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(lái)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(dòng)化生產(chǎn)水平。助力機(jī)械手作為一種簡(jiǎn)易、或過(guò)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(dòng)強(qiáng)度大和需要頻繁搬運(yùn)重物的場(chǎng)合，能夠?yàn)槠髽I(yè)有效提升工作效率，減少勞動(dòng)定員和減輕員工勞動(dòng)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(chǎng)合，并對(duì)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(dòng)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(dòng)化設(shè)備—助力機(jī)械手應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)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(dòng)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(guó)的助力機(jī)械手行業(yè)相對(duì)起步較晚，但發(fā)展相當(dāng)迅速。中國(guó)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(shuō)是中國(guó)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(guó)家新產(chǎn)業(yè)政策、產(chǎn)業(yè)方向的確定，尤其是國(guó)家對(duì)環(huán)保、安全以及重體力勞動(dòng)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(guó)較發(fā)達(dá)地區(qū)和省份。由于我國(guó)氣動(dòng)技術(shù)相對(duì)成熟，而且氣動(dòng)助力機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、可以在復(fù)雜環(huán)境下工作、設(shè)計(jì)制造相對(duì)容易等諸多特點(diǎn)，所以氣動(dòng)助力機(jī)械手已經(jīng)成為我國(guó)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(guó)整個(gè)助力機(jī)械手市場(chǎng)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(dòng)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(gòu)買、儲(chǔ)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(duì)環(huán)境無(wú)污染；③氣動(dòng)反應(yīng)快，動(dòng)作迅速，維護(hù)簡(jiǎn)單，管路不易堵塞；④氣動(dòng)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)助力機(jī)械手以壓縮空氣作為動(dòng)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(shí)，氣動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(guò)大，因而輸出功率小。氣動(dòng)助力機(jī)械手的第一條和第二條缺點(diǎn)可以通過(guò)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(wèn)題不能使工作氣壓無(wú)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(dòng)助力機(jī)械手的使用場(chǎng)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(chǎng)合。一般來(lái)說(shuō)，氣動(dòng)助力機(jī)械手的負(fù)荷以不超過(guò)200 kg為宜。隨著各行各業(yè)對(duì)各種助力機(jī)械的使用要求越來(lái)越高，使用范圍越來(lái)越廣，體力勞動(dòng)力成本越來(lái)越高、體力勞動(dòng)者資源越來(lái)越缺乏，特別是在所搬運(yùn)物體負(fù)載超過(guò)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(dòng)助力機(jī)械手的不足，拓寬了助力機(jī)械手的應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)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(dòng)可保障物體在移動(dòng)或上升降落過(guò)程中均衡、平穩(wěn)，機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)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(wú)重力化浮動(dòng)狀態(tài)，使操作者對(duì)物體實(shí)施搬運(yùn)時(shí)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(dòng)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(guò)載能力強(qiáng)，而且傳動(dòng)比分級(jí)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(dòng)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(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低等特點(diǎn)，而且定位精度更高。

傳動(dòng)裝置通常選用螺桿副傳動(dòng)。螺桿副傳動(dòng)可以很好地實(shí)現(xiàn)垂直升降，具有運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向功能和可靠的自鎖功能、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于承載力較大的場(chǎng)合，可選用滾珠絲桿傳動(dòng)。滾珠絲桿與滑動(dòng)螺桿相比摩擦力小，能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率，能節(jié)省電能，而且傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)速度可以更快。選用滾珠絲桿傳動(dòng)時(shí)需使用剎車電機(jī)，以保障傳動(dòng)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(gè)平衡缸會(huì)有兩個(gè)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(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)，空載平衡是平衡吊上無(wú)負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)的平衡狀態(tài)。不管是哪種平衡狀態(tài)，物體會(huì)處于靜止，這時(shí)只需一個(gè)很小的外力就能實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)動(dòng)作。利用平衡缸的這個(gè)原理，可以提高工作效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。并且平衡缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組成部分少，造價(jià)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(chǎng)環(huán)境、物體重量、物體升降和搬運(yùn)的距離和范圍設(shè)計(jì)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(lái)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(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)、定位精度等設(shè)計(jì)和制造，要求夾持物體可靠、穩(wěn)定，且不能對(duì)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(dòng)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(jì)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(dòng)控制元件高度集成。電氣和氣動(dòng)控制的合成智能化，使得操作者操作簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)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(huì)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(dòng)切換和手動(dòng)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(shí)，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(dòng)和電動(dòng)保護(hù)中設(shè)計(jì)有相應(yīng)的安全控制措施，保證無(wú)法吊裝超負(fù)荷的物體。

（4）為防止在搬運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)卸料誤操作，助力機(jī)械手具有承重檢測(cè)或雙鍵按鈕同時(shí)操作的情況下，工件夾持器才能松開卸載。

（5）對(duì)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(shí)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(shí)，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(wú)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(chǎng)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(dòng)過(guò)程中的每一個(gè)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(chǎng)操作人員的健康、安全，以及其作業(yè)合理性、勞動(dòng)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(lái)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(chǎng)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(chǎng)環(huán)境更為復(fù)雜的場(chǎng)合下設(shè)計(jì)和制造出來(lái)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(duì)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(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電器柜等組裝生產(chǎn)線的應(yīng)用更具有無(wú)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(dòng)和定位大多采用了氣動(dòng)機(jī)械手，而車身外殼、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、座椅等的移動(dòng)、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(dòng)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(gè)工序的高度自動(dòng)化，助力機(jī)構(gòu)選用氣電一體化助力機(jī)械手無(wú)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(dòng)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(chǎng)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(duì)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(wèn)題?？傊?，在氣動(dòng)助力機(jī)械手受限的場(chǎng)合，都能夠用氣電一體化助力機(jī)械手進(jìn)行替代。

我國(guó)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(guó)內(nèi)助力機(jī)械手制造廠商主要生產(chǎn)的和國(guó)內(nèi)各行各業(yè)所采用的基本上都是氣動(dòng)式機(jī)械手。隨著輪胎生產(chǎn)的自動(dòng)化、半自動(dòng)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(dòng)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(guó)）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(guó)營(yíng)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(jì)與制造工作。

2016-09-12