摘 要: 在對(duì)目前機(jī)械手的研究背景和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用三維軟件SolidWorks進(jìn)行了一種新型節(jié)能機(jī)械手的設(shè)計(jì)。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(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化等方面，對(duì)新型節(jié)能機(jī)械手設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和改進(jìn)之處進(jìn)行闡述，同時(shí)還對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了節(jié)能測(cè)試，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，表明節(jié)能節(jié)電效果非常可觀，說明開展機(jī)械手節(jié)能設(shè)計(jì)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和可行性，對(duì)我國(guó)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(jī)械手；設(shè)計(jì)；伺服電機(jī)
1引言
節(jié)能是當(dāng)今時(shí)代的重要話題,中國(guó)已經(jīng)成為世界節(jié)能和新能源利用第一大國(guó)，國(guó)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(jìn)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大[1]。 李克強(qiáng)總理在2018年政府工作報(bào)告中指出今年發(fā)展預(yù)期目標(biāo)是單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降3%以上，我們要攜手行動(dòng)，建設(shè)天藍(lán)、地綠、水清的美麗中國(guó)[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(duì)環(huán)境資源進(jìn)行保護(hù)[3]。
機(jī)械手是一種能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置[4]。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代工業(yè)機(jī)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(dòng)以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)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(dòng)化、智能化水平提升和產(chǎn)品品質(zhì)提高的體現(xiàn)[5]。
機(jī)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(jī)械手的改良與創(chuàng)新。傳統(tǒng)液壓型機(jī)械手具有工作時(shí)油溫變化影響較大；液壓元件的制造工藝水平要求較高，價(jià)格較高，使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平；消耗電量和空氣量大，運(yùn)行不穩(wěn)定等不足。因此機(jī)械手的高效節(jié)能化是發(fā)展趨勢(shì)，新型節(jié)能機(jī)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(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制作方面節(jié)能的研究較多，比如：楊冬就節(jié)能設(shè)計(jì)理念在機(jī)械制造與自動(dòng)化中的應(yīng)用進(jìn)行分析,包括機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化、制造過程的優(yōu)化、自動(dòng)化調(diào)整、自動(dòng)化控制等內(nèi)容[6]；范敬偉對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理及其應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，指出需要開展機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能,對(duì)我國(guó)的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行完善和改進(jìn),有效地降低機(jī)械設(shè)備使用中的能源消耗[7]；楊松松等淺析機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化節(jié)能設(shè)計(jì)理念，在機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化中添加節(jié)能設(shè)計(jì)理念，降低機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化的能耗[8]；王小梅等分析了機(jī)械制造與自動(dòng)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(duì)節(jié)能機(jī)械手設(shè)計(jì)的研究非常少，所以新型節(jié)能機(jī)械手的設(shè)計(jì)很有新意。
目前在世界上形成了以日本、美國(guó)和歐盟在新型機(jī)械手技術(shù)領(lǐng)域三足鼎立的局面。在國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)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(jī)械手的應(yīng)用主要以汽車制造業(yè)為主，目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的總體水平和國(guó)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(duì)較低，但隨著資金投入力度和技術(shù)研發(fā)力度的加大，機(jī)械手的應(yīng)用在激光切割、注塑、涂膠等領(lǐng)域有所增長(zhǎng)，我國(guó)自主研制的許多新型機(jī)械手開始在電子加工、3C產(chǎn)品、醫(yī)療器械、汽配等勞動(dòng)密集型的制造業(yè)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)之路中發(fā)揮著重要作用，代表性的有新松和拓斯達(dá)等上市公司的產(chǎn)品。
3 新型節(jié)能機(jī)械手的設(shè)計(jì)
隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)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(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。
新型節(jié)能機(jī)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(jī)械手本身主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成。
（1）機(jī)械手所用的驅(qū)動(dòng)方式是氣壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)相結(jié)合。氣壓驅(qū)動(dòng)方式一般由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成，特點(diǎn)是動(dòng)作迅速、氣源方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、維護(hù)方便。但難以進(jìn)行速度控制，氣壓不可太高，因此抓舉能力不高；電氣驅(qū)動(dòng)方式的電源方便，信號(hào)檢測(cè)、傳動(dòng)、處理方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，而且能采用多種靈活的控制方案。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)為主要的驅(qū)動(dòng)方式。由于電機(jī)速度高，一般需采用減速機(jī)構(gòu)。近年來在國(guó)家節(jié)能電機(jī)補(bǔ)貼政策和用戶需求的共同推動(dòng)下，高效節(jié)能的永磁同步電機(jī)越來越得到重視，其裝備比例越來越大[10]。永磁同步電機(jī)可以保證設(shè)備控制的準(zhǔn)確，節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、增加企業(yè)效益。設(shè)計(jì)中節(jié)能伺服電機(jī)選擇安川伺服電機(jī)Σ-7系列SGM7J型，屬于中慣量高轉(zhuǎn)速永磁同步電機(jī)，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(dòng)各種機(jī)械的進(jìn)給軸。最大可承受30倍負(fù)載不發(fā)生震動(dòng)，即使運(yùn)行中負(fù)載發(fā)生變化，也能夠穩(wěn)定運(yùn)行。優(yōu)化電磁回路后，提高了伺服電機(jī)的效率，降低了發(fā)熱，可在嚴(yán)酷環(huán)境下使用且節(jié)能的伺服電機(jī)。
