摘 要: 在對目前機械手的研究背景和應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析的基礎(chǔ)上，采用三維軟件SolidWorks進行了一種新型節(jié)能機械手的設(shè)計。圍繞系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖、組成單元、有效節(jié)能部件、機械結(jié)構(gòu)的簡化等方面，對新型節(jié)能機械手設(shè)計的特點和改進之處進行闡述，同時還對產(chǎn)品進行了節(jié)能測試，通過實測數(shù)據(jù)對比分析，表明節(jié)能節(jié)電效果非常可觀，說明開展機械手節(jié)能設(shè)計具有非常重要的現(xiàn)實意義和可行性，對我國的節(jié)能減排工作產(chǎn)生很大的積極作用。
關(guān)鍵詞:節(jié)能；機械手；設(shè)計；伺服電機
1引言
節(jié)能是當(dāng)今時代的重要話題,中國已經(jīng)成為世界節(jié)能和新能源利用第一大國，國家“十三五”規(guī)劃綱要明確指出，推廣節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，促進節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大[1]。 李克強總理在2018年政府工作報告中指出今年發(fā)展預(yù)期目標(biāo)是單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降3%以上，我們要攜手行動，建設(shè)天藍、地綠、水清的美麗中國[2]。工業(yè)制造業(yè)的未來發(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, 還能對環(huán)境資源進行保護[3]。
機械手是一種能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置[4]。機械手是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代工業(yè)機器人，可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，能代替人的繁重勞動以實現(xiàn)機械化和自動化生產(chǎn)，可以減少人工和成本、提高效率和品質(zhì)、提升工廠形象，是工業(yè)制造自動化、智能化水平提升和產(chǎn)品品質(zhì)提高的體現(xiàn)[5]。
機械手的發(fā)展受到政府、行業(yè)、企業(yè)的高度重視，不斷注重于機械手的改良與創(chuàng)新。傳統(tǒng)液壓型機械手具有工作時油溫變化影響較大；液壓元件的制造工藝水平要求較高，價格較高，使用維護需要較高技術(shù)水平；消耗電量和空氣量大，運行不穩(wěn)定等不足。因此機械手的高效節(jié)能化是發(fā)展趨勢，新型節(jié)能機械手的研究和開發(fā)順理成章。
2 研究及應(yīng)用現(xiàn)狀
目前國內(nèi)對機械設(shè)計和機械制作方面節(jié)能的研究較多，比如：楊冬就節(jié)能設(shè)計理念在機械制造與自動化中的應(yīng)用進行分析,包括機械設(shè)計的優(yōu)化、制造過程的優(yōu)化、自動化調(diào)整、自動化控制等內(nèi)容[6]；范敬偉對機械設(shè)計節(jié)能基本原理及其應(yīng)用進行了相關(guān)研究，指出需要開展機械設(shè)計節(jié)能,對我國的機械設(shè)備進行完善和改進,有效地降低機械設(shè)備使用中的能源消耗[7]；楊松松等淺析機械設(shè)計及自動化節(jié)能設(shè)計理念，在機械設(shè)計及自動化中添加節(jié)能設(shè)計理念，降低機械設(shè)計及自動化的能耗[8]；王小梅等分析了機械制造與自動化中的節(jié)能方法，指出大到宏觀的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，小到每條生產(chǎn)線、每件設(shè)備都應(yīng)該將節(jié)能、環(huán)保的理念貫徹到底[9]。但具體針對節(jié)能機械手設(shè)計的研究非常少，所以新型節(jié)能機械手的設(shè)計很有新意。
