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　　建筑技術(shù)研究 第2卷◆第 1期◆版本 1.0◆2019 年1月

　　文章類型：論文

　　刊號（ISSN）：2630-4651

　　Copyright c This word is licensed under a Commons Attibution-Non Commercial 4.0 International License. 106 Building technology research

　　工業(yè)機械手及控制設(shè)計

　　王大潤 王馨怡

　　盤錦智人科技有限公司

　　DOI:10.32629/btr.v2i1.1765

　　[摘 要] 機械工業(yè)是國民的裝備部,是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民提供耐用消費品的行業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),還是新興產(chǎn)業(yè),都離不開各種各樣的機械裝備。機械工業(yè)所提供裝備的性級、質(zhì)量和成本,對國民經(jīng)濟各部門的技術(shù)進步和經(jīng)濟效益,有很大的直接影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標志。因此,世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之上。

　　[關(guān)鍵詞] 工業(yè)；機械手；控制設(shè)計

　　1 概述

　　工業(yè)機械手(以下簡稱機械手)是近代控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù),并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快,逐漸形成一門新興的學(xué)科——機械手工程。 機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求,遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配,從而大大的改善工人的勞動條件,顯著地提高勞動生產(chǎn)率,回憶實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而,受到各先進工業(yè)國家的重視,投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合,應(yīng)用的更為廣泛。在我國,近幾年來也有較快的發(fā)展,并取得一定的效果,受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。

　　2 機械手的分類 機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序,以完成各項規(guī)定操作。它的特點是具備普通機械的物理性能之外,還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要工人操作的,稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè),先是通過操作機來完成特定的作業(yè),后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機械手,主要附屬于自動機床或自動線上,用以解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”,它是為主機服務(wù)的,由主機驅(qū)動,除少數(shù)以外,工作程序一般是固定的,因此是專用的。在國外,目前主要是高第一類通用機械手,國外稱為機械人。本篇所分析的機械手是屬于第三類專用機械手。

　　3 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成

　　3.1 系統(tǒng)組成 本機械手系統(tǒng)由機體,傳送機構(gòu),動力源和控制裝置四部分組成。其中機體由小車及本體等部分組成；傳送機構(gòu)主要由伸縮臂及抓取機構(gòu)所組成；動力源由液壓驅(qū)動和機械驅(qū)動兩種形式構(gòu)成；控制裝置主要由自動控制和手動控制二部分組成。

　　3.2 總體技術(shù)方案 把我們所涉及的比較分散的知識綜合起來,并進行靈活應(yīng)用?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢是機電一體化,因此我們是要我們將“機”、“電”、“液”三者結(jié)合起來。 “機”是指機械。機械手的動作過程可分為五部分,即機械手的上升下降、機械手的前伸后退、機械手的夾緊放松、機械手的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、小車的前進后退。在這五部分中,我們靠機械完成機械手的上升下降動作,即本課題所做的機械手采用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)來實現(xiàn)手臂的上升、下降方面。 滾珠螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放入適量的滾珠,使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦,絲杠傳動是帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動或其他直線運動副相比有以下特點：

　　3.2.1 傳動效率高 一般滾珠絲杠副的傳動效率達 85%-98%,為滑動絲杠副的 3-4 倍。

　　3.2.2 運動平穩(wěn) 滾動摩擦系數(shù)接近常數(shù),啟動與工作摩擦力矩差別很小。啟動時無沖擊,低速時無爬行。

　　3.2.3 能夠預(yù)緊 預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過盈,提高剛度和傳動精度,同時增加的摩擦力矩相對不大。

　　3.2.4 工作壽命長 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度、高精度,具有較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動絲杠副的 4-10 倍以上。

　　3.2.5 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲杠副摩擦小、溫升小、無爬行、無間隙,通過預(yù)緊進行預(yù)拉伸的補償?shù)臒崤蛎?因此可達到較高的定位精度。

　　3.2.6 同步性好 用幾套相同的滾珠死杠副同時傳動幾個相同的運動部件,可得到較好的同步運動。

　　3.2.7 可靠性高 潤滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡單,維修方便。

　　3.2.8 不自鎖 用于垂直運動,必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動裝置。

　　3.2.9 經(jīng)濟性差,成本高 由于結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜,故制造成本高。價格往往以 mm 計算。

　　經(jīng)過計算,選擇如下： 電動機型號：Y802-2  功率：1.1W  絲杠型號：TR40*7 3.3 動作分析 工業(yè)機械手的機械機構(gòu)是指它的執(zhí)行系統(tǒng),是機械手抓持工件、進行操作及各種運動的機械部件。機械部件主要包括手部,手臂前后伸縮部分,手臂上下升降部分,腰轉(zhuǎn)部分以及機座和行走機構(gòu)。

　　3.3.1 手部 包括械桿手指,單向作用式握緊油缸等。其工作原理是：物體進入手指后,拉桿受油缸作用,通過拉桿帶動杠桿手指回轉(zhuǎn),實現(xiàn)握緊和松開動作。

