氣電一體化助力機械手概述

張林

（昆山興林精密機械制造有限公司，江蘇　蘇州　215300）

氣電一體化助力機械手概述

張林

（昆山興林精密機械制造有限公司，江蘇蘇州215300）

智能制造在橡膠加工的生產中占有越來越重要的地位，機器人的應用正在不斷提升輪胎生產企業的自動化生產水平。助力機械手作為一種簡易、或過渡機器人，同樣具備人機交互能力，且特別適用于輪胎生產企業中的環境復雜、勞動強度大和需要頻繁搬運重物的場合，能夠為企業有效提升工作效率，減少勞動定員和減輕員工勞動強度，也能為提升輪胎質量做出貢獻。本文從介紹助力機械手入手，重點闡述了氣電一體化助力機械手的原理、構造和應用場合，并對助力機械手的安全性能做了較為詳盡的描述。

助力；平衡；氣電一體；智能化

1　助力機械手優點

隨著科學技術技術的發展，尤其是自動化技術在各種設備上得到廣泛的應用，一種新型的、能夠代替作業人員進行笨重物體搬運、定位和裝卸等功能的半自動化設備—助力機械手應運而生。國際上最早出現的真空式搬運提升機械手可以追溯到20世紀70年代，氣動式助力機械手隨后得到迅速的研發和制造，并很快在各行各業得到運用。我國的助力機械手行業相對起步較晚，但發展相當迅速。中國最早的助力機械手制造商上海永乾公司成立于1999年，可以說是中國助力機械手智能裝備生產商的先行者。但進入本世紀以后，隨著國家新產業政策、產業方向的確定，尤其是國家對環保、安全以及重體力勞動資源的重視，相繼開辦的助力機械手制造商大量出現，且主要分布在我國較發達地區和省份。由于我國氣動技術相對成熟，而且氣動助力機械手具有結構簡單、重量輕、動作迅速、可以在復雜環境下工作、設計制造相對容易等諸多特點，所以氣動助力機械手已經成為我國助力機械手最典型的產品，也是助力機械手制造商普遍生產的產品，在我國整個助力機械手市場的占有率達到了90%以上，并廣泛應用于汽車制造業、半導體及家電行業、化肥和化工、食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業等。

氣動助力機械手有著明顯的優點，即：①空氣隨處可取，取之不盡，節省了購買、儲存、運輸介質的費用和麻煩；②用后的空氣直接排入大氣，對環境無污染；③氣動反應快，動作迅速，維護簡單，管路不易堵塞；④氣動元件結構簡單，制造容易，適于標準化、系列化、通用化。但事物總是一分為二的，氣動助力機械手以壓縮空氣作為動力，也有著以下明顯的缺點：①空氣具有可壓縮性，當載荷變化時，氣動系統的動作穩定性差；②排氣噪聲大；③工作壓力比較低，又因結構尺寸不宜過大，因而輸出功率小。氣動助力機械手的第一條和第二條缺點可以通過加裝平衡閥和消音器進行一定程度上的彌補，但第三條缺點考慮到安全問題不能使工作氣壓無限制加大，而且空壓機產生的氣壓壓力也有限，若結構尺寸太大則占據空間且不便于操控。因此第三條缺點造成了氣動助力機械手的使用場合受到限制，僅適用于被搬運或起重的物體重量不大的場合。一般來說，氣動助力機械手的負荷以不超過200 kg為宜。隨著各行各業對各種助力機械的使用要求越來越高，使用范圍越來越廣，體力勞動力成本越來越高、體力勞動者資源越來越缺乏，特別是在所搬運物體負載超過200 kg而又低于1 000 kg的情況下，一種新型的助力機械手——氣電一體化助力機械手的研發和制造必然出現。氣電一體化助力機械手在重負荷搬運狀態下能夠彌補氣動助力機械手的不足，拓寬了助力機械手的應用場合和負載范圍，具有旺盛的生命力。