目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟在新型機械手技術(shù)領(lǐng)域三足鼎立的局面。在國內(nèi)對機械手的研究與應(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，工業(yè)機械手的應(yīng)用主要以汽車制造業(yè)為主，目前我國的工業(yè)機械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的總體水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平相對較低，但隨著資金投入力度和技術(shù)研發(fā)力度的加大，機械手的應(yīng)用在激光切割、注塑、涂膠等領(lǐng)域有所增長，我國自主研制的許多新型機械手開始在電子加工、3C產(chǎn)品、醫(yī)療器械、汽配等勞動密集型的制造業(yè)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級之路中發(fā)揮著重要作用，代表性的有新松和拓斯達等上市公司的產(chǎn)品。
3 新型節(jié)能機械手的設(shè)計
隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的新型節(jié)能機械手奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。
新型節(jié)能機械手系統(tǒng)整體框圖如圖1所示
3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
機械手本身主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)三大部分組成。
（1）機械手所用的驅(qū)動方式是氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動相結(jié)合。氣壓驅(qū)動方式一般由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，特點是動作迅速、氣源方便、結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維護方便。但難以進行速度控制，氣壓不可太高，因此抓舉能力不高；電氣驅(qū)動方式的電源方便，信號檢測、傳動、處理方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，而且能采用多種靈活的控制方案。
驅(qū)動電機一般采用步進電機，直流伺服電機為主要的驅(qū)動方式。由于電機速度高，一般需采用減速機構(gòu)。近年來在國家節(jié)能電機補貼政策和用戶需求的共同推動下，高效節(jié)能的永磁同步電機越來越得到重視，其裝備比例越來越大[10]。永磁同步電機可以保證設(shè)備控制的準確，節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、增加企業(yè)效益。設(shè)計中節(jié)能伺服電機選擇安川伺服電機Σ-7系列SGM7J型，屬于中慣量高轉(zhuǎn)速永磁同步電機，功率為750W，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，可以驅(qū)動各種機械的進給軸。最大可承受30倍負載不發(fā)生震動，即使運行中負載發(fā)生變化，也能夠穩(wěn)定運行。優(yōu)化電磁回路后，提高了伺服電機的效率，降低了發(fā)熱，可在嚴酷環(huán)境下使用且節(jié)能的伺服電機。
（2）可編程序控制器選用日本歐姆龍公司的CP1H系列XA4-0DR-A型號的PLC。歐姆龍CP系列可以最大限度減少設(shè)備成本。比如傳送帶控制、組裝裝置、包裝機等必需的簡易定位，高速計數(shù)器的測量和測長，變頻控制的串行通信控制等，由CPU獨立控制，可最大限度減少設(shè)備成本。CP系列包括價格便宜且搭載了2軸脈沖輸出的CP1E-N型、搭載了4軸脈沖輸出的CP1H型。此外，組合高速計數(shù)器功能后，還可用于控制標(biāo)貼進給量等用途。通過使用功能塊創(chuàng)建程序，提高程序的沿用性，可減少客戶的程序設(shè)計周期。
（3）治具是一個木工、鉗工、鐵工、機械、電控以及其它一些手工藝品的大類工具，主要是作為協(xié)助控制位置或動作的一種工具。治具可以分為工藝裝配類治具、項目測試類治具和線路板測試類治具三類。本設(shè)計的治具中主臂產(chǎn)品夾具和副臂水口夾屬于工藝裝配類治具。
3.2 新型機械手的組成單元
圖2為創(chuàng)新型機械手外觀圖，具體單元部件：
（1）新型機械手的組成單元有：走行單元、前后單元、 主臂單元、副臂單元、伺服單元。走行單元主要部件：走行體、安川節(jié)能伺服電機、傳感器、THK 導(dǎo)軌及滑塊、拖鏈、減壓閥、電控箱等。
（2）前后單元主要部件：安川節(jié)能伺服電機、諧波減速器、THK導(dǎo)軌及滑塊、電磁閥、傳感器、回生電阻等。
（3）主臂單元主要部件：姿勢部、THK導(dǎo)軌及滑塊、鋁型材等。
（4）副臂單元主要部件：水口夾、THK導(dǎo)軌及滑塊、鋁型材等。
（5）伺服單元主要部件（伺服上移）：安川伺服驅(qū)動器、電路板等。
3.3 有效節(jié)能部件
設(shè)計中可以有效達到節(jié)能的主要部件有如圖3所示：
