作用。 目前，對機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備技術(shù)的發(fā)展有重要影響的國家有美國和日本。美國在機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備技術(shù)的綜合性水平上仍處于領(lǐng)先地位，日本生產(chǎn)的機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備數(shù)量和種類則居世界首位。我國機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備技術(shù)起步于20 世紀(jì)70 年代末。 1995 年6 月，6000m 水下機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備試驗成功。近年來，在步行機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備、精密裝配機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備及多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備研制等前沿領(lǐng)域內(nèi)逐步縮短與世界水平的差距。

工業(yè)機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備一般需要6 個自由度,它是機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備在工作空間內(nèi),達(dá)到任意位置和方向所需要的最少的數(shù)量。 然而,六自由度機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備跟蹤特定位置和方向的能力受到很大的限制。 因此,研究人員想到通過增加自由度的辦法來提高它的靈活性,這種具有額外關(guān)節(jié)的機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備稱為冗余度機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備。 它的出現(xiàn),大大地克服了六自由度機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備受到奇異構(gòu)形空間、障礙物、關(guān)節(jié)運(yùn)動極限和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩極限等一系列運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)問題的限制。因此,7 自由度冗余手臂是智能化機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備的一個重要主題,而且有資料顯示,未來的通用機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備一般應(yīng)至少具有7 個自由度。

2 機(jī)械自動控制技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展進(jìn)展

機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備是模擬人的上臂而構(gòu)成的。關(guān)節(jié)型機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對的工作空間最大，還能繞過基座周圍的一些障礙物，是機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式。但是這種機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備的缺點有：結(jié)構(gòu)剛性較差，操作精度較低（一般重復(fù)定位精度低于±0.1mm）,隨著機(jī)械本體自由度的增加，其自動控制難度將會快速增加。 在20 世紀(jì)60 年代,基于機(jī)械手設(shè)計思想的機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備,也具有3 個轉(zhuǎn)動運(yùn)動,其運(yùn)動也是通過錐齒輪來實現(xiàn)的,該機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備的有些結(jié)構(gòu)如驅(qū)動裝置的安放,其思想就來自人體關(guān)節(jié)動力的肌肉的安排方式。 20 世紀(jì)90 年代初期，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所張啟先院士瞄準(zhǔn)機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備技術(shù)的國際前沿，開展了機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備和多指靈巧手的研究，1993 年成功地研制出除美國、日本以外世界上少見的最先進(jìn)的機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備。清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系的劉辛軍等給出了一種擬人先進(jìn)的機(jī)械自動化控制的設(shè)計方案。

相對于傳統(tǒng)的機(jī)械控制技術(shù),機(jī)械自動控制技術(shù)具有剛度重量比大、負(fù)載與機(jī)構(gòu)質(zhì)量比大、低慣性、高速度、精度高等顯著優(yōu)點,但是其工作空間與機(jī)構(gòu)整體尺寸比值小、結(jié)構(gòu)設(shè)計困難、運(yùn)動學(xué)計算繁瑣等缺陷也極大地制約著并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。隨著相關(guān)研究工作的不斷深入,以及機(jī)械制造技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)和伺服技術(shù)的發(fā)展,20 世紀(jì)90 年代以來,機(jī)械自動控制技術(shù)已經(jīng)開始逐步應(yīng)用于機(jī)床和工業(yè)機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)機(jī)床或傳統(tǒng)的機(jī)械自動控制技術(shù)操作設(shè)備相比,機(jī)械自動控制技術(shù)具有以下幾個主要結(jié)構(gòu)特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單,它主要由一些通用元件(如滾珠絲桿螺母、球鉸等)組成；（2）結(jié)構(gòu)剛度高,由于其基本結(jié)構(gòu)為框架形結(jié)構(gòu),因此其剛度重量比大大高于傳統(tǒng)機(jī)床；（3）精度高,并聯(lián)機(jī)床由并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成,各桿的桿長(或滑塊的位置)都單獨對主軸的位置和姿態(tài)起作用,因而它不存在傳統(tǒng)機(jī)床中串聯(lián)機(jī)構(gòu)的誤差積累問題,從而其加工精度較高；（4）功能多、靈活性強(qiáng)，由于它的結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、控制方便、容易根據(jù)不同的加工對象很方便地組成合適的通用機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床,用于實現(xiàn)銑削、鏜削、磨削、鉆削、拋光等加工工藝,還可以配備必要的測量工具把它組成多坐標(biāo)測量機(jī),以實現(xiàn)機(jī)床的多種功能。 因此,并聯(lián)機(jī)床具有較強(qiáng)的重組能力,而且與物流系統(tǒng)的可親性好,其技術(shù)柔性(包括空間柔性和時間柔性)也高。 缺點是：轉(zhuǎn)動自由度缺少，工作空間狹窄等。

3 總結(jié)與展望

機(jī)械自動控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，是數(shù)控機(jī)床的技術(shù)關(guān)鍵，也是關(guān)系到制造業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，本文就機(jī)械自動控制技術(shù)設(shè)備的技術(shù)關(guān)鍵以及發(fā)展前景與方向進(jìn)行概括描述。希望能對相關(guān)從業(yè)人員提供一定才參考，為我國的機(jī)械自動控制技術(shù)行業(yè)的發(fā)展。

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