摘 要: 在對(duì)目前機(jī)械手的研究背景和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上玖瘸，采用三維軟件SolidWorks進(jìn)行了一種新型節(jié)能機(jī)械手的設(shè)計(jì)。圍繞系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖檀咙、組成單元雅倒、有效節(jié)能部件、機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化等方面弧可，對(duì)新型節(jié)能機(jī)械手設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和改進(jìn)之處進(jìn)行闡述蔑匣，同時(shí)還對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了節(jié)能測(cè)試，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析棕诵，表明節(jié)能節(jié)電效果非巢昧迹可觀(guān)，說(shuō)明開(kāi)展機(jī)械手節(jié)能設(shè)計(jì)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和可行性校套，對(duì)我國(guó)的節(jié)能減排工作產(chǎn)生很大的積極作用价脾。
關(guān)鍵詞:節(jié)能；機(jī)械手笛匙；設(shè)計(jì)侨把；伺服電機(jī)
1引言
節(jié)能是當(dāng)今時(shí)代的重要話(huà)題,中國(guó)已經(jīng)成為世界節(jié)能和新能源利用第一大國(guó)，國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要明確指出妹孙，推廣節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品秋柄，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大[1]。 李克強(qiáng)總理在2018年政府工作報(bào)告中指出今年發(fā)展預(yù)期目標(biāo)是單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降3%以上涕蜂，我們要攜手行動(dòng)华匾，建設(shè)天藍(lán)、地綠机隙、水清的美麗中國(guó)[2]蜘拉。工業(yè)制造業(yè)的未來(lái)發(fā)展也應(yīng)該從節(jié)能的角度考慮,節(jié)能不僅可以為企業(yè)節(jié)省生產(chǎn)成本, 還能對(duì)環(huán)境資源進(jìn)行保護(hù)[3]。
機(jī)械手是一種能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能有鹿，用以按固定程序抓取旭旭、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置[4]。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人葱跋，可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)持寄，能代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)，可以減少人工和成本娱俺、提高效率和品質(zhì)稍味、提升工廠(chǎng)形象，是工業(yè)制造自動(dòng)化荠卷、智能化水平提升和產(chǎn)品品質(zhì)提高的體現(xiàn)[5]模庐。
機(jī)械手的發(fā)展受到政府、行業(yè)油宜、企業(yè)的高度重視掂碱，不斷注重于機(jī)械手的改良與創(chuàng)新怜姿。傳統(tǒng)液壓型機(jī)械手具有工作時(shí)油溫變化影響較大；液壓元件的制造工藝水平要求較高疼燥，價(jià)格較高沧卢，使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平；消耗電量和空氣量大醉者，運(yùn)行不穩(wěn)定等不足但狭。因此機(jī)械手的高效節(jié)能化是發(fā)展趨勢(shì)，新型節(jié)能機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)順理成章湃交。