A部分為THK導(dǎo)軌。此導(dǎo)軌經(jīng)過研磨，精加工等技術(shù)的處理，將其平面度控制在15個絲以內(nèi)（15個毫米），有效減少了電機高速運轉(zhuǎn)中滑塊與導(dǎo)軌之間的摩擦，不僅延長了導(dǎo)軌及滑塊的使用壽命，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。此電機的轉(zhuǎn)速傳動比是5：1，恰當(dāng)?shù)厥褂么朔N型號的機械手，在保障滿足其額定負載的前提下搭配使用，不僅節(jié)省了電量的消耗，而且運行更平穩(wěn)快速。
C部分為自主設(shè)計電路板。從控制系統(tǒng)的源頭節(jié)能，在提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時還想方設(shè)法減少其面積，使其精致化，模塊化。
3.4 機械結(jié)構(gòu)方面的簡化
采用3D軟件SolidWorks 2015進行設(shè)計，機械結(jié)構(gòu)方面的簡化如圖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還增加其美觀度，使其在外觀上更俱美觀簡約，且占用空間也少。
（2）將伺服上移，一改以前伺服驅(qū)動器裝在機械手側(cè)面的位置，使整體結(jié)構(gòu)更緊密。
（3）更換電磁閥、電氣配線等型號及位置，讓電氣的走路更短程，更簡便，電磁閥體積更小。
圖2 創(chuàng)新型機械手外觀圖
3.5 設(shè)計的特點
和傳統(tǒng)機械手相比，新型節(jié)能機械手進行了創(chuàng)新，具有如下特點：
（1）結(jié)構(gòu)模塊化
傳統(tǒng)機械手由于結(jié)構(gòu)的模塊化程度低，導(dǎo)致工人組裝時很復(fù)雜，麻煩且效率低，因此導(dǎo)致傳統(tǒng)的機械手價格偏貴，質(zhì)量參差不齊，以及在售后維護等方面造成極大的不便，嚴重影響生產(chǎn)進程。
（2）系統(tǒng)節(jié)能化
新型的機械手在系統(tǒng)方面進行了改良，從源頭處進行了節(jié)能，速度性能有效提升使其運行更高效，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。
（3）驅(qū)動小巧化
采用一拖五的安川新型伺服驅(qū)動器，不僅在能耗方面大幅降低，而且極大地縮小了伺服驅(qū)動器的體積。
（4）重量輕質(zhì)化
新型機械手大膽使用更多的輕質(zhì)化型材，一改以往使用的笨重材料，使新型機械手更具有靈巧的身姿。
4 節(jié)能測試及效果
以校企合作單位廣東拓斯達公司的產(chǎn)品型號為EUW-80s的歐規(guī)機械手的伺服OFF功能為例進行節(jié)電效果測試。
伺服OFF功能：按照系統(tǒng)模式打開機械手，無操作10分鐘后自動關(guān)閉伺服，從而節(jié)約電能。
測試工具：HIOKI 3169-20鉗形功率計。
測試方法：電壓300V，電流5A，頻率50Hz。關(guān)閉伺服OFF功能，機械手不操作，待機2小時，測量其累積功率；打開伺服OFF功能，機械手不操作，待機2小時，測量其累積功率；對比兩種狀態(tài)下的累積功率，計算出伺服OFF功能節(jié)電效果。
測試精度：累積功率精度±1dgt。
測試數(shù)據(jù)：
（1）關(guān)閉伺服OFF功能，機械手不操作，待機2小時，其累積功率為WP1=0.22kWh；
（2）開啟伺服OFF功能，機械手不操作，待機2小時，其累積功率為WP2=0.115kWh。
結(jié)果分析：
從測試數(shù)據(jù)可以得出開啟伺服OFF功能，節(jié)約的累積功率WP＝WP1-WP2＝0.105kWh，節(jié)電百分比為WP/WP1＝47.73%。
經(jīng)過對多個型號的機械手進行實驗測試，從表2創(chuàng)新型機械手的功率對比表中（其中：s表示雙臂；W表示雙截；AD表示驅(qū)動方式為氣動；MD表示驅(qū)動方式為電機驅(qū)動）可以看出節(jié)能效果顯著，節(jié)能總體效果最大可以達到30%，如果是在現(xiàn)代大型制造企業(yè)的生產(chǎn)過程中成百上千的機械手同時連續(xù)工作，節(jié)能節(jié)電效果將非?？捎^，可以極大節(jié)約企業(yè)的用電成本。
5 結(jié)束語
機械手在工業(yè)企業(yè)受歡迎的重要原因就是能提高生產(chǎn)效率、降低人工成本，將節(jié)能設(shè)計理念在機械手中的應(yīng)用進行分析，具有一定的實際意義。發(fā)展節(jié)能技術(shù)、研發(fā)節(jié)能產(chǎn)品是大勢所趨，只有這樣才能節(jié)約資源，降低能耗，減少污染，同時保護好生活環(huán)境和自然環(huán)境。新型節(jié)能機械手將越來越廣泛地進入生產(chǎn)生活中的各個領(lǐng)域，實現(xiàn)人與機械及自然三者的和諧可持續(xù)發(fā)展。
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