工業機器人機械手的機電一體化設計

李鋼鋒

摘? 要：隨著時代的不斷進步，社會的不斷發展，工業逐漸趨向于自動化發展，工業機器人在市場中占的比例也越來越大。該文主要從三菱Q 系列PLC 的控制機著手，闡述了機械手的定義、材料組成、具體應用以及針對工業機械手的電機一體化設計方案。

關鍵詞：工業機械手;發展趨勢;電機一體化;設計方案

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

人類現在的生活歸咎于所有的經濟活動，而創造使得人類在歷史長河中不斷發展，文明快速進步。隨著時代的發展，人們發明出越來越多為人類生產生活服務的事物，其中機器人的發明對各領域來說都是其后續發展中至關重要的一環。工業機器人可以代替員工做一些重復的單一的長時間的工業生產作業，或者在充滿化學品、輻射等危險環境下作業，最大可能地保證了員工的生命安全。工業機器手的普及反映出現代社會的綜合水平大幅度提高，同時也意味著其企業可以在未來市場擁有競爭力。

1 機械手的發展狀況

1.1 工業機器人全方位性能不斷提高

隨著科技水平的不斷提高，機器人的應用十分普遍，在各個方面的專業水平都有提高。而工業機器人更偏向于向著操作、方便檢修、運轉精密和完成效率高等方向發展，并且成本價不斷降低。

1.2 機器人組成結構向著重構化發展

現如今，大部分企業在發展中都會運用到機器人。為了擁有更強大的競爭優勢，機械手向著重結構的方向發展。新型機械結構可以通過圖紙進行重組，進而完成不同的工作任務，一機多用，減少成本。機器人的組成結構向著重結構發展，這使工業機器手更加趨于標準化、新媒體化，使其可靠性、可操作性達到最高[1]。

1.3 機器人傳感器及相關控制系統向著標準化發展

機器人的控制系統與傳感系統越標準，越受市場的歡迎。隨著人們生活水平的不斷提高，工業生產需要應用機械手的場合越來越多，機器人的傳感器及相關控制系統越來越標準化，這使人機也可以實現遠程操控，不需要實際手動操控，節省了大量的人力及物力，增加了企業效益。

2 機械手

2.1 氣動機械手的定義

氣動機械手的主要組成部分是操作機、控制器、伺服驅動系統以及檢測傳感結構，它由一段模仿人類實際操作的電腦編程系統控制，使用性能極高，可以代替工人完成一系列重復性或者危險性的工作操作，提高工廠的生產效率與質量水平，保證了工人的人身安全，減少了企業在人力、物力、財力等方面不必要的損失。

2.2 機械手的構成和類別

2.2.1 機械手的構成

機械手的主要組成部分是執行機構、手腕、手臂、立柱、行走機制、機座操，如圖1所示。

2.2.1.1 執行機構

不同的工業機械手具有不同的工作特點和性能，它們以一種人類無法達到的精準度在不同崗位工作，是工業生產的關鍵，既保證了員工的人身安全，又為企業帶來了很好的效益。執行機構可以使機械手在控制信號下利用某種能源工作，執行能力非常強，于是在時代快速發展的背景下，自動化機械手橫空于世，這使得傳統的人工操作方式逐漸被替代。尤其是在某些惡劣的生產環境下，機械手的應用可以最大程度地減少人員傷害[2]。例如，在操作某些特殊的閥門時，員工可以操作工業機械手對其進行緊急開關，這樣既阻止了危險氣體或液體的擴散，又使員工在不損害身體的前提條件下在固定的時間內完成工作。

2.2.1.2 驅動部分

驅動部分的透明化是機械手設計的一大挑戰，這就要求工程師在制作機械手時不僅要了解機械手電路分布圖，還要進行機械手內部環境的分析，這樣可以減少機械手的驅動反應時間，從而獲得更好的收益。如果工程師不了解機械手內部系統框架，或沒有對合適的相應電路進行分布調整，那么輕則導致后期相應程序的編寫繁瑣，達不到預期效益;重則無法保證機械電路的安全，形成了嚴重的安全隱患。驅動部分建設的要求十分精細，這就要求工業機械手的設計師需要具有工業信息方面的專業知識，精通數據庫結構，以確保機械手的驅動部分整體操作精簡、安全，為企業制造出巨大的效益。

2.2.1.3 控制系統

工業機械手的控制需要電子凸輪與電子齒輪共同實現，這樣大幅度地減少機械在運轉過程中的磨損。精良的工業機器手不僅需要具有良好的控制系、分布正確的電路線、協調的運轉效果、正確的應用指令等，還需要具備工程配置軟件（如SIMOTION的SCOUT）、語法解釋器（不僅是指自己的語言、而且包括IEC-61131-3的PLC等語言支持）、簡單的PLC功能、基本的PID控制算法、HMI交互接口、故障診斷接口等功能或語言，以此確保工業機械手運轉安全、有效率。

2.2.1.4 位置檢測相關裝置

機械手的位置檢測裝置十分重要，它可以讓機械手的相關動作流程更加精確，以達到原有程序編制的預期效果。并且工業機器人機械手的機電一體化的設計要考慮位置檢測裝置的所處位置，最好將位置檢測裝置放置在工業機器人的中間位置，以此來更好地檢測工業機械手的相關動作流程，并方便負責檢測的工作人員。同時，由于位置檢測的相關裝置安裝于工業機械人的明顯部位，利于企業能培養出更多的工業機械手位置檢測的熟練工[3]。