　　3.3.2 手臂的前后伸縮部分 手臂的前后伸縮部分有直線和油缸帶動實現(xiàn)。 當(dāng)直線油缸工作時,通過活塞桿行程的變化,完成手臂的伸縮運動。

　　3.3.3 手臂的上下升降部分 手臂的上下升降部分是由電動機,絲杠傳動副,立拄等部分組成。 當(dāng)電動機工作時,通過連軸器轉(zhuǎn)絲桿,由于絲桿螺母受到立柱的徑向轉(zhuǎn)動限制,使得螺母及手臂架只能做上下運動。

　　3.3.4 腰轉(zhuǎn)部分 腰轉(zhuǎn)部分主要由轉(zhuǎn)盤和回轉(zhuǎn)油缸組成。 當(dāng)壓力油進入回轉(zhuǎn)油缸時,回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn),通過活塞桿的伸縮帶動轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)機械手的左右轉(zhuǎn)動。

　　3.3.5 行走機構(gòu) 行走機構(gòu)主要由電動機,齒輪,鏈條等組成。 當(dāng)電動機工作時,通過齒輪,鏈條的傳動,帶動小車的輪子運動,從而實現(xiàn)行走。

　　4  回轉(zhuǎn)裝置的總體組成及其結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　4.1 執(zhí)行件 回轉(zhuǎn)裝置主要由執(zhí)行件、傳遞件、驅(qū)動件及控制系統(tǒng)四大部分組成。 本設(shè)計選用的是回轉(zhuǎn)臺與傳遞件——鏈輪共用的一個長平鍵的心軸。 驅(qū)動傳遞件——鏈輪轉(zhuǎn)動,鏈輪通過共用鍵將回轉(zhuǎn)運動直接傳遞給與心軸鍵聯(lián)接的回轉(zhuǎn)臺,并使之旋轉(zhuǎn)。

　　4.2 傳遞件 本課題中機械手要求作間歇往復(fù)回轉(zhuǎn)運動,因此考慮采用回轉(zhuǎn)曲線傳動。 回轉(zhuǎn)傳動可分為齒輪傳動、帶傳動和鏈傳動。 齒輪傳動雖然效率高,工作可靠,壽命長機構(gòu)緊湊,圓周速度及功率范圍廣,但制造和安裝精度要求較高,不能緩沖,無過載保護作用,低精度是噪聲大。由于本課題中機械手回轉(zhuǎn)精度要求不高,因此不予考慮。 帶傳動雖然結(jié)構(gòu)簡單,制作成本低,傳動平衡,噪聲小,能緩沖吸振,有過載保護,但由于是摩擦傳動,傳動比不恒定,傳動效率較低,帶的使用壽命較短。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用 4-6 個大氣壓,個別的達到 8-10 個大氣壓。它的優(yōu)點是起源方便,維護簡單,成本低。缺點是出力小、體積大。由于空氣的可壓縮性大很難實現(xiàn)中間位置的停止只能用于點位控制,而且潤滑性較差,氣壓系統(tǒng)容易生銹。 為減少停機是產(chǎn)生的沖擊,氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構(gòu)或緩沖減震機構(gòu)。 電氣驅(qū)動采用的不多。現(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機作為動力,用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；直線運動則用電機帶動絲杠螺母機構(gòu)；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮采用同一形式的動力,出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。 機械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連杠機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作切實可靠,速度高成本低。缺點是不易于調(diào)整。 液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、油馬達加齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、油馬達與減速器、油缸與齒條等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩,可無級變速,自鎖方便,并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源,系統(tǒng)復(fù)雜,成本較高。 本課題設(shè)計采用液壓驅(qū)動。利用液壓缸帶動鏈輪實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。設(shè)計配用液壓總站,與回轉(zhuǎn)裝置并排于小車上。

　　4.3 控制系統(tǒng) 機械手控制系統(tǒng)的要素包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等。 控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求,設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲然后再根據(jù)規(guī)定的程序,控制機械手進行工作。

　　5  電氣改進方案 電氣設(shè)計方案在設(shè)計中采用了壓力繼電器和大量的行程開關(guān)來進行限位控制。用壓力繼電器來控制機械手的夾緊時間僅能用于夾緊硬質(zhì)物體如鐵塊。如果用來夾緊軟質(zhì)物體會造成物體的變形和損壞。且實踐證明用行程開關(guān)來限位并不是一個很好的方案。特別是在長期使用后,限位會很不精確甚至失靈,這樣的話容易產(chǎn)生事故。 現(xiàn)將機械手的限位控制都改為由時間繼電器進行控制。根據(jù)機械手的每一步工作所需經(jīng)過的路程和速度,這樣就等于用時間繼電器的自動控制代替了行程開關(guān)的限位控制,這樣不僅簡化了電氣控制線路,控制線路中無須使用順序控制來區(qū)分兩次相同動作后產(chǎn)生的不同動作。還使機械手動作的定位更加精確。并且只需調(diào)整機械手的夾緊時間便可夾緊不同材質(zhì)的物體,使機械手的應(yīng)用范圍大大的擴大。

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