林　敏，鄭澤培

（廣東省機(jī)械研究所，廣東廣州510635）

DB44/T 1669-2015《注塑機(jī)專用機(jī)械手》標(biāo)準(zhǔn)中重復(fù)定位精度和剛性技術(shù)指標(biāo)的研究

林敏，鄭澤培

（廣東省機(jī)械研究所，廣東廣州510635）

廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB44/T 1669-2015《注塑機(jī)專用機(jī)械手》適用于注塑機(jī)使用時(shí)進(jìn)行上下料取件等功能的機(jī)械手。該標(biāo)準(zhǔn)的研制是在分析注塑機(jī)使用過(guò)程及注塑機(jī)專用機(jī)械手使用功能的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)械手兩大關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)—重復(fù)定位精度和剛性進(jìn)行了定義，并規(guī)定了相應(yīng)的試驗(yàn)方法。通過(guò)大量試驗(yàn)獲取豐富可靠的第一手試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)并進(jìn)行技術(shù)分析，確定了注塑機(jī)專用機(jī)械手重復(fù)定位精度和剛性的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)值，最后總結(jié)了標(biāo)準(zhǔn)研制過(guò)程中的一些經(jīng)驗(yàn)。

標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究；注塑機(jī)專用機(jī)械手；重復(fù)定位精度；剛性

0　引言

注塑機(jī)廣泛應(yīng)用于日用品、家具、家用電器、車輛制造和玩具等行業(yè)的塑料橡膠件生產(chǎn)，是國(guó)內(nèi)使用量最大、用途最廣的機(jī)械設(shè)備之一。而與注塑機(jī)配套使用的機(jī)械手可以提高注塑機(jī)的生產(chǎn)自動(dòng)化水平，有利于提高注塑機(jī)的生產(chǎn)效率和降低操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)減少或避免生產(chǎn)安全事故的發(fā)生［1］。

注塑機(jī)專用機(jī)械手主要用于注塑機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料。目前國(guó)內(nèi)規(guī)模較大的注塑機(jī)專用機(jī)械手生產(chǎn)企業(yè)已超過(guò)100家，注塑機(jī)專用機(jī)械手年產(chǎn)量雖與注塑機(jī)的年產(chǎn)量相當(dāng)，但用量不足注塑機(jī)的30%。注塑機(jī)專用機(jī)械手的使用壽命約為注塑機(jī)的一半，且不斷在進(jìn)行更新?lián)Q代。在制造業(yè)企業(yè)招工難和人工成本不斷提高的嚴(yán)峻背景下，國(guó)家實(shí)施了制造產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和“機(jī)器換人”的產(chǎn)業(yè)政策，未來(lái)注塑機(jī)專用機(jī)械手在國(guó)內(nèi)將會(huì)有很大的市場(chǎng)應(yīng)用空間。

廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB44/T 1669-2015《注塑機(jī)專用機(jī)械手》已于2015年9月7日發(fā)布，2015年12月7日開(kāi)始實(shí)施。在廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《注塑機(jī)專用機(jī)械手》發(fā)布之前，注塑機(jī)專用機(jī)械手無(wú)相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或省地方標(biāo)準(zhǔn)，而國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)體系也只有安全方面的標(biāo)準(zhǔn)，這種狀況不利于這一高科技產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展?！蹲⑺軝C(jī)專用機(jī)械手》標(biāo)準(zhǔn)的制定發(fā)布為規(guī)范省內(nèi)注塑機(jī)專用機(jī)械手這一高端智能裝備產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程、保證產(chǎn)品在使用時(shí)的安全性和可靠性、促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升提供了依據(jù)。

《注塑機(jī)專用機(jī)械手》標(biāo)準(zhǔn)在研制過(guò)程中，考慮了注塑機(jī)專用機(jī)械手應(yīng)有的特定功能和使用環(huán)境，在分析設(shè)備功能和客戶需求的基礎(chǔ)上有針對(duì)性地對(duì)設(shè)備的精度和剛性這兩大關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和相應(yīng)的試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，并根據(jù)大量豐富可靠的第一手試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)提出標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)的具體要求。該標(biāo)準(zhǔn)的研制方法可為裝備制造領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)研制、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的采集、研究和確定提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1　關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和試驗(yàn)方法的制定

