減速器多工序機械手結構設計及成型研究

芮義皓

摘要：機械手作為當前制造工業(yè)的一個重大發(fā)展，也意味著制造工業(yè)的智能化、機械化進步，但是最初的機械手工作模式是比較單一的，雖然在一定程度上改變了人工操作的弊端，但是卻無法滿足逐漸發(fā)展的需要。因此單一的工作模式逐漸被淘汰，開始對機械手進行優(yōu)化和完善，進而提出多工序機械手，可以更加精準快速的完成多到加工工序，簡化加工過程，提高效率。本文就對減速器多工序機械手進行分析，研究其結構的設計以及成型。

Abstract： As a major development of the current manufacturing industry， the manipulator also means the intelligent and mechanized progress of the manufacturing industry， but the initial mode of the manipulator is relatively simple. Although it has changed the disadvantages of manual operation to some extent， it cannot meet the needs of gradual development. Therefore， a single working mode is gradually eliminated， and the manipulator is optimized and perfected. Then a multi-process manipulator is proposed， which can complete more and more processing steps more accurately and quickly， simplify the processing process and improve efficiency. This article analyzes the multi-process manipulator of the reducer， and studies its structural design and forming.

關鍵詞：機械手;結構設計;成型

Key words： manipulator;structural design;forming

中圖分類號：TG457.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）03-0191-02

0? 引言

機械手是當前工業(yè)、制造業(yè)領域的重要技術，也是各領域向著自動化、機械化發(fā)展的標志。隨著智能制造工業(yè)的發(fā)展，機械手作為不可獲取的機械設備，對于工業(yè)、制造業(yè)的可持續(xù)化發(fā)展具有非常重要的作用，機械手的工作效率直接影響了企業(yè)的競爭能力。多工序的機械手的提出，進一步的推動了制造工業(yè)的智能化發(fā)展，提高企業(yè)競爭力。減速器作為機械手的重要設備，也發(fā)揮著一定的作用，不論是機械手還是多工序機械手，都是離不開減速器的，本文所探索的重點也是減速器多工序機械手結構的設計和成型。

1? 多工序機械手

1.1 機械手? 機械手，也是一種人工智能操作，最早出現(xiàn)被稱之為工業(yè)機器人，代替人工繁重的勞動來實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化。工業(yè)機器人的出現(xiàn)，也就意味著智能化、機械化的生產(chǎn)。特別是一些具有危險性和污染性的操作，比如一些生產(chǎn)環(huán)境惡劣，會對人健康產(chǎn)生影響的工作。而工業(yè)機器人的運用，可以實現(xiàn)機械制造，比如電子生產(chǎn)、冶金或者原子等，更加安全，不會危害人的安全，也避免人工操作所出現(xiàn)的弊端。所以機械手的作用就是代替人的繁重勞動，提高效率。機械手的運用，不僅可以節(jié)約人工成本，也提高產(chǎn)品的品質(zhì)和安全性能。

機械手也就是相當于人的手臂，最大的區(qū)別在于靈活度和耐力度，機械手可以長時間重復同一種動作，不會疲憊，是一種高科技自動生產(chǎn)設備。機械手有執(zhí)行機構（手部、手臂、軀干）、驅(qū)動機構（液壓式、氣動式、電動式和機械式）和控制系統(tǒng)（控制工作順序、運作時間、運動速度等）三大部分構成，這里的手就是用來抓持部件，可以根據(jù)抓取的物件的具體情況選擇不同的抓取方式。

1.2 多工序機械手? 隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，傳統(tǒng)的機械手雖然也是人工智能操作，但是機械手在發(fā)展運用中，對于靈活性、精準度和作業(yè)空間也提出了更多的要求，也逐漸的改變單一的工作模式，為了進一步的滿足生產(chǎn)的需求，提高工作效率，促進制造工業(yè)的智能化發(fā)展，相關的研究者也開始利用網(wǎng)絡技術，探索多關節(jié)手臂，增加關節(jié)的數(shù)量，構造出兼有人和機器各自的優(yōu)點。比如制造業(yè)中很多企業(yè)會選擇使用機械手來進行搬運工作，需要的機械手靈活度比較高，另外也把機械手運用到加工中，并且可以做復雜的加工工序。也就是能夠讓機械手完成更多的加工工序，滿足企業(yè)的智能化需求。因此多工序機械手就被提出。