2 研究及應(yīng)用現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制作方面節(jié)能的研究較多熟空，比如：楊冬就節(jié)能設(shè)計(jì)理念在機(jī)械制造與自動(dòng)化中的應(yīng)用進(jìn)行分析,包括機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化、制造過(guò)程的優(yōu)化搞莺、自動(dòng)化調(diào)整息罗、自動(dòng)化控制等內(nèi)容[6]；范敬偉對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理及其應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究才沧，指出需要開(kāi)展機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能,對(duì)我國(guó)的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行完善和改進(jìn),有效地降低機(jī)械設(shè)備使用中的能源消耗[7]迈喉；楊松松等淺析機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化節(jié)能設(shè)計(jì)理念，在機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化中添加節(jié)能設(shè)計(jì)理念温圆，降低機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化的能耗[8]挨摸；王小梅等分析了機(jī)械制造與自動(dòng)化中的節(jié)能方法，指出大到宏觀(guān)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)岁歉，小到每條生產(chǎn)線(xiàn)得运、每件設(shè)備都應(yīng)該將節(jié)能、環(huán)保的理念貫徹到底[9]锅移。但具體針對(duì)節(jié)能機(jī)械手設(shè)計(jì)的研究非常少熔掺，所以新型節(jié)能機(jī)械手的設(shè)計(jì)很有新意。
目前在世界上形成了以日本非剃、美國(guó)和歐盟在新型機(jī)械手技術(shù)領(lǐng)域三足鼎立的局面置逻。在國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)械手的研究與應(yīng)用起步都比較晚，以前由于高端制造業(yè)下游產(chǎn)業(yè)比較分散备绽，工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用主要以汽車(chē)制造業(yè)為主券坞，目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的總體水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平相對(duì)較低肺素，但隨著資金投入力度和技術(shù)研發(fā)力度的加大恨锚，機(jī)械手的應(yīng)用在激光切割、注塑倍靡、涂膠等領(lǐng)域有所增長(zhǎng)眠冈，我國(guó)自主研制的許多新型機(jī)械手開(kāi)始在電子加工、3C產(chǎn)品、醫(yī)療器械蜗顽、汽配等勞動(dòng)密集型的制造業(yè)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)之路中發(fā)揮著重要作用，代表性的有新松和拓斯達(dá)等上市公司的產(chǎn)品雨让。
3 新型節(jié)能機(jī)械手的設(shè)計(jì)
隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高雇盖，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的新型節(jié)能機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)栖忠。
新型節(jié)能機(jī)械手系統(tǒng)整體框圖如圖1所示
3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
機(jī)械手本身主要由控制系統(tǒng)崔挖、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成。
（1）機(jī)械手所用的驅(qū)動(dòng)方式是氣壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)相結(jié)合庵寞。氣壓驅(qū)動(dòng)方式一般由氣缸狸相、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成捐川，特點(diǎn)是動(dòng)作迅速脓鹃、氣源方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單古沥、造價(jià)較低瘸右、維護(hù)方便。但難以進(jìn)行速度控制岩齿，氣壓不可太高太颤，因此抓舉能力不高；電氣驅(qū)動(dòng)方式的電源方便盹沈，信號(hào)檢測(cè)龄章、傳動(dòng)、處理方便乞封，響應(yīng)快做裙，驅(qū)動(dòng)力較大，而且能采用多種靈活的控制方案歌亲。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)菇用，直流伺服電機(jī)為主要的驅(qū)動(dòng)方式。由于電機(jī)速度高陷揪，一般需采用減速機(jī)構(gòu)惋鸥。近年來(lái)在國(guó)家節(jié)能電機(jī)補(bǔ)貼政策和用戶(hù)需求的共同推動(dòng)下，高效節(jié)能的永磁同步電機(jī)越來(lái)越得到重視悍缠，其裝備比例越來(lái)越大[10]卦绣。