2　氣電一體化助力機械手介紹

2.1氣電一體化助力機械手原理

氣電一體化助力機械手巧妙地利用減速電機和機械傳動裝置承載負荷，使搬運物體的重量可以達到接近于1 t，機械定速傳動可保障物體在移動或上升降落過程中均衡、平穩，機械傳動裝置的自鎖性能可以在出現意外的情況下實現自鎖，安全性大為提高。平衡氣缸和氣動元件的作用有能夠令所搬運物體和機械裝置的自重達到無重力化浮動狀態，使操作者對物體實施搬運時只需很小的操作力。亦即操作者只需操作把手上的升降按鈕，徒手推拉重物就能夠把物體正確地放到任何位置。

2.2氣電一體化助力機械手結構

如圖1，氣電一體化助力機械手主要由減速電機或伺服電機、傳動裝置、平衡氣缸、立柱、機械臂、以及夾持機構和控制系統組成。

圖1　機械手照片圖

減速電機結構緊湊、體積小、造型美觀，承受過載能力強，而且傳動比分級精細，選擇范圍廣、轉速型譜寬，可適應于不同升降速度的需要。另外，減速電機能耗低、效率高、振動小、噪音低。伺服電機除了具有減速電機具有的體積小、重量輕、承載能力高等優點外，更具有壽命長、運轉平穩，噪聲低等特點，而且定位精度更高。

傳動裝置通常選用螺桿副傳動。螺桿副傳動可以很好地實現垂直升降，具有運動導向功能和可靠的自鎖功能、傳動平穩、噪音低、結構簡單，對于承載力較大的場合，可選用滾珠絲桿傳動。滾珠絲桿與滑動螺桿相比摩擦力小，能得到較高的運動效率，能節省電能，而且傳動精度高，傳動速度可以更快。選用滾珠絲桿傳動時需使用剎車電機，以保障傳動裝置的自鎖功能。

平衡氣缸起到平衡搬運物體和機械臂的重量的作用。一個平衡缸會有兩個平衡點，分別是重載平衡和空載平衡。重載平衡是平衡吊上有重物時達到平衡狀態，空載平衡是平衡吊上無負載時實現的平衡狀態。不管是哪種平衡狀態，物體會處于靜止，這時只需一個很小的外力就能實現搬運動作。利用平衡缸的這個原理，可以提高工作效率，降低工人勞動強度。并且平衡缸結構簡單，組成部分少，造價成本低，能適合在惡劣工況環境中使用。

立柱和機械臂是助力機械手的支撐、連接機構。需根據現場環境、物體重量、物體升降和搬運的距離和范圍設計制造，應盡量做到結構緊湊、合理、耐用，且外形美觀。

夾持機構用來夾持所搬運的物體。夾持機構夾持物體有抓、握、抱、托、吸、拿、捏、提等多種方式，根據物體的外形、重量、材質等以及物體的提升、移動速度和運動、定位精度等設計和制造，要求夾持物體可靠、穩定，且不能對物體造成任何損傷。

氣電一體化助力機械手的控制系統包含：PLC模型板、變頻器模塊板、按鈕指示模塊板、電源模塊板、和氣動控制閥等控制元件及各類傳感器、接近或限位開關、伺服控制器等。體現了微電子、PLC、電子計算機、傳感技術和現代控制理論的綜合利用，將電控器件和氣動控制元件高度集成。電氣和氣動控制的合成智能化，使得操作者操作簡單，減少誤操作并實現誤操作保護，保障了人身及設備安全。

