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建筑技術研究 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
工業機械手及控制設計
王大潤 王馨怡
盤錦智人科技有限公司
DOI:10.32629/btr.v2i1.1765
[摘 要] 機械工業是國民的裝備部,是為國民經濟提供裝備和為人民提供耐用消費品的行業。不論是傳統產業,還是新興產業,都離不開各種各樣的機械裝備。機械工業所提供裝備的性級、質量和成本,對國民經濟各部門的技術進步和經濟效益,有很大的直接影響。機械工業的規模和技術水平是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。因此,世界各國都把發展機械工業作為發展本國經濟的戰略重點之上。
[關鍵詞] 工業；機械手；控制設計
1 概述
工業機械手(以下簡稱機械手)是近代控制領域中出現的一項新技術,并已成為現代機械制造生產系統中的一個重要組成部分。這種新技術發展很快,逐漸形成一門新興的學科——機械手工程。 機械手的迅速發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率,回憶實現工業生產機械化和自動化的步伐。因而,受到各先進工業國家的重視,投入大量的人力物力加以研究和應用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合,應用的更為廣泛。在我國,近幾年來也有較快的發展,并取得一定的效果,受到機械工業和鐵路工業部門的重視。
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。它可以根據任務的需要編制程序,以完成各項規定操作。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,先是通過操作機來完成特定的作業,后來發展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業機械手,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”,它是為主機服務的,由主機驅動,除少數以外,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 總體技術方案及系統組成
3.1 系統組成 本機械手系統由機體,傳送機構,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；傳送機構主要由伸縮臂及抓取機構所組成；動力源由液壓驅動和機械驅動兩種形式構成；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,并進行靈活應用?，F在的發展趨勢是機電一體化,因此我們是要我們將“機”、“電”、“液”三者結合起來。 “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、機械手的左轉右轉、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來實現手臂的上升、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 滾動摩擦系數接近常數,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 能夠預緊 預緊后可消除間隙產生過盈,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,通過預緊進行預拉伸的補償的熱膨脹,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 潤滑密封裝置結構簡單,維修方便。
3.2.8 不自鎖 用于垂直運動,必須在系統中附加自鎖或制動裝置。
3.2.9 經濟性差,成本高 由于結構工藝復雜,故制造成本高。價格往往以 mm 計算。
經過計算,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 工業機械手的機械機構是指它的執行系統,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,腰轉部分以及機座和行走機構。
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,實現握緊和松開動作。
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。 當直線油缸工作時,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。 當電動機工作時,通過連軸器轉絲桿,由于絲桿螺母受到立柱的徑向轉動限制,使得螺母及手臂架只能做上下運動。
3.3.4 腰轉部分 腰轉部分主要由轉盤和回轉油缸組成。 當壓力油進入回轉油缸時,回轉油缸的回轉軸回轉,通過活塞桿的伸縮帶動轉盤的轉動,從而實現機械手的左右轉動。
3.3.5 行走機構 行走機構主要由電動機,齒輪,鏈條等組成。 當電動機工作時,通過齒輪,鏈條的傳動,帶動小車的輪子運動,從而實現行走。
4 回轉裝置的總體組成及其結構設計
4.1 執行件 回轉裝置主要由執行件、傳遞件、驅動件及控制系統四大部分組成。 本設計選用的是回轉臺與傳遞件——鏈輪共用的一個長平鍵的心軸。 驅動傳遞件——鏈輪轉動,鏈輪通過共用鍵將回轉運動直接傳遞給與心軸鍵聯接的回轉臺,并使之旋轉。
4.2 傳遞件 本課題中機械手要求作間歇往復回轉運動,因此考慮采用回轉曲線傳動。 回轉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精度要求不高,因此不予考慮。 帶傳動雖然結構簡單,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,氣壓系統容易生銹。 為減少停機是產生的沖擊,氣壓系統裝有速度控制機構或緩沖減震機構。 電氣驅動采用的不多?，F在都用三相感應電動機作為動力,用大減速比減速器來驅動執行機構；直線運動則用電機帶動絲杠螺母機構；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；缺點是控制響應速度比較慢。 機械驅動只用于固定的場合。一般用凸輪連杠機構實現規定的動作。它的優點是動作切實可靠,速度高成本低。缺點是不易于調整。 液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現傳動。它利用油缸、油馬達加齒輪、齒條實現直線運動；利用擺動油缸、油馬達與減速器、油缸與齒條等實現回轉運動。液壓驅動的優點是壓力高、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,系統復雜,成本較高。 本課題設計采用液壓驅動。利用液壓缸帶動鏈輪實現回轉運動。設計配用液壓總站,與回轉裝置并排于小車上。
4.3 控制系統 機械手控制系統的要素包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等。 控制系統可根據動作的要求,設計采用數字順序控制。它首先要編制程序加以存儲然后再根據規定的程序,控制機械手進行工作。
5 電氣改進方案 電氣設計方案在設計中采用了壓力繼電器和大量的行程開關來進行限位控制。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物體如鐵塊。如果用來夾緊軟質物體會造成物體的變形和損壞。且實踐證明用行程開關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,這樣的話容易產生事故。 現將機械手的限位控制都改為由時間繼電器進行控制。根據機械手的每一步工作所需經過的路程和速度,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分兩次相同動作后產生的不同動作。還使機械手動作的定位更加精確。并且只需調整機械手的夾緊時間便可夾緊不同材質的物體,使機械手的應用范圍大大的擴大。
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