永磁同步電機(jī)可以保證設(shè)備控制的準(zhǔn)確，節(jié)能降耗飞蚓、降低生產(chǎn)成本滤港、增加企業(yè)效益。設(shè)計(jì)中節(jié)能伺服電機(jī)選擇安川伺服電機(jī)Σ-7系列SGM7J型，屬于中慣量高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)溅漾，功率為750W山叮，配備有高分辨率24位串行編碼器，支持超高速超精密控制的伺服性能添履，可以驅(qū)動(dòng)各種機(jī)械的進(jìn)給軸屁倔。最大可承受30倍負(fù)載不發(fā)生震動(dòng)，即使運(yùn)行中負(fù)載發(fā)生變化暮胧，也能夠穩(wěn)定運(yùn)行锐借。優(yōu)化電磁回路后，提高了伺服電機(jī)的效率往衷，降低了發(fā)熱钞翔，可在嚴(yán)酷環(huán)境下使用且節(jié)能的伺服電機(jī)。
（2）可編程序控制器選用日本歐姆龍公司的CP1H系列XA4-0DR-A型號(hào)的PLC席舍。歐姆龍CP系列可以最大限度減少設(shè)備成本布轿。比如傳送帶控制、組裝裝置俺亮、包裝機(jī)等必需的簡(jiǎn)易定位驮捍，高速計(jì)數(shù)器的測(cè)量和測(cè)長(zhǎng)，變頻控制的串行通信控制等脚曾，由CPU獨(dú)立控制东且，可最大限度減少設(shè)備成本。CP系列包括價(jià)格便宜且搭載了2軸脈沖輸出的CP1E-N型本讥、搭載了4軸脈沖輸出的CP1H型珊泳。此外，組合高速計(jì)數(shù)器功能后拷沸，還可用于控制標(biāo)貼進(jìn)給量等用途色查。通過(guò)使用功能塊創(chuàng)建程序，提高程序的沿用性撞芍，可減少客戶(hù)的程序設(shè)計(jì)周期秧了。
（3）治具是一個(gè)木工、鉗工序无、鐵工验毡、機(jī)械、電控以及其它一些手工藝品的大類(lèi)工具帝嗡，主要是作為協(xié)助控制位置或動(dòng)作的一種工具晶通。治具可以分為工藝裝配類(lèi)治具、項(xiàng)目測(cè)試類(lèi)治具和線(xiàn)路板測(cè)試類(lèi)治具三類(lèi)哟玷。本設(shè)計(jì)的治具中主臂產(chǎn)品夾具和副臂水口夾屬于工藝裝配類(lèi)治具狮辽。
3.2 新型機(jī)械手的組成單元
圖2為創(chuàng)新型機(jī)械手外觀(guān)圖，具體單元部件：
（1）新型機(jī)械手的組成單元有：走行單元、前后單元喉脖、 主臂單元椰苟、副臂單元、伺服單元动看。走行單元主要部件：走行體尊剔、安川節(jié)能伺服電機(jī)、傳感器菱皆、THK 導(dǎo)軌及滑塊、拖鏈挨稿、減壓閥仇轻、電控箱等。
（2）前后單元主要部件：安川節(jié)能伺服電機(jī)奶甘、諧波減速器篷店、THK導(dǎo)軌及滑塊、電磁閥臭家、傳感器疲陕、回生電阻等。
（3）主臂單元主要部件：姿勢(shì)部钉赁、THK導(dǎo)軌及滑塊蹄殃、鋁型材等。
（4）副臂單元主要部件：水口夾你踩、THK導(dǎo)軌及滑塊诅岩、鋁型材等。
（5）伺服單元主要部件（伺服上移）：安川伺服驅(qū)動(dòng)器带膜、電路板等吩谦。
3.3 有效節(jié)能部件
設(shè)計(jì)中可以有效達(dá)到節(jié)能的主要部件有如圖3所示：
A部分為T(mén)HK導(dǎo)軌。此導(dǎo)軌經(jīng)過(guò)研磨膝藕，精加工等技術(shù)的處理式廷，將其平面度控制在15個(gè)絲以?xún)?nèi)（15個(gè)毫米），有效減少了電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)中滑塊與導(dǎo)軌之間的摩擦芭挽，不僅延長(zhǎng)了導(dǎo)軌及滑塊的使用壽命滑废，還極大的節(jié)省了電能消耗。
B部分為安川伺服節(jié)能電機(jī)览绿。此電機(jī)的轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比是5：1策严，恰當(dāng)?shù)厥褂么朔N型號(hào)的機(jī)械手，在保障滿(mǎn)足其額定負(fù)載的前提下搭配使用饿敲，不僅節(jié)省了電量的消耗妻导，而且運(yùn)行更平穩(wěn)快速。
C部分為自主設(shè)計(jì)電路板。從控制系統(tǒng)的源頭節(jié)能倔韭，在提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)還想方設(shè)法減少其面積术浪，使其精致化，模塊化寿酌。
3.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的簡(jiǎn)化
采用3D軟件SolidWorks 2015進(jìn)行設(shè)計(jì)胰苏，機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的簡(jiǎn)化如圖4所示：
（1）主副臂（圖中D部分）由以前的鈑金件改為鋁型材，在減輕其重量的同時(shí)還增加其美觀(guān)度醇疼，使其在外觀(guān)上更俱美觀(guān)簡(jiǎn)約硕并，且占用空間也少。
（2）將伺服上移秧荆，一改以前伺服驅(qū)動(dòng)器裝在機(jī)械手側(cè)面的位置倔毙，使整體結(jié)構(gòu)更緊密。
