關(guān)于工業(yè)機械手概念設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)的分析

趙竹強

(山東百特電機電器有限公司，山東 煙臺 265718)

0 前言

工業(yè)機械手屬于機械技術(shù)與電子技術(shù)融合的產(chǎn)物，其被廣泛應(yīng)用于高新產(chǎn)業(yè)之中，發(fā)揮著極為重要的作用，能夠大幅提升生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化管理。因此，工業(yè)機械手的設(shè)計成為解決工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵，在實際的產(chǎn)品設(shè)計中必須要掌握關(guān)鍵技術(shù)，切實提升設(shè)計的專業(yè)性、技術(shù)性和功能性，使其應(yīng)用的適用性得到提升。同時，工業(yè)機械手作為技術(shù)融合的產(chǎn)物，覆蓋了機械設(shè)計、氣動設(shè)計及電控設(shè)計，因此是一門持續(xù)發(fā)展的尖端科技，其概念設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)將成為重要的拓展渠道，值得重點關(guān)注和深入研究。

1 工業(yè)機械手及概念設(shè)計

1.1 工業(yè)機械手

目前來看，工業(yè)機械手得到了廣泛的青睞和應(yīng)用，其作為一種傳統(tǒng)機械技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)的融合，具有較高的科技含量，主要用于生產(chǎn)密集型產(chǎn)品之中，并且隨著產(chǎn)品制造要求的不斷變化，其將逐步面向智能化發(fā)展格局，幫助企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化和管理的智能化，以現(xiàn)代先進生產(chǎn)技術(shù)替代傳統(tǒng)的人力操作，為工業(yè)領(lǐng)域的可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展提供驅(qū)動[1]。具體而言，工業(yè)機械手靈感源于人體上肢的運動和功能特征，其動作主要由信息參數(shù)的輸入實現(xiàn)控制，管理中比較簡單便捷，可在復(fù)雜的環(huán)境下實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作。由此，使工業(yè)機械手的應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴大，同時也對其設(shè)計工作也提出了更高要求。

1.2 概念設(shè)計

該理念于1984年由帕利和拜茨(Palh&Beitz)在其所著的《工程設(shè)計》中被提出，經(jīng)過數(shù)十年的研究、創(chuàng)新和發(fā)展，對于概念設(shè)計的界定也更為清晰，即：在確定任務(wù)后，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑捌浣M合等，確定出基本求解路徑，得出求解方案?？傮w而言，概念設(shè)計旨在依據(jù)產(chǎn)品生命周期中各階段要求，實施產(chǎn)品功能的分解、創(chuàng)造及實現(xiàn)等，從而生成最佳的設(shè)計方案，完成產(chǎn)品生產(chǎn)的可行性求解，構(gòu)建完善的產(chǎn)品及系統(tǒng)設(shè)計方案。事實上，概念設(shè)計的核心在于設(shè)計發(fā)散與創(chuàng)新的過程，在設(shè)計中不斷直面問題求解，竭力滿足技術(shù)目標(biāo)、經(jīng)濟目標(biāo)和應(yīng)用目標(biāo)，實現(xiàn)設(shè)計方案的優(yōu)選，體現(xiàn)出較強的藝術(shù)性、綜合性、創(chuàng)造性及經(jīng)驗性等特征。

2 工業(yè)機械手概念設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

伴隨工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，依托工業(yè)機械手概念設(shè)計的要求，主要涉及系統(tǒng)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計、產(chǎn)品特征知識設(shè)計、智能化設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)[2]。并且，各種概念設(shè)計之間并非完全孤立的，而是在不同的階段產(chǎn)生聯(lián)系，全面保障產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，使之具備更高的應(yīng)用價值。

2.1 系統(tǒng)化設(shè)計

系統(tǒng)化設(shè)計是工業(yè)機械手設(shè)計的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)其功能的核心部分，系統(tǒng)化設(shè)計的特點是利用設(shè)計視為若干設(shè)計要素所構(gòu)成的完整系統(tǒng)，且各設(shè)計要素之間具有獨立性，能夠?qū)崿F(xiàn)要素間的廣泛聯(lián)系和體現(xiàn)明確的層次性，當(dāng)所有要素結(jié)合后便可實現(xiàn)具體的操作任務(wù)。