2? 減速器與多工序機械手

減速器在多工序機械手的設計制造中，具有重要的作用，多工序的設計要求：質(zhì)量輕、體積要小，傳動平穩(wěn)，具有較高的靈活性、穩(wěn)定性、安全性。一般都會在機械手的關節(jié)處安裝減速器。因為多工序機械手一般會執(zhí)行比較重復的動作，不斷的完成相同的工序，為了機械手工作的質(zhì)量，以及工藝質(zhì)量，就對多工序機械手的定位精度和重復定位精度具有一定的要求。而減速器就是多工序機械手精度的保證，并且還能傳遞更大的扭矩。在多工序機械手運行過程中，負載比較大的情況下，如果光是提高電機的功率是劃不著的，為了成本和運營效率，就會在一定的速度范圍之內(nèi)，利用減速器來提高輸出的扭矩。而且如果電機長時間的處于低頻運轉，容易發(fā)熱或者出現(xiàn)低頻震動，所以也需要減速器來保證質(zhì)量。減速器的存在讓電機在一個合適的速度下運轉，精準的將轉速降到機械手各部位所需要的速度，提高機械體剛性的同時輸出更大的力矩。

目前對于減速器的運用，主要有RV減速器和諧波減速器，諧波減速器一般都是放在小臂、腕部或者機械手的手部位置，而RV減速器一般安裝與機座、大臂和肩部等一些重負載的位置。一般多工序機械手在設計的過程中，需要根據(jù)工作機的選用條件、技術參數(shù)和動力機的性能，經(jīng)濟性等因素，比較不同類型、不同品種的減速器特點，選擇最適合的減速器。因此一般多工序機械手，都被稱之為減速器多工序機械手。

3? 減速器多工序機械手結構設計與成型

減速器多工序機械手結構設計，其主要的目的就是實現(xiàn)一臺機械手可以完成多臺機械手的工作，進一步的提高機械手的智能化。

3.1 減速器多工序機械手結構設計? 對于減速器多工序機械手結構設計，主要可以分為以下幾個部分：

3.1.1 機械手工作空間設計? 機械手工作空間，也就是機械手性能的一個設計和確定，工作空時也是衡量機械手性能的一個技術指標，所以對于機械手結構的設計，一定要基于性能來考慮空間的設計。首先需要考慮的是工作的范圍，因為是多工序，那么相比較傳統(tǒng)的機械手，必定要增加工作范圍，機械手手臂的前端位置不能過長，也不能過重，否則會影響機械手運行的穩(wěn)定性。然后是空間上設計，在上述對多工序機械手分析的時候，就提出其要質(zhì)量輕、體積小，所以空間要小。其次是除了考慮空間的形狀，還需要滿足機械手換刀系統(tǒng)，重視機械手內(nèi)部的傳動系統(tǒng)的傳動效率。

3.1.2 減速器多工序機械手結構的合理性? 在結構設計上要合理，主要包括了機械手的各個手臂的長度、厚度以及電機的選型和減速器的選擇。其中需要組要注意的是要盡最大可能的簡化各個關節(jié)和傳動機構，以此來提高穩(wěn)定性和準確性。就比如目前機械手中常用的減速機構有行星齒輪減速結構，精密齒輪減速機構，行星齒輪減速機，結構緊湊、體積小、重量輕、精密度比較高，而且壽命長，具有很大的額定輸出扭矩。而機械的手臂的長度、厚度，這些都要根據(jù)機械手的實際運用環(huán)境進行合理的確定。

3.1.3 減速器多工序機械手換刀系統(tǒng)? 換刀系統(tǒng)的設計，多工序的機械手，可以完成多種工序，比如不僅可以搬運，也能實現(xiàn)裝配、密封等工序。特別是在一些零件的加工中，對于多工序機械手實現(xiàn)了自動換刀系統(tǒng)。目前比較常見的有轉塔式換刀系統(tǒng)、帶盤式刀庫的主軸直接換刀系統(tǒng)和帶鏈式刀庫的換刀機械手換刀系統(tǒng)。換刀系統(tǒng)實在每一個工序完成之后自動的將下一工序所用的新刀具更換到主軸上。機械手的換刀系統(tǒng)是通過刀庫和機床協(xié)調(diào)完成的。