注塑機(jī)專用機(jī)械手安裝在注塑機(jī)上后，一旦調(diào)整好，只要求它不斷快速、準(zhǔn)確地重復(fù)進(jìn)行上下料動(dòng)作（送入或取出工件），因此，其主要性能指標(biāo)是重復(fù)定位精度和剛性。雖然注塑機(jī)專用機(jī)械手的大部分零部件結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)與一般數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人類似，但由于其特定的使用范圍，需要有針對(duì)性對(duì)注塑機(jī)專用機(jī)械手的重復(fù)定位精度和剛性這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行不同于一般數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人的定義，并給出合適的試驗(yàn)方法。

1.1精度定義及其試驗(yàn)方法

基于注塑機(jī)專用機(jī)械手的功能要求，一般使用示教-再現(xiàn)模式，由人工導(dǎo)引機(jī)械手末端的執(zhí)行器（夾爪）或示教盒來(lái)使機(jī)械手完成預(yù)期動(dòng)作，機(jī)械手本身記憶操作動(dòng)作，然后不斷重復(fù)再現(xiàn)。因此，注塑機(jī)專用機(jī)械手對(duì)定位精度不必提出要求，但對(duì)重復(fù)定位精度要求較高，這樣才能保證每一次重復(fù)到位都準(zhǔn)確。而GB/T 12642-2013《工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法》［2］中規(guī)定的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡準(zhǔn)確性的要求，對(duì)于注塑機(jī)專用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)上下料功能并沒(méi)有太大的作用。

另外，注塑機(jī)專用機(jī)械手抓取的工件一般都是一些尺寸相對(duì)較大（從幾毫米到幾米不等）且結(jié)構(gòu)不規(guī)則的塑料橡膠件，一般情況下，就算是一毫米的重復(fù)定位誤差，也能保證機(jī)械手抓取到工件，實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確送料、取件功能。因此，機(jī)械手并不需要像數(shù)控機(jī)床那么高的重復(fù)定位精度，也不需要按照GB/T 17421.2-2000《機(jī)床檢驗(yàn)通則第2部分：數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度的確定》［3］中的方法進(jìn)行精度檢測(cè)。只需要限制機(jī)械手重復(fù)到位的允差就能夠保證每次都夾持到工件，故可將重復(fù)定位允差作為重復(fù)定位精度值來(lái)考核。

考慮到注塑機(jī)專用機(jī)械手所需的精度值不太高，故機(jī)械手重復(fù)定位精度值的測(cè)量采用指示器（千分表或百分表）進(jìn)行。同時(shí)分別挑選軸向行程的中部點(diǎn)和端部點(diǎn)作為目標(biāo)位置進(jìn)行測(cè)試，以使測(cè)量數(shù)據(jù)更有代表性。