（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(hào)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(jī)等必需的簡(jiǎn)易定位，高速計(jì)數(shù)器的測(cè)量和測(cè)長(zhǎng)，變頻控制的串行通信控制等，由CPU獨(dú)立控制，可最大限度減少設(shè)備成本。CP系列包括價(jià)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(jì)數(shù)器功能后，還可用于控制標(biāo)貼進(jìn)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(jì)周期。
（3）治具是一個(gè)木工、鉗工、鐵工、機(jī)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(dòng)作的一種工具。治具可以分為工藝裝配類治具、項(xiàng)目測(cè)試類治具和線路板測(cè)試類治具三類。本設(shè)計(jì)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(jī)械手的組成單元
圖2為創(chuàng)新型機(jī)械手外觀圖，具體單元部件：
（1）新型機(jī)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(jī)、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(jī)、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(shì)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(dòng)器、電路板等。
3.3 有效節(jié)能部件
設(shè)計(jì)中可以有效達(dá)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(gè)絲以內(nèi)（15個(gè)毫米），有效減少了電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)中滑塊與導(dǎo)軌之間的摩擦，不僅延長(zhǎng)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(jī)。此電機(jī)的轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比是5：1，恰當(dāng)?shù)厥褂么朔N型號(hào)的機(jī)械手，在保障滿足其額定負(fù)載的前提下搭配使用，不僅節(jié)省了電量的消耗，而且運(yùn)行更平穩(wěn)快速。
C部分為自主設(shè)計(jì)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(shí)還想方設(shè)法減少其面積，使其精致化，模塊化。
3.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的簡(jiǎn)化
采用3D軟件SolidWorks 2015進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的簡(jiǎn)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(shí)還增加其美觀度，使其在外觀上更俱美觀簡(jiǎn)約，且占用空間也少。
（2）將伺服上移，一改以前伺服驅(qū)動(dòng)器裝在機(jī)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(hào)及位置，讓電氣的走路更短程，更簡(jiǎn)便，電磁閥體積更小。
圖2 創(chuàng)新型機(jī)械手外觀圖
3.5 設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
和傳統(tǒng)機(jī)械手相比，新型節(jié)能機(jī)械手進(jìn)行了創(chuàng)新，具有如下特點(diǎn)：
（1）結(jié)構(gòu)模塊化
傳統(tǒng)機(jī)械手由于結(jié)構(gòu)的模塊化程度低，導(dǎo)致工人組裝時(shí)很復(fù)雜，麻煩且效率低，因此導(dǎo)致傳統(tǒng)的機(jī)械手價(jià)格偏貴，質(zhì)量參差不齊，以及在售后維護(hù)等方面造成極大的不便，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)程。
（2）系統(tǒng)節(jié)能化
新型的機(jī)械手在系統(tǒng)方面進(jìn)行了改良，從源頭處進(jìn)行了節(jié)能，速度性能有效提升使其運(yùn)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(dòng)小巧化
采用一拖五的安川新型伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的體積。
（4）重量輕質(zhì)化
新型機(jī)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(jī)械手更具有靈巧的身姿。
4 節(jié)能測(cè)試及效果
以校企合作單位廣東拓斯達(dá)公司的產(chǎn)品型號(hào)為EUW-80s的歐規(guī)機(jī)械手的伺服OFF功能為例進(jìn)行節(jié)電效果測(cè)試。
伺服OFF功能：按照系統(tǒng)模式打開機(jī)械手，無操作10分鐘后自動(dòng)關(guān)閉伺服，從而節(jié)約電能。
測(cè)試工具：HIOKI 3169-20鉗形功率計(jì)。
測(cè)試方法：電壓300V，電流5A，頻率50Hz。關(guān)閉伺服OFF功能，機(jī)械手不操作，待機(jī)2小時(shí)，測(cè)量其累積功率；打開伺服OFF功能，機(jī)械手不操作，待機(jī)2小時(shí)，測(cè)量其累積功率；對(duì)比兩種狀態(tài)下的累積功率，計(jì)算出伺服OFF功能節(jié)電效果。
測(cè)試精度：累積功率精度±1dgt。
測(cè)試數(shù)據(jù)：
（1）關(guān)閉伺服OFF功能，機(jī)械手不操作，待機(jī)2小時(shí)，其累積功率為WP1=0.22kWh；
（2）開啟伺服OFF功能，機(jī)械手不操作，待機(jī)2小時(shí)，其累積功率為WP2=0.115kWh。
結(jié)果分析：
從測(cè)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(duì)多個(gè)型號(hào)的機(jī)械手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，從表2創(chuàng)新型機(jī)械手的功率對(duì)比表中（其中：s表示雙臂；W表示雙截；AD表示驅(qū)動(dòng)方式為氣動(dòng)；MD表示驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)）可以看出節(jié)能效果顯著，節(jié)能總體效果最大可以達(dá)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(jī)械手同時(shí)連續(xù)工作，節(jié)能節(jié)電效果將非常可觀，可以極大節(jié)約企業(yè)的用電成本。
5 結(jié)束語
機(jī)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(jì)理念在機(jī)械手中的應(yīng)用進(jìn)行分析，具有一定的實(shí)際意義。發(fā)展節(jié)能技術(shù)、研發(fā)節(jié)能產(chǎn)品是大勢(shì)所趨，只有這樣才能節(jié)約資源，降低能耗，減少污染，同時(shí)保護(hù)好生活環(huán)境和自然環(huán)境。新型節(jié)能機(jī)械手將越來越廣泛地進(jìn)入生產(chǎn)生活中的各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)械及自然三者的和諧可持續(xù)發(fā)展。
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