2.2.2 機械手的分類

可以從工業機械手使用場地、工業機械手用途、工業機械手制作方式等方面對機械手進行分類，并可以分為好幾種。

按工業機械手的用途分為專用和通用兩類工業機械手。專用機械手具有操作簡便、使用對象單一、制造成本價低的特點，主要適用于大批量搬運貨物，或在工業生產流水線上搬運相對應的半產品或產品。通用機械手具有靈活多變、適用對象種類繁多的特點，擁有獨立的驅動系統和控制系統，它可以由各種不同的程序控制，完成不同的命令。

按工業機械手的驅動方式分為液壓式、氣壓式和機械式3種工業機械手。液壓式工業機械手主要可以抓取極重的物品，具有動作靈敏、運送平穩的特點，不適用于高壓或低溫的工作環境。氣壓式工業機械手用于抓取質量低于30 kg的產品具，有操作迅速、造價成本低的特點，可用于高溫、高速、粉塵大的工作環境。機械式工業機械手是一種輔助型工業機械手，具有準確運行的特點，主要用于主工業機械手的上料與下料。

不同種類的工業機械手各有各的用處，各有各的好處，所以企業要綜合考慮其生產的模式與產品的大小挑選出適用的工業機械手，將生產成本降到最低，并從中獲得最大的效益。

3 機械手的電機一體化設計方案

氣動機械手能夠快速準確地完成工人的工作量，所以其具備一定的載重能力、反應速度以及活動靈敏度等。所以先設計的機械設備方案一定要顧及傳統的應用要求，盡量兼顧通用性和實用性，使整個設計制造的過程較為簡單，并且能夠最終實現其適用于不同設計手運轉的數據編程。

3.1 機械手的坐標形式與自由度

從工業機械手手臂的不同運動方式來看，其坐標形式可以分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節式。從機械手上料、下料時，設備必須具有升降、收縮和回轉動作來看，其采用的應該是圓柱坐標型式。為了彌補相應機械手升降運動形成較小的缺點，并提高其自由度的實現，應該適當的增加手臂擺動機構，如圖3所示。

3.2 機械手的手部結構方案設計

應根據機械手應用的不同崗位進行系統的結構方案設計。如果所以要搬運的材料是棍棒形狀的，可以使用夾持式的部件;如果所需要搬運的材料是板塊制的，可以使用氣流吸盤形式的部件。

3.3 機械手的手腕結構方案設計

因為機械手需要面對的材料是水平放置的，所以機械手的手腕部分結構需要轉動才能完成搬運的動作，所以要將手腕設計成回旋結構，這可以通過使用回轉氣缸完成，以滿足其應用要求。

3.4 機械手的手臂結構方案設計

與手腕結構設計方案目的類似，由于抓取材料的部分特殊要求，在設置手臂時必須要保證可伸縮、可升降，這可以利用各種運動形式的氣缸來實現，以此來滿足搬運材料的目的。

3.5 機械手的驅動方案設計

受限于機械手的工作環境，其驅動的設計應該使用氣壓傳送的方式。氣壓傳送反應靈敏，所需損耗的阻力較少，動作相對靈敏，最為重要的是成本較低，可以減少企業的初步資金投入。

3.6 機械手的控制方案設計

針對機械手的控制方案設計主要采用編程程序PLC對器件性操作，非常方便、快捷。

3.7 機械手的主要參數

機械手的最大抓重是工廠考慮適用哪種機械手的最重要的規格考量之一，由于其采用氣動方式驅動，因此考慮抓取的物體不應太重，查閱相關機械手的設計參數并結合實際情況，該機械手設計抓取的工件質量為1 kg。

基本參數運動速度是機械手主要的基本參數。操作節拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度，具體機械手技術參數見表1。

4 結語

機器人的主要任務是夾持工件直接向數控車卡盤送料，夾持單元較為簡單。企業可以根據工件定位要求，選擇范圍大，性價比較高的部件，合理規劃就可以實現全天候24 h高效生產，從而避免了招工難的一大難題。桁架行架在數控車上方運行，占地面積小，節約客戶廠房成本。根據工件的生產節拍將數控設備、機器人控制系統，上下料盤進行自動化集成，一臺桁架機器人可控制單臺或多臺數控車，降低單臺機器人使用成本。各軸單獨運行，沒有多軸累計誤差，運行速度快，壽命長，重復定位精度高，夾料定位比多關節機器人更精準，比六關節機器人具更高性價比，更適合大小型工廠的自動化配套加工。不受機床大小尺寸限制，配合上下料盤設計，完成整個生產線。而氣動機械手采用氣缸式設計，使企業損壞率降到最低，容易保養，成本較低，性價比很高，是未來工廠得以實現的必不可少的重要組成設備。專業技術團隊以客戶需求為導向，參與加工工藝的設計規劃，制定性價比最優自動化解決方案，最終實現工業機械手機電一體化。

參考文獻

[1]張雷.移動機器人行業：整體增速放緩，細分趨勢明顯[J]. 物流技術與應用，2020（3）：59-61.

[2]王雄耀.近代氣動機器人（氣動機械手）的發展及應用[J].液壓氣動與密封，1999（5）：13-16，49.

[3]張糴.淺談機械手的發展趨勢[J].時代汽車，2019（8）：31-32.