該標(biāo)準(zhǔn)中注塑機(jī)專用機(jī)械手的重復(fù)定位精度試驗(yàn)方法如下：

（1）選定各軸向行程的中部點(diǎn)和端部點(diǎn)作為目標(biāo)位置，分別把一指示器（千分表或百分表）安裝在各個(gè)目標(biāo)位置；

（2）分別開(kāi)動(dòng)機(jī)械手各臂運(yùn)行、趨近目標(biāo)位置10次，讀取指示器（千分表或百分表）讀數(shù)并記錄；

（3）取這兩個(gè)目標(biāo)位置的各10次測(cè)量結(jié)果的最大值和最小值之差（允差）中的大值作為該軸向行程的重復(fù)定位精度值。

以Y軸方向?yàn)槔?，其重?fù)定位精度的試驗(yàn)方法如圖1所示。

圖1　機(jī)械手重復(fù)定位精度試驗(yàn)示意圖

1.2剛性定義及其試驗(yàn)方法

注塑機(jī)專用機(jī)械手在抓取工件的過(guò)程中，要克服自重、負(fù)重（機(jī)械手的額定載荷一般為幾千克到幾十千克）和工件在模具中的附著力，而機(jī)械手的手臂為長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)，端部受力時(shí)容易變形，會(huì)導(dǎo)致不能很好到位（即降低重復(fù)定位精度），所以對(duì)其剛性要有較高要求，限制其變形量，故把其受力后的變形量作為剛性值來(lái)考核。測(cè)試剛性的位置宜選擇在各軸向行程的端部，并采用與額定載荷相對(duì)應(yīng)的軸向力施加作用在手臂末端（即負(fù)重時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)剛性的最薄弱環(huán)節(jié)部位），以測(cè)試機(jī)械手手臂薄弱環(huán)節(jié)在最大力矩下的變形量。

該標(biāo)準(zhǔn)中注塑機(jī)專用機(jī)械手的剛性按以下方法檢測(cè)：

（1）開(kāi)動(dòng)機(jī)械手各臂運(yùn)行至各軸向行程的端部，停機(jī)后鎖緊，把一指示器（千分表或百分表）安裝固定后，使其測(cè)量觸頭觸碰立臂（Z臂）末端；

（2）分別在各個(gè)軸向上用測(cè)力計(jì)施加與額定載荷相等的力，使其作用在立臂（Z臂）末端；

（3）讀取并記錄指示器（千分表或百分表）的讀數(shù)值，計(jì)算立臂（Z臂）末端的變形量（即施力前后的讀數(shù)之差）作為剛性值。

剛性的試驗(yàn)方法示意圖如圖2所示，即在圖中1、2、3位置上分別安裝指示器（千分表或百分表），并分別施加相應(yīng)的X、Y和Z軸向力。

圖2　機(jī)械手剛度試驗(yàn)示意圖

2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

試驗(yàn)是在標(biāo)準(zhǔn)的合作編制起草單位——臺(tái)灣天行自動(dòng)化機(jī)械股份/東莞艾爾發(fā)自動(dòng)化機(jī)械有限公司內(nèi)進(jìn)行。該企業(yè)是國(guó)內(nèi)行業(yè)的龍頭企業(yè)，2014年其注塑機(jī)專用機(jī)械手產(chǎn)量接近廣東省內(nèi)總產(chǎn)量的20%。選擇在該企業(yè)進(jìn)行試驗(yàn)，使得獲取的數(shù)據(jù)更有代表性，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)的確定更有可靠性。

由于重復(fù)定位精度和剛性還受到機(jī)械手手臂行程的影響，在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)不同規(guī)格產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，才能對(duì)產(chǎn)品做出更加全面的技術(shù)指標(biāo)要求，以使其更加準(zhǔn)確可靠。立臂（Z臂）是三個(gè)臂中最薄弱的一個(gè)，其行程也是注塑機(jī)專用機(jī)械手的重要的規(guī)格參數(shù)，故在試驗(yàn)中選擇不同立臂（Z臂）行程的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)。選擇的型號(hào)為R900WD-S5、T1700WS-S3和T2200WS-S3，其立臂（Z臂）行程分別為900 mm、1 700 mm和2 200 mm。

2.1重復(fù)定位精度試驗(yàn)

試驗(yàn)按照上面設(shè)定的方法進(jìn)行，使用指示器（百分表）測(cè)量機(jī)械手手臂趨近目標(biāo)位置所到達(dá)的實(shí)際位置值。該次試驗(yàn)的目的是通過(guò)獲取大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以確定標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)值，現(xiàn)將測(cè)量的次數(shù)定在100次，這樣，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的樣本已足夠大，方便了數(shù)據(jù)分布規(guī)律的研究，能通過(guò)分布規(guī)律找到最佳的重復(fù)定位允差值，同時(shí)又不至于使工作量過(guò)大。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量統(tǒng)計(jì)，T1700WS-S3的重復(fù)定位精度試驗(yàn)測(cè)量值如圖3～圖8所示，其中X軸表示機(jī)械手手臂運(yùn)行趨近目標(biāo)位置所到達(dá)的實(shí)際位置值，單位為0.01 mm（1 mm以上部分不予表示），Y軸的數(shù)值表示100次測(cè)量中對(duì)應(yīng)測(cè)試值出現(xiàn)的次數(shù)。

