氣電一體化助力機(jī)械手概述

張林

（昆山興林精密機(jī)械制造有限公司，江蘇　蘇州　215300）

氣電一體化助力機(jī)械手概述

張林

（昆山興林精密機(jī)械制造有限公司，江蘇蘇州215300）

智能制造在橡膠加工的生產(chǎn)中占有越來越重要的地位，機(jī)器人的應(yīng)用正在不斷提升輪胎生產(chǎn)企業(yè)的自動化生產(chǎn)水平。助力機(jī)械手作為一種簡易、或過渡機(jī)器人，同樣具備人機(jī)交互能力，且特別適用于輪胎生產(chǎn)企業(yè)中的環(huán)境復(fù)雜、勞動強(qiáng)度大和需要頻繁搬運(yùn)重物的場合，能夠?yàn)槠髽I(yè)有效提升工作效率，減少勞動定員和減輕員工勞動強(qiáng)度，也能為提升輪胎質(zhì)量做出貢獻(xiàn)。本文從介紹助力機(jī)械手入手，重點(diǎn)闡述了氣電一體化助力機(jī)械手的原理、構(gòu)造和應(yīng)用場合，并對助力機(jī)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(jī)械手優(yōu)點(diǎn)

隨著科學(xué)技術(shù)技術(shù)的發(fā)展，尤其是自動化技術(shù)在各種設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用，一種新型的、能夠代替作業(yè)人員進(jìn)行笨重物體搬運(yùn)、定位和裝卸等功能的半自動化設(shè)備—助力機(jī)械手應(yīng)運(yùn)而生。國際上最早出現(xiàn)的真空式搬運(yùn)提升機(jī)械手可以追溯到20世紀(jì)70年代，氣動式助力機(jī)械手隨后得到迅速的研發(fā)和制造，并很快在各行各業(yè)得到運(yùn)用。我國的助力機(jī)械手行業(yè)相對起步較晚，但發(fā)展相當(dāng)迅速。中國最早的助力機(jī)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(jī)械手智能裝備生產(chǎn)商的先行者。但進(jìn)入本世紀(jì)以后，隨著國家新產(chǎn)業(yè)政策、產(chǎn)業(yè)方向的確定，尤其是國家對環(huán)保、安全以及重體力勞動資源的重視，相繼開辦的助力機(jī)械手制造商大量出現(xiàn)，且主要分布在我國較發(fā)達(dá)地區(qū)和省份。由于我國氣動技術(shù)相對成熟，而且氣動助力機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、可以在復(fù)雜環(huán)境下工作、設(shè)計制造相對容易等諸多特點(diǎn)，所以氣動助力機(jī)械手已經(jīng)成為我國助力機(jī)械手最典型的產(chǎn)品，也是助力機(jī)械手制造商普遍生產(chǎn)的產(chǎn)品，在我國整個助力機(jī)械手市場的占有率達(dá)到了90%以上，并廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工、食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等。

氣動助力機(jī)械手有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，即：①空氣隨處可取，取之不盡，節(jié)省了購買、儲存、運(yùn)輸介質(zhì)的費(fèi)用和麻煩；②用后的空氣直接排入大氣，對環(huán)境無污染；③氣動反應(yīng)快，動作迅速，維護(hù)簡單，管路不易堵塞；④氣動元件結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，適于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化。但事物總是一分為二的，氣動助力機(jī)械手以壓縮空氣作為動力，也有著以下明顯的缺點(diǎn)：①空氣具有可壓縮性，當(dāng)載荷變化時，氣動系統(tǒng)的動作穩(wěn)定性差；②排氣噪聲大；③工作壓力比較低，又因結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大，因而輸出功率小。氣動助力機(jī)械手的第一條和第二條缺點(diǎn)可以通過加裝平衡閥和消音器進(jìn)行一定程度上的彌補(bǔ)，但第三條缺點(diǎn)考慮到安全問題不能使工作氣壓無限制加大，而且空壓機(jī)產(chǎn)生的氣壓壓力也有限，若結(jié)構(gòu)尺寸太大則占據(jù)空間且不便于操控。因此第三條缺點(diǎn)造成了氣動助力機(jī)械手的使用場合受到限制，僅適用于被搬運(yùn)或起重的物體重量不大的場合。一般來說，氣動助力機(jī)械手的負(fù)荷以不超過200 kg為宜。隨著各行各業(yè)對各種助力機(jī)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(yùn)物體負(fù)載超過200 kg而又低于1 000 kg的情況下，一種新型的助力機(jī)械手——?dú)怆娨惑w化助力機(jī)械手的研發(fā)和制造必然出現(xiàn)。氣電一體化助力機(jī)械手在重負(fù)荷搬運(yùn)狀態(tài)下能夠彌補(bǔ)氣動助力機(jī)械手的不足，拓寬了助力機(jī)械手的應(yīng)用場合和負(fù)載范圍，具有旺盛的生命力。

