論同步帶機械手結構特點及在醫(yī)療行業(yè)中的應用

摘要：機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設備，它最大的特點是可以很容易地實現(xiàn)一定空間范圍內(nèi)任意坐標點的準確定位及作業(yè)的能力，從而很方便地代替人類高強度的勞動，提高了操作的準確性和作業(yè)的效率。文章對同步帶機械手結構特點及在醫(yī)療行業(yè)中的應用進行了探討。

關鍵詞：同步帶；機械手；結構特點；醫(yī)療行業(yè)；自動化；準確性 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP241 文章編號：1009-2374（2017）03-0043-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.019

1 概述

如圖1所示為很常用的三軸機械手使用的案例，此案例機械部分是由X軸、Y軸、Z軸及一電動夾爪組成，其中X軸、Y軸主要是由直線導軌、同步帶傳動組件、閉環(huán)步進電機及固定座等組成；Z軸則采用了小型的自潤滑絲桿滑臺構成；電動夾爪采用了SMC的產(chǎn)品。整體結構很簡單，制作成本較低，同時同步帶不像絲桿受其本身直徑及螺距的影響，它直接通過電機傳動同步輪帶動同步帶動作，其速度只取決于電機的轉(zhuǎn)速及同步輪的直徑大??；在醫(yī)療設備行業(yè)，其面對加工的產(chǎn)品很多都是較輕的，產(chǎn)品的量較大，對生產(chǎn)的節(jié)拍要求高，而同步帶機械手特點就是高速、適合長行程及負載較輕的情況下使用，因此隨著醫(yī)療設備自動化智能化的不斷發(fā)展，同步帶機械手的應用也隨之越來越廣泛了。

2 圖1所示機械手各機構說明

2.1 Y軸

Y軸如圖1所示，主要是由直線滑軌、同步帶、傳動用同步輪及軸承、轉(zhuǎn)動軸及安裝座以及傳動步進電機等組成。

2.1.1 由于此Y軸是固定不動的部分，其他軸要依附此軸進行相對的移動，所以此軸考慮負載情況下采用了雙滑軌設計，來保證整個機械手的強度及穩(wěn)定性，此軌道采用臺灣上銀HIWIN Q1系列靜音直線滑軌，此滑軌具有以下特點：（1）此滑軌采用了低噪音設計：利用同步聯(lián)結器可使?jié)L珠均勻等間隔的排列，滾珠與滾珠間的相互撞擊金屬聲消失，尖銳的高頻聲音強度從而得到了有效的降低；（2）自潤滑的設計：無需加油，其同步聯(lián)接器在中間的間隔部設計有儲油的空間，可供給鋼珠在運行時潤滑之需要，且在經(jīng)過方向回轉(zhuǎn)部時，能夠?qū)櫥途鶆虻匮a充，儲油的頻率可有效地減少，在出廠時添加高性能的潤滑油脂，在正常的使用上無需進行加油維護；（3）運動平順度好：此滑軌由于具有同步聯(lián)結器，將同一循環(huán)內(nèi)的所有鋼珠串聯(lián)在了一起，所以當滑塊開始運動時，所有鋼珠幾乎同時啟動，且在鋼珠間并無來回的碰撞，在保持一定的運動慣性下，摩擦阻力的變動幅度能有效地減少；（4）高速性好：通過同步聯(lián)接器的間隔部設計使得滾珠與滾珠間的相互摩擦消失，且HIWIN的專利設計使得滾珠與同步聯(lián)接器之間為環(huán)形線接觸，可減少兩者間接觸面積，進而有效降低摩擦阻力，使得此靜音式線性滑軌具有卓越的高速性能。

以上滑軌的選用克服了潤滑維護造成污染環(huán)境的問題，降低了噪音，能進行快帶作業(yè)的能力。

2.1.2 同步帶采用MISUMI的標準S3M橡膠高扭矩同步帶，保證皮帶的強度，使皮帶的壽命盡可能長，減少機械手的維護，從而降低機械手的維護成本，同時使用同步帶可以避免傳動時產(chǎn)生噪音，消除傳動的間隙，保證運動的精度。

2.1.3 鋁合金同步輪、深溝球軸承等標準件則按機械手冊標準型號購買國內(nèi)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，在保證質(zhì)量的前提下降低成本；其他的轉(zhuǎn)軸及固定座等加工件按工藝需求選用適用的材料進行加工制作，在保證質(zhì)量的前提下，盡可能選用密度較輕的材料如鋁合金等常用材料制作，減輕機械手的重量，降低機械手電機的負荷提高機械手運行的平穩(wěn)度及精度等。