為了保障助力機械手的使用安全，助力機械手具備以下安全保護功能：

（1）自鎖功能：在緊急斷氣情況下，提升氣缸、工件夾持器裝置、傳動機構等運動部件能借助氣缸鎖、單向控制閥、轉盤剎車等其他類似裝置實現自鎖，保證工件不會跌落或掉落。

（2）助力機械手由空載狀態切換到負載狀態有自動切換和手動切換兩種狀態，助力機械手配置了負載顯示器指示負載狀態，當工件吊起時，顯示器為紅色。

（3）為防止助力機械手誤操作吊裝超負荷的工件、防止危及人身和設備安全，助力機械手在氣動和電動保護中設計有相應的安全控制措施，保證無法吊裝超負荷的物體。

（4）為防止在搬運過程中出現卸料誤操作，助力機械手具有承重檢測或雙鍵按鈕同時操作的情況下，工件夾持器才能松開卸載。

（5）對于依靠行規行走的助力機械手，鋁合金軌道與鋼結構設有鋼構保護繩作為二次保護，防止軌道脫落時不至于出現意外。

（6）為了減少噪音，行軌式助力機械手選用鋁合金靜音軌道，軌道車在軌道中正常運行時，噪音小于50 dB(A)。

3　氣電一體化助力機械手應用領域

助力機械手由于具有無重力化、精確直觀、操作便捷、安全高效等特點，因此被廣泛應用于現代工業中的物料移載、高頻率搬運、精確定位、部件裝配等場合。從接受原材料和物料開始，一直到加工、生產、保管及配送等物料流動過程中的每一個環節，助力機械手都能發揮其獨到的作用，給各行業重物移載、搬運現場操作人員的健康、安全，以及其作業合理性、勞動力節省、生產效率提高、產品品質的保障等多方面帶來極大的改善。氣電一體化助力機械手作為隨著科技發展和順應市場要求，在傳統的助力機械手基礎上進一步適應高負載、現場環境更為復雜的場合下設計和制造出來的新型助力機械手，其應用領域除了普通助力機械手所涉及的領域之外，對于化工、冶金、輪胎制造、工程機械制造、建筑、造紙、包裝等行業以及家電、電動機、發動機、電器柜等組裝生產線的應用更具有無與倫比的優越性。

現代汽車制造工廠的焊接生產線，焊接工具的移動和定位大多采用了氣動機械手，而車身外殼、發動機、底盤、座椅等的移動、夾緊和定位，由于部件重量較大，可采用特殊功能的助力機械手即氣電一體化助力機械手。在彩電、冰箱、電動機及發電機的裝配生產線上，由于本體和組裝部件通常需要翻轉和移位，為了完成整個工序的高度自動化，助力機構選用氣電一體化助力機械手無疑是最佳選擇。大型電控柜裝配線，安裝模塊需要從運輸線上抓取并移送到電控柜內定位，安裝模塊的重量都在幾百公斤以上，能夠完成這一動作的目前也只能依賴于氣電一體化機械手。輪胎行業中的胎面、胎側押出線卷取收料工字輪的裝卸、成型鼓和貼合鼓的更換以及鋼絲錠子的裝載、造紙生產線都需要重型料卷或工裝的裝卸定位，物料運送的現場環境較為復雜，而氣電一體化助力機械手的應用均能一一滿足助力、省力的要求。冶金行業中的鋼包鐵水運輸和澆注，對平穩性和速度的均勻要求極高，應用氣電一體化助力機械手可以很好地解決問題。總之，在氣動助力機械手受限的場合，都能夠用氣電一體化助力機械手進行替代。

我國的助力機械手制造業起步較晚，但發展較快，而目前的國內助力機械手制造廠商主要生產的和國內各行各業所采用的基本上都是氣動式機械手。隨著輪胎生產的自動化、半自動化水平的逐年提高，氣電一體化助力機械手的開發和制造順應了輪胎生產廠生產技術和設備改造的要求，適用于提高工效、保障安全和減輕勞動強度的多種用途。氣電一體化助力機械手目前已經在佳通輪胎、大陸馬牌輪胎（中國）有限公司、徐州徐輪橡膠有限公司等多家輪胎生產外資企業和國營大型企業中成功應用。

（R-03）

Overview of integration of gas-electric assisted mechanical manipulato

TQ330.4

1009-797X(2016)20-0027-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.20.009

張林（1963-），男，主要從事輪胎生產輔助機械的設計與制造工作。

2016-09-12