2.2 結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計

所謂結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計是先進的設(shè)計方法，即在定義設(shè)計任務(wù)后對其實施分解，充分考慮各任務(wù)之間對產(chǎn)品的功能，針對各部分之間的協(xié)調(diào)問題求解，如此便可以在規(guī)范階段消除設(shè)計中存在的矛盾，實現(xiàn)生產(chǎn)能力、費用支出的早期預(yù)測，確保在開發(fā)設(shè)計中具備可調(diào)整性，以此提升產(chǎn)品設(shè)計的效率與可靠性，全面實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計成本的控制。

2.3 產(chǎn)品特征知識設(shè)計

其特點是基于計算機對語言描述的識別能力，獲取產(chǎn)品的特征及設(shè)計領(lǐng)域的專業(yè)知識及經(jīng)驗，對應(yīng)地建立知識庫及推理機制，再結(jié)合該領(lǐng)域現(xiàn)有的知識實現(xiàn)輔助推理，以更好地實現(xiàn)設(shè)計方案的驗證與判斷，優(yōu)化工業(yè)機械手的整體設(shè)計方案。

2.4 智能化設(shè)計

智能化設(shè)計主要基于設(shè)計方法學(xué)理論，依托現(xiàn)代科技與軟件技術(shù)，如三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等技術(shù)，以及應(yīng)用多媒體、超媒體等實施產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計、產(chǎn)品構(gòu)思表達及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)描述，以實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計的智能化，使工業(yè)機械手能夠更適應(yīng)現(xiàn)實生產(chǎn)及未來發(fā)展需求。

3 工業(yè)機械手概念設(shè)計的應(yīng)用分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于工業(yè)機械手設(shè)計的基本方法，其結(jié)構(gòu)一般采取模仿工人搬運的方式，對工業(yè)機械手的動態(tài)功能實施設(shè)計，通常由底座、大臂、小臂和爪子等主要部分構(gòu)成，具體形態(tài)如圖1所示。

圖1 工業(yè)機械手結(jié)構(gòu)

從工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)看，底座屬于其基礎(chǔ)部件，一般發(fā)揮著其余各部件的承載作用，如執(zhí)行機械及驅(qū)動系統(tǒng)等，都由底座實現(xiàn)支撐及連接。大臂則通常直接與底座相連接，同樣是承載重力的主要結(jié)構(gòu)之與，其功能是帶動機械手爪抓取產(chǎn)品，再依據(jù)操作預(yù)定軌跡運動，完成產(chǎn)品的位移或者安裝工作。小臂則是連接爪子和大臂的部件，以調(diào)整抓取姿勢及方位功能為主。爪子采取回轉(zhuǎn)型夾持式結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于其結(jié)構(gòu)相對簡單，具有制造簡便、摩擦力小及動作靈活等特點。

在工業(yè)機械手的整體設(shè)計思路上，一般采取多個自由度設(shè)計，并基于PLC系統(tǒng)來實現(xiàn)控制氣壓換向閥，使氣壓系統(tǒng)執(zhí)行機械生成不同的動作，進而實現(xiàn)其上下擺動、抓放動作及旋轉(zhuǎn)功能。具體工作方式如下：