2.1.4 傳動電機采用含編碼器、驅(qū)動器一體的步進電機，盡可能使機械手小型化，步進電機采用日本SanRex（三社）電機。

2.2 X軸

X軸整個為固定在Y軸的雙滑軌滑塊上，通過Y軸的移動從而實現(xiàn)X軸的Y向移動，其組成包含有直線滑軌、同步帶、傳動用同步輪及軸承、轉(zhuǎn)動軸及安裝座以及傳動步進電機等。

2.2.1 X軸上的負載由于較輕，所以只采用了一根滑軌，其所選用的型號同Y軸使用的一樣。

2.2.2 同步帶、傳動用同步輪及軸承這些也同Y軸一樣，盡可能通用，從而更能實現(xiàn)產(chǎn)品加工件的批量化，大大降低加工件的成本，提升產(chǎn)品的競爭力。

2.2.3 轉(zhuǎn)動軸及安裝座，其中安裝座直接采用不銹鋼制作，利用激光切割工藝，在一個面上直接進行各標準件的安裝孔加工，然后進行各元件的裝配，采用好鈑金件能大大提高產(chǎn)品制作的效率，減輕重量，節(jié)省

空間。

2.2.4 步進電機的選用同Y軸。

2.3 Z軸

Z軸是三軸中負載最輕的一個軸，同時也是最緊湊的一個軸，主要由滑軌、直線電機及安裝座等組成。

2.3.1 滑軌采用同X、Y軸同樣的系列，在此不再重復敘述了。

2.3.2 直線電機采用易格絲品牌，其中的直線電機的螺母采用自潤滑的工程塑料，從而避免了潤滑維護，為客戶降低了維護成本，減少了對環(huán)境的污染，同時由于采用了塑料螺母，因而也大大降低了運動時所產(chǎn)生的噪音，從而盡可能減少對周圍人員的干擾。

2.3.3 安裝座采用鋁合金制作，盡可能減少機械手的重量。

2.4 夾爪

夾爪采用SMC的小型電動夾爪，夾爪的重量約為250克，夾持小工件時能通過控制器設置夾緊行程，并通過夾緊力的判斷來確定是否夾有工件，夾好了沒有，從而能實現(xiàn)機械手抓取工件的智能化。

3 此案例的機械手動作說明

此案例的機械手是最常用的最普通的機械手之一，機械手動作主要是由PLC程序通過X、Y、Z三軸的快速插補來對目標進行走位控制并準確抓取工件，由于工件的位置分布不同，所以機械手插補走位的方式也不一樣，X、Y軸插補走位的方式有如下三種：（1）X軸方向無障礙物，Y軸方向有部分障礙，則X軸先動作避開Y軸的障礙物后，再Y軸動作到達目標位置；（2）X軸方向有部分障礙物，Y軸方向無障礙，則Y軸先動作避開X軸的障礙物后，再X軸動作到達目標位置；（3）X軸方向無障礙物，Y軸方向無障礙，則X、Y軸一起動，走斜線直達目標位置。

Z軸則是對夾爪進行提升的動作，當夾爪抓住工件后，Z軸將夾爪進行提升并最終通過XY軸移動到目的地后，再通過Z軸下落，夾抓放開工件從而完成抓取作業(yè)的整個流程。

4 同步帶機械手的優(yōu)缺點

4.1 同步帶機械手的優(yōu)點

4.1.1 工作時同步帶無滑動，傳動比很準確，從而保證了機械手在動作過程中的準確找位。

4.1.2 同步帶是屬于無滑動傳動，所以同步帶機械手有很高的傳動效率，一般同步帶的傳動效率可達到98%左右。

4.1.3 同步帶傳動速度快，由于其傳動比范圍較大，從而傳動的速度也可以做得很高，此傳動主要是通過同步輪的分度圓直徑大小及電機的傳動比來決定其傳動的最終速度，同步帶傳動的傳動比一般可以達到10左右，所以通過此同步帶的傳動可以實現(xiàn)機械手的高速行走功能。

4.1.4 同步帶機械手維護保養(yǎng)方便，運轉(zhuǎn)費用低，同步帶在運轉(zhuǎn)過程中不需要任何的潤滑，所以在保養(yǎng)方面是較方便的。