（3）更換電磁閥乙濒、電氣配線(xiàn)等型號(hào)及位置陕赃，讓電氣的走路更短程，更簡(jiǎn)便颁股，電磁閥體積更小么库。
圖2 創(chuàng)新型機(jī)械手外觀(guān)圖
3.5 設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
和傳統(tǒng)機(jī)械手相比，新型節(jié)能機(jī)械手進(jìn)行了創(chuàng)新甘有，具有如下特點(diǎn)：
（1）結(jié)構(gòu)模塊化
傳統(tǒng)機(jī)械手由于結(jié)構(gòu)的模塊化程度低诉儒，導(dǎo)致工人組裝時(shí)很復(fù)雜，麻煩且效率低梧疲，因此導(dǎo)致傳統(tǒng)的機(jī)械手價(jià)格偏貴允睹，質(zhì)量參差不齊，以及在售后維護(hù)等方面造成極大的不便幌氮，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)程缭受。
（2）系統(tǒng)節(jié)能化
新型的機(jī)械手在系統(tǒng)方面進(jìn)行了改良，從源頭處進(jìn)行了節(jié)能该互，速度性能有效提升使其運(yùn)行更高效米者，以及大量改用新型的低耗能零部件，也起到了有效的節(jié)能作用宇智。
（3）驅(qū)動(dòng)小巧化
采用一拖五的安川新型伺服驅(qū)動(dòng)器蔓搞，不僅在能耗方面大幅降低，而且極大地縮小了伺服驅(qū)動(dòng)器的體積随橘。
（4）重量輕質(zhì)化
新型機(jī)械手大膽使用更多的輕質(zhì)化型材喂分，一改以往使用的笨重材料，使新型機(jī)械手更具有靈巧的身姿机蔗。
4 節(jié)能測(cè)試及效果
以校企合作單位廣東拓斯達(dá)公司的產(chǎn)品型號(hào)為EUW-80s的歐規(guī)機(jī)械手的伺服OFF功能為例進(jìn)行節(jié)電效果測(cè)試蒲祈。
伺服OFF功能：按照系統(tǒng)模式打開(kāi)機(jī)械手甘萧，無(wú)操作10分鐘后自動(dòng)關(guān)閉伺服，從而節(jié)約電能梆掸。
測(cè)試工具：HIOKI 3169-20鉗形功率計(jì)扬卷。
測(cè)試方法：電壓300V，電流5A酸钦，頻率50Hz怪得。關(guān)閉伺服OFF功能，機(jī)械手不操作卑硫，待機(jī)2小時(shí)徒恋，測(cè)量其累積功率；打開(kāi)伺服OFF功能欢伏，機(jī)械手不操作因谎，待機(jī)2小時(shí)，測(cè)量其累積功率颜懊；對(duì)比兩種狀態(tài)下的累積功率，計(jì)算出伺服OFF功能節(jié)電效果风皿。
測(cè)試精度：累積功率精度±1dgt河爹。
測(cè)試數(shù)據(jù)：
（1）關(guān)閉伺服OFF功能，機(jī)械手不操作桐款，待機(jī)2小時(shí)咸这，其累積功率為WP1=0.22kWh；
（2）開(kāi)啟伺服OFF功能魔眨，機(jī)械手不操作媳维，待機(jī)2小時(shí)，其累積功率為WP2=0.115kWh遏暴。
結(jié)果分析：
從測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出開(kāi)啟伺服OFF功能侄刽，節(jié)約的累積功率WP＝WP1-WP2＝0.105kWh，節(jié)電百分比為WP/WP1＝47.73%朋凉。
經(jīng)過(guò)對(duì)多個(gè)型號(hào)的機(jī)械手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試州丹，從表2創(chuàng)新型機(jī)械手的功率對(duì)比表中（其中：s表示雙臂；W表示雙截杂彭；AD表示驅(qū)動(dòng)方式為氣動(dòng)墓毒；MD表示驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)）可以看出節(jié)能效果顯著，節(jié)能總體效果最大可以達(dá)到30%亲怠，如果是在現(xiàn)代大型制造企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中成百上千的機(jī)械手同時(shí)連續(xù)工作所计，節(jié)能節(jié)電效果將非常可觀(guān)团秽，可以極大節(jié)約企業(yè)的用電成本主胧。
5 結(jié)束語(yǔ)
機(jī)械手在工業(yè)企業(yè)受歡迎的重要原因就是能提高生產(chǎn)效率叭首、降低人工成本，將節(jié)能設(shè)計(jì)理念在機(jī)械手中的應(yīng)用進(jìn)行分析讥裤，具有一定的實(shí)際意義放棒。發(fā)展節(jié)能技術(shù)、研發(fā)節(jié)能產(chǎn)品是大勢(shì)所趨己英，只有這樣才能節(jié)約資源间螟，降低能耗，減少污染损肛，同時(shí)保護(hù)好生活環(huán)境和自然環(huán)境厢破。新型節(jié)能機(jī)械手將越來(lái)越廣泛地進(jìn)入生產(chǎn)生活中的各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)械及自然三者的和諧可持續(xù)發(fā)展治拿。
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