2　氣電一體化助力機(jī)械手介紹

2.1氣電一體化助力機(jī)械手原理

氣電一體化助力機(jī)械手巧妙地利用減速電機(jī)和機(jī)械傳動裝置承載負(fù)荷，使搬運(yùn)物體的重量可以達(dá)到接近于1 t，機(jī)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(wěn)，機(jī)械傳動裝置的自鎖性能可以在出現(xiàn)意外的情況下實(shí)現(xiàn)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(yùn)物體和機(jī)械裝置的自重達(dá)到無重力化浮動狀態(tài)，使操作者對物體實(shí)施搬運(yùn)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(jī)械手結(jié)構(gòu)

如圖1，氣電一體化助力機(jī)械手主要由減速電機(jī)或伺服電機(jī)、傳動裝置、平衡氣缸、立柱、機(jī)械臂、以及夾持機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。

圖1　機(jī)械手照片圖

減速電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、造型美觀，承受過載能力強(qiáng)，而且傳動比分級精細(xì)，選擇范圍廣、轉(zhuǎn)速型譜寬，可適應(yīng)于不同升降速度的需要。另外，減速電機(jī)能耗低、效率高、振動小、噪音低。伺服電機(jī)除了具有減速電機(jī)具有的體積小、重量輕、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)外，更具有壽命長、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低等特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)垂直升降，具有運(yùn)動導(dǎo)向功能和可靠的自鎖功能、傳動平穩(wěn)、噪音低、結(jié)構(gòu)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(yùn)動效率，能節(jié)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(jī)，以保障傳動裝置的自鎖功能。

平衡氣缸起到平衡搬運(yùn)物體和機(jī)械臂的重量的作用。一個平衡缸會有兩個平衡點(diǎn)，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(dá)到平衡狀態(tài)，空載平衡是平衡吊上無負(fù)載時實(shí)現(xiàn)的平衡狀態(tài)。不管是哪種平衡狀態(tài)，物體會處于靜止，這時只需一個很小的外力就能實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)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(qiáng)度。并且平衡缸結(jié)構(gòu)簡單，組成部分少，造價成本低，能適合在惡劣工況環(huán)境中使用。

立柱和機(jī)械臂是助力機(jī)械手的支撐、連接機(jī)構(gòu)。需根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境、物體重量、物體升降和搬運(yùn)的距離和范圍設(shè)計制造，應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)緊湊、合理、耐用，且外形美觀。

夾持機(jī)構(gòu)用來夾持所搬運(yùn)的物體。夾持機(jī)構(gòu)夾持物體有抓、握、抱、托、吸、拿、捏、提等多種方式，根據(jù)物體的外形、重量、材質(zhì)等以及物體的提升、移動速度和運(yùn)動、定位精度等設(shè)計和制造，要求夾持物體可靠、穩(wěn)定，且不能對物體造成任何損傷。

氣電一體化助力機(jī)械手的控制系統(tǒng)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(guān)、伺服控制器等。體現(xiàn)了微電子、PLC、電子計算機(jī)、傳感技術(shù)和現(xiàn)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(shí)現(xiàn)誤操作保護(hù)，保障了人身及設(shè)備安全。