4.1.5 同步帶傳動噪音較低，由于同步帶與同步輪在嚙合時是無間隙的，所以其傳動時產(chǎn)生的噪音也將十分小，很適合在低噪音的環(huán)境中使用。

4.1.6 同步帶由于是主要由橡膠或聚胺脂構成，材質(zhì)較軟，所以在機械手運行過程中還能起到一定的緩沖及吸震的作用。

4.1.7 結構簡單緊湊，同步帶傳動主要組成件有主動輪、從動輪及同步帶，所以易實現(xiàn)機械手小型化。

4.2 同步帶機械手的缺點

同步帶傳動有很多的優(yōu)點，但其缺點也不少，同步帶在不斷的運行使用中會逐漸老化導致其壽命較短，由于同步帶為橡膠或聚胺脂等材料，所以如果與外部金屬材質(zhì)磨擦容易導致皮帶表面磨損的現(xiàn)象，從而大大影響皮帶的使用壽命，另外還有可能會出現(xiàn)齒剝離，跳齒及皮帶震動等不良的情況。針對同步帶機械手中同步帶的這些缺點，可以通過相對應的一些措施來避免這些不良情況的發(fā)生，延長皮帶的使用壽命，從而保證機械手的正常運行。解決以上不良問題的措施有：

4.2.1 針對同步帶的老化問題其原因一個是使用環(huán)境有油漬等易使皮帶老化的污染源存在，所以定期要對皮帶進行清潔，保持表面干凈，不受外物的侵襲

腐蝕。

4.2.2 盡量減少對皮帶的摩擦，一定要有摩擦的地方要保證與皮帶接觸的地方要非常的光滑或是采用自潤滑的塑料件，從而保證皮帶的不磨損。

4.2.3 其他的問題就要通過零件的加工制造及裝配的精度保證好，盡量減少誤差，保證傳動的順暢平穩(wěn)，從而保證同步帶機械手的正常運行，提高其運動的準確性。

5 同步帶機械手在醫(yī)療行業(yè)中的應用

在醫(yī)療行業(yè)中，受其環(huán)境的限制，它對醫(yī)療設備的限制有很多，要求低噪音，因為有很多時候噪音大會影響到患者和醫(yī)護人員的情緒；還要無污染，像有些地方有潤滑等就會產(chǎn)生油脂之類的排放在外面，從而造成環(huán)境的污染，影響環(huán)境的衛(wèi)生，造成醫(yī)用品的污染等影響病患者身體恢復等不利情況的發(fā)生；另外還要求設備盡可能要輕巧、小型化，由于醫(yī)療設備在醫(yī)院放置的地方都是有限的，而且很多時候都是要搬運到樓上去進行放置使用，所以對設備的尺寸要求較嚴，不能太大，否則不利于設備的就位；速度快也是一個很重要的要求，隨著現(xiàn)在人民的生活水平的提高，病人對看病的效率看得更加的重要，但同時可能由于病人的數(shù)量較多，所以這就要求醫(yī)療設備的效率要快，以上對醫(yī)療設備的要求特點，作為同步帶結構的機械手，正好其本身的結構特點很符合醫(yī)療設備的要求，隨著同步帶機械手不斷的更新發(fā)展，其低噪音、小型化、高速度、易維護及定位準確的這些特點使得其在醫(yī)療設備自動化中應用得越來越廣泛了，在國外的像貝克曼、羅氏及雅培等的生化檢驗流水線上檢驗設備中已有非常普遍的應用。

6 結語

本文已介紹了同步帶機械手的結構特點及其在醫(yī)療行業(yè)中的應用，此機械手結構非常簡單，已基本成為了國內(nèi)醫(yī)療設備行業(yè)中最普及的一種機械手之一，并得到了非常廣泛的應用。

參考文獻

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[4] 臺灣上銀公司.2015HIWIN資料樣本.

作者簡介：王祖清（1981-），男，湖南株洲人，廣州市創(chuàng)惠醫(yī)療科技信息有限公司自動化生產(chǎn)線項目經(jīng)理，研究方向：汽車非標自動化生產(chǎn)線集成設備及醫(yī)療智能采血管理系統(tǒng)及生化免疫檢驗系統(tǒng)自動化流水線設備的研發(fā)設計及項目工程管理。

（責任編輯：蔣建華）