圖3　T1700WS-S3型號(hào)X軸端部點(diǎn)重復(fù)定位精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4　T1700WS-S3型號(hào)X軸中部點(diǎn)重復(fù)定位精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論［4］可知，機(jī)械手手臂多次趨近目標(biāo)位置所到達(dá)的實(shí)際位置值是服從正態(tài)分布規(guī)律的，圖3～圖8的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明了這一分布規(guī)律。根據(jù)正態(tài)分布的性質(zhì)，機(jī)械手手臂趨近目標(biāo)位置所到達(dá)的實(shí)際位置值落在區(qū)間（μ-3σ，μ+3σ）的概率為99.74%（μ和σ分別為樣本的均值和標(biāo)準(zhǔn)差）。因此，可以取該區(qū)間的長(zhǎng)度，即6σ作為機(jī)械手的重復(fù)定位精度允差值。對(duì)型號(hào)為T1700WS-S3的機(jī)械手的重復(fù)定位精度測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示（單位為0.01 mm）。

表1　T1700WS-S3的重復(fù)定位精度測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表1可知，機(jī)械手T1700WS-S3的重復(fù)定位的最大允差值出現(xiàn)在X軸的端部點(diǎn)，約為0.15 mm，即為該型號(hào)機(jī)械手T1700WS-S3的重復(fù)定位精度值。

對(duì)R900WD-S5和T2200WS-S3采用同樣的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法，得出各型號(hào)注塑機(jī)專用機(jī)械手的重復(fù)定位精度如表2所示。

表2　注塑機(jī)專用機(jī)械手重復(fù)定位精度測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5　T1700WS-S3型號(hào)Y軸端部點(diǎn)重復(fù)定位精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6　T1700WS-S3型號(hào)Y軸中部點(diǎn)重復(fù)定位精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7　T1700WS-S3型號(hào)Z軸端部點(diǎn)重復(fù)定位精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8　T1700WS-S3型號(hào)Z軸中部點(diǎn)重復(fù)定位精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2剛性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)上面設(shè)定的剛性試驗(yàn)方法，分別在各個(gè)軸向上用測(cè)力計(jì)施加與額定載荷相等的力，使其作用在立臂（Z臂）末端，1 kg的載荷對(duì)應(yīng)10 N的力。為減小測(cè)量誤差，每個(gè)軸向上用同樣的方法測(cè)量3次，取其平均值作為該軸向上機(jī)械手的剛性值，T1700WS-S3的剛性測(cè)量值和統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

對(duì)R900WD-S5和T2200WS-S3采用同樣的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法。為提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，每個(gè)型號(hào)取三臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)量，并取測(cè)量結(jié)果的平均值作為變形量。機(jī)械手的剛性試驗(yàn)測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

3　標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)制定

考慮到標(biāo)準(zhǔn)研制過(guò)程中試驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)備為省內(nèi)注塑機(jī)專用機(jī)械手行業(yè)龍頭企業(yè)的產(chǎn)品，同時(shí)結(jié)合本單位（機(jī)械檢驗(yàn)站）在對(duì)行業(yè)內(nèi)其他3家生產(chǎn)企業(yè)的共20多個(gè)同規(guī)格類型產(chǎn)品的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，把重復(fù)定位精度和剛性指標(biāo)值在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上放大適當(dāng)?shù)谋稊?shù)，以使該標(biāo)準(zhǔn)更能體現(xiàn)該行業(yè)的實(shí)際技術(shù)水平，并引導(dǎo)技術(shù)水平相對(duì)落后的生產(chǎn)企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此，最終將注塑機(jī)專用機(jī)械手各軸重復(fù)定位精度和剛性要求確定為表5和表6所示。

表3　T1700WS-S3的剛性測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4　剛性試驗(yàn)測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表5　注塑機(jī)專用機(jī)械手重復(fù)定位精度要求