具體來講，把道具放在換刀架上，在換刀過程中，通過換刀板的左右平移實現(xiàn)道具位置的變換，實現(xiàn)換刀的目的。機械手工作中需要換刀的時候，采用前臂把刀板上刀具推到機械手中，實現(xiàn)裝卡，前臂自動回位，等到下一次換刀的時候再運行。

需要注意的是：換刀系統(tǒng)的刀具，一定要滿足刀具卡盤的要求，而且刀具的末端需要與前臂配合，并保證其能夠夾緊。此外，機械手的臂部關節(jié)沿坐標軸的運動形式，設計的時候要以關節(jié)坐標為主，模擬人工特點。

3.1.4 傳動系統(tǒng)設計? 減速器多工序機械手結構中的傳動系統(tǒng)，有氣壓傳動、電氣傳動和機械傳動，通常對傳動系統(tǒng)進行設計的時候，選擇的是各種混合驅(qū)動方式，比如常見的機電氣一體化、機械聯(lián)動等。在傳動系統(tǒng)設計中，需要考慮的是機械手的活動范圍，需要滿足360度的旋轉，肘關節(jié)的上下不同角度的轉動，腕關節(jié)的轉動，以及手部的選裝等方面。

工業(yè)機械手傳動系統(tǒng)的實際運行為：機械手傳動系統(tǒng)中，底部的傳動是通過舵機帶動聯(lián)軸器，通過聯(lián)軸器在帶動底盤，實現(xiàn)底盤的旋轉。機械手前臂的轉動可以分為換刀系統(tǒng)和加工角度。加工角度主要是電機帶動腕部關節(jié)旋轉，刀頭實現(xiàn)垂直旋轉。

3.2 減速器多工序機械手成型分析? 在完成多工序機械手設計之后，需要進行進一步的成型。對于機械的設計，是先把多工序機械手進行一個劃分，分為不同的系統(tǒng)，對各個系統(tǒng)進行一個設計和分析，最后把各個系統(tǒng)綜合，形成一個完成的多工序機械手結構。成型之后還需要對其相關指標進行分析，確定滿足實際操作質(zhì)量要求，注塑成產(chǎn)自動化專門配置的機械，并運用到實際的生產(chǎn)中。對于多工序機械手的成型，還需要進行一個分析驗證，確定相應的材料，以便后續(xù)的注塑。對機械手全面分析，比如手臂的受力，保證注塑之后的作用發(fā)揮。一般可以采用有限元法的分析，利用計算機技術，通過專業(yè)的軟件進行仿真分析，也就是在軟件中實現(xiàn)對其網(wǎng)格的劃分，然后用有限個單元體集合組成原有的模型，分析各個單元節(jié)點和節(jié)點之間的相互關系。最后再對其進行整體的分析。并且還需要對其注塑材料進行分析，確定使用哪一種材料符合要求。

3.3 減速器多工序機械手發(fā)展? 機械手的發(fā)展，可以說是車間的變革，通過機械手提高產(chǎn)品的效益，是工業(yè)制造業(yè)智能化、自動化、精密化的體現(xiàn)。但是目前機械手發(fā)展還是比較慢，處于一個初級的階段，比如對于工序上，目前基本上兩臂和三臂機械手，阻止了自動化的進程。主要的原因就是成本高，相比較已經(jīng)超過了人工成本。另一個原因就是技術水平落后，無法滿足更多的需求。

隨著市場需求的提高，還需要加強對多工序機械手的研究，加大投入力度，能夠利用當前先進的網(wǎng)絡技術，提高控制能力，積極的引進國外先進的技術和經(jīng)驗，來優(yōu)化和創(chuàng)新我國機械手的相關技術，提高技術水平。

4? 結束語

本文主要是研究減速器多工序機械手結構的設計與成型，通過對多工序機械手和減速器運用的闡述，對于其結構設計進行詳細的分析，包括了工作的空間、結構的合理性、換刀系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)。在完成結構設計之后，也簡單的做了成型分析，利用相應的軟件和技術，分析各個結構的合理性，并且確定最合適的材料。目前對于減速器多工序機械手的研究相對比較少，也需要加強研究和設計，提高機械手的運行效率，促進制造工業(yè)的智能化發(fā)展，推動行業(yè)的進步。

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