（1）大臂主要依賴于內(nèi)部的氣壓缸推動，以保證大臂能夠完成各種動作。

（2）小臂的作用機制與大臂類似，同樣是利用內(nèi)部氣壓缸的推動，實現(xiàn)對爪子的控制，以完成相應(yīng)的抓取動作。

（3）機械爪則是依賴小臂所傳導(dǎo)的控制力，實現(xiàn)對物體的夾放作業(yè)。

（4）在完成動作后，大臂在氣壓缸的作用下，完成快速的歸位。

（5）底座則是完成支撐及旋轉(zhuǎn)作用，確保工業(yè)機械手可以指向不同的方向。

（6）大臂在氣壓缸的作用下兩次重復(fù)動作，循環(huán)上述機制。

3.2 氣壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

工業(yè)機械手設(shè)計需要依據(jù)其功能特點來實現(xiàn)，尤其是執(zhí)行機構(gòu)需要利用氣壓系統(tǒng)作為驅(qū)動，完成張開、夾持等動作，并且需要利用系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，使底座旋轉(zhuǎn)、大小臂伸縮實現(xiàn)協(xié)調(diào)或者同步，在操作的過程中要求平穩(wěn)緩慢，空載時要求快速運動，這些均需要利用PLC控制系統(tǒng)完成控制，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 工業(yè)機械手氣壓驅(qū)動系統(tǒng)

結(jié)合其系統(tǒng)工作原理，其主要構(gòu)成分為氣壓發(fā)生裝置、控制元件、執(zhí)行元件及輔助元件等構(gòu)成。其中，氣壓發(fā)生裝置即利用遠(yuǎn)動機所輸出的機構(gòu)能轉(zhuǎn)換為空氣壓力，以空氣壓縮機為主，使工業(yè)機械手氣壓缸具備相應(yīng)的壓力值，并作用于工業(yè)機械手；控制元件主要是對壓縮空氣的壓力 、流量及流向?qū)崿F(xiàn)控制，以確保執(zhí)行元件能夠依據(jù)相應(yīng)的輸出力及參數(shù)設(shè)計正常運行，通常由壓力閥、流量閥、方向閥等協(xié)同完成；執(zhí)行元件則主要是能量轉(zhuǎn)換裝置，如氣缸、馬達等元件；輔助元件由是幫助執(zhí)行的相關(guān)元件或裝置，包括過濾器、干燥器、空氣過濾器、消聲器、油霧器等構(gòu)成。比如，當(dāng)氣壓驅(qū)動系統(tǒng)啟動時，由C、B等部分完成協(xié)同伸臂動作，在抓取物品時則結(jié)合A進行，在抓取完成后再反向動作提升物品，再由D進行方向旋轉(zhuǎn)，在放置物品時則按照相反的方向操作控制。

3.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)屬于當(dāng)下主要的工業(yè)機械手控制系統(tǒng)，其能夠依賴于各類控制技術(shù)，完成對工業(yè)機械手操作的全面控制，使之能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)條件。一般而言，PLC控制系統(tǒng)可以具備如下控制能力，即順序控制、運動控制、過程控制、數(shù)據(jù)控制及通信控制。而從PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，主要由中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出模塊、電源模塊、接口模塊、通信接口、編程器及其他等部分構(gòu)成[3]。

根據(jù)工業(yè)機械手的控制要求，在設(shè)計中必須要做好各部位的控制協(xié)同設(shè)計，以工業(yè)機械手的生產(chǎn)操作需要，對各類設(shè)計參數(shù)加以調(diào)整優(yōu)化，以達到最佳的控制效果，確保工業(yè)機械手啟動后能夠流暢地由起始動作延續(xù)至結(jié)束動作，具體控制流程如圖3所示。

圖3 工業(yè)機械手操作流程

4 結(jié)語

綜上所述，伴隨工業(yè)科技的迅速發(fā)展，對工業(yè)機械設(shè)備的設(shè)計要求愈發(fā)提高。因此，在工業(yè)機械手的設(shè)計中，必須要針對其應(yīng)用的實際情況，在概念設(shè)計中解決好生產(chǎn)矛盾和問題，選取最佳的設(shè)計方案，從而保證工業(yè)機械手最大限度發(fā)揮作用。同時，從具體的設(shè)計來看，必須要以結(jié)構(gòu)設(shè)計、氣壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計，通過主要功能的完善和設(shè)計優(yōu)化，使其能夠具備更大的拓展空間，實現(xiàn)適用范圍大、定位精度高、產(chǎn)品剛度好及控制靈活等特點，滿足未來工業(yè)生產(chǎn)的需要。