表6　注塑機(jī)專用機(jī)械手剛性要求

另外，將符合重復(fù)定位精度和剛性指標(biāo)要求的機(jī)械手應(yīng)用于注塑機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行上下料取件，結(jié)果表明，機(jī)械手相應(yīng)指標(biāo)符合表5和表6要求的，實(shí)際生產(chǎn)中也能滿足對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行正常上下料取件的要求。

4　經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

該標(biāo)準(zhǔn)的研制過(guò)程力求方法科學(xué)實(shí)用，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的試驗(yàn)驗(yàn)證方法力求操作簡(jiǎn)便。標(biāo)準(zhǔn)研制過(guò)程中的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下。

（1）在分析產(chǎn)品的實(shí)際功能以及注塑機(jī)專用機(jī)械手與數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人使用差異的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)備的重復(fù)定位精度和剛性進(jìn)行定義，并提出相應(yīng)的試驗(yàn)方法。

（2）通過(guò)與國(guó)內(nèi)行業(yè)龍頭企業(yè)的緊密合作，使標(biāo)準(zhǔn)的研制貼合生產(chǎn)實(shí)際，選擇其產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證并獲取大量可靠數(shù)據(jù)。同時(shí)在考慮行業(yè)內(nèi)其他企業(yè)情況的基礎(chǔ)上確定標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)值，使標(biāo)準(zhǔn)更具有廣泛性、可靠性與實(shí)用性。

（3）注塑機(jī)專用機(jī)械手重復(fù)定位精度和剛性還受到機(jī)械手手臂行程的影響，因此標(biāo)準(zhǔn)中需要對(duì)不同規(guī)格的產(chǎn)品指標(biāo)做出不同的要求，以使標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)謹(jǐn)。

（4）為提高注塑機(jī)專用機(jī)械手的重復(fù)定位精度，使其符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從而能夠在進(jìn)行上下料取件時(shí)到位準(zhǔn)確，機(jī)械手各臂的驅(qū)動(dòng)裝置推薦采用伺服電機(jī)配合高精度同步帶的結(jié)構(gòu)。

（5）為盡量減輕機(jī)械手手臂自身的重量，以減少手臂伸出時(shí)在自身重力和外力作用下的變形，提高其剛性，Z臂通常采用鋁合金擠壓型材的空心方管或工字梁結(jié)構(gòu)，并應(yīng)進(jìn)行時(shí)效硬化處理。

［1］牟文杰.機(jī)械手在注塑生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)塑料，2000，14（10）：86-89.

［2］GB/T 12642-2013.工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法［S］.

［3］GB/T 17421.2-2000，機(jī)床檢驗(yàn)通則第2部分：數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度的確定［S］.

［4］盛驟，謝式千，潘承毅.概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2001.

Study of Repeatability Positioning Accuracy and Stiffness Techniques Indexes of Guangdong Province Local Standards Robot for Injection
Moulding Machines（DB44/T 1669-2015）

LIN Min，ZHENG Ze-pei
（Guangdong Machinery Research Institude，Guangzhou 510635，China）

Robot for injection moulding machines（DB44/T 1669-2015），one of Guangdong province local standards，is applicable to robots which used for injection moulding machines to load and unload workpiece.After analyzing the function of robots for injection moulding machines，two key technique indexes，repeatability positioning accuracy and stiffness，were defined，as well as the corresponding test methods.After a large number of test data were got，the standard index values of repeatability positioning accuracy and stiffness of robots for injection moulding machines were determined.Finally，experience of studying standard technique indexes is proposed for reference.

study of standard techniques；robot for injection moulding machines；repeatability positioning accuracy；stiffness

TP241.3

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1009-9492（2015）12-0083-05

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.023

林敏，男，1963年生，廣東揭陽(yáng)人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師。研究領(lǐng)域：機(jī)電工程、安全工程、檢測(cè)、鑒定、標(biāo)準(zhǔn)化等。已發(fā)表論文3篇。

（編輯：向飛）

2015-11-07