為了保障助力機(jī)械手的使用安全，助力機(jī)械手具備以下安全保護(hù)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(jī)構(gòu)等運(yùn)動部件能借助氣缸鎖、單向控制閥、轉(zhuǎn)盤剎車等其他類似裝置實(shí)現(xiàn)自鎖，保證工件不會跌落或掉落。

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

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

（4）為防止在搬運(yùn)過程中出現(xiàn)卸料誤操作，助力機(jī)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(guī)行走的助力機(jī)械手，鋁合金軌道與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)有鋼構(gòu)保護(hù)繩作為二次保護(hù)，防止軌道脫落時不至于出現(xiàn)意外。

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

3　氣電一體化助力機(jī)械手應(yīng)用領(lǐng)域

助力機(jī)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(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中的物料移載、高頻率搬運(yùn)、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(chǎn)、保管及配送等物料流動過程中的每一個環(huán)節(jié)，助力機(jī)械手都能發(fā)揮其獨(dú)到的作用，給各行業(yè)重物移載、搬運(yùn)現(xiàn)場操作人員的健康、安全，以及其作業(yè)合理性、勞動力節(jié)省、生產(chǎn)效率提高、產(chǎn)品品質(zhì)的保障等多方面帶來極大的改善。氣電一體化助力機(jī)械手作為隨著科技發(fā)展和順應(yīng)市場要求，在傳統(tǒng)的助力機(jī)械手基礎(chǔ)上進(jìn)一步適應(yīng)高負(fù)載、現(xiàn)場環(huán)境更為復(fù)雜的場合下設(shè)計和制造出來的新型助力機(jī)械手，其應(yīng)用領(lǐng)域除了普通助力機(jī)械手所涉及的領(lǐng)域之外，對于化工、冶金、輪胎制造、工程機(jī)械制造、建筑、造紙、包裝等行業(yè)以及家電、電動機(jī)、發(fā)動機(jī)、電器柜等組裝生產(chǎn)線的應(yīng)用更具有無與倫比的優(yōu)越性。

現(xiàn)代汽車制造工廠的焊接生產(chǎn)線，焊接工具的移動和定位大多采用了氣動機(jī)械手，而車身外殼、發(fā)動機(jī)、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(jī)械手即氣電一體化助力機(jī)械手。在彩電、冰箱、電動機(jī)及發(fā)電機(jī)的裝配生產(chǎn)線上，由于本體和組裝部件通常需要翻轉(zhuǎn)和移位，為了完成整個工序的高度自動化，助力機(jī)構(gòu)選用氣電一體化助力機(jī)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(yùn)輸線上抓取并移送到電控柜內(nèi)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(jī)械手。輪胎行業(yè)中的胎面、胎側(cè)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(chǎn)線都需要重型料卷或工裝的裝卸定位，物料運(yùn)送的現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，而氣電一體化助力機(jī)械手的應(yīng)用均能一一滿足助力、省力的要求。冶金行業(yè)中的鋼包鐵水運(yùn)輸和澆注，對平穩(wěn)性和速度的均勻要求極高，應(yīng)用氣電一體化助力機(jī)械手可以很好地解決問題?？傊跉鈩又C(jī)械手受限的場合，都能夠用氣電一體化助力機(jī)械手進(jìn)行替代。

我國的助力機(jī)械手制造業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快，而目前的國內(nèi)助力機(jī)械手制造廠商主要生產(chǎn)的和國內(nèi)各行各業(yè)所采用的基本上都是氣動式機(jī)械手。隨著輪胎生產(chǎn)的自動化、半自動化水平的逐年提高，氣電一體化助力機(jī)械手的開發(fā)和制造順應(yīng)了輪胎生產(chǎn)廠生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備改造的要求，適用于提高工效、保障安全和減輕勞動強(qiáng)度的多種用途。氣電一體化助力機(jī)械手目前已經(jīng)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(chǎn)外資企業(yè)和國營大型企業(yè)中成功應(yīng)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(chǎn)輔助機(jī)械的設(shè)計與制造工作。

2016-09-12