引言
機(jī)械手是當(dāng)前工業(yè)、制造業(yè)領(lǐng)域的重要技術(shù)，也是各領(lǐng)域向著自動(dòng)化、機(jī)械化發(fā)展的標(biāo)志。隨著智能制造工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械手作為不可獲取的機(jī)械設(shè)備，對(duì)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(jī)械手的工作效率直接影響了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。多工序的機(jī)械手的提出，進(jìn)一步推動(dòng)了制造工業(yè)的智能化發(fā)展，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。減速器作為機(jī)械手的重要設(shè)備，也發(fā)揮著一定的作用，不論是機(jī)械手還是多工序機(jī)械手，都是離不開(kāi)減速器的，本文所探索的重點(diǎn)也是減速器多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和成型。
1 多工序機(jī)械手
1.1機(jī)械手
機(jī)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(jī)器人，代替人工繁重的勞動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)，也就意味著智能化、機(jī)械化的生產(chǎn)。特別是一些具有危險(xiǎn)性和污染性的操作，比如一些生產(chǎn)環(huán)境惡劣，會(huì)對(duì)人健康產(chǎn)生影響的工作。而工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造，比如電子生產(chǎn)、冶金或者原子等，更加安全，不會(huì)危害人的安全，也避免人工操作所出現(xiàn)的弊端。所以機(jī)械手的作用就是代替人的繁重勞動(dòng)，提高效率。機(jī)械手的運(yùn)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(jī)械手也就是相當(dāng)于人的手臂，最大的區(qū)別在于靈活度和耐力度，機(jī)械手可以長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)同一種動(dòng)作，不會(huì)疲憊，是一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)械手有執(zhí)行機(jī)構(gòu)（手部、手臂、軀干）、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和機(jī)械式）和控制系統(tǒng)（控制工作順序、運(yùn)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度等）三大部分構(gòu)成，這里的手就是用來(lái)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(jī)械手
隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械手雖然也是人工智能操作，但是機(jī)械手在發(fā)展運(yùn)用中，對(duì)于靈活性、精準(zhǔn)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(jìn)一步的滿足生產(chǎn)的需求，提高工作效率，促進(jìn)制造工業(yè)的智能化發(fā)展，相關(guān)的研究者也開(kāi)始利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，探索多關(guān)節(jié)手臂，增加關(guān)節(jié)的數(shù)量，構(gòu)造出兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)。比如制造業(yè)中很多企業(yè)會(huì)選擇使用機(jī)械手來(lái)進(jìn)行搬運(yùn)工作，需要的機(jī)械手靈活度比較高，另外也把機(jī)械手運(yùn)用到加工中，并且可以做復(fù)雜的加工工序。也就是能夠讓機(jī)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(jī)械手就被提出。
2 減速器與多工序機(jī)械手
減速器在多工序機(jī)械手的設(shè)計(jì)制造中，具有重要的作用，多工序的設(shè)計(jì)要求：質(zhì)量輕、體積要小，傳動(dòng)平穩(wěn)，具有較高的靈活性、穩(wěn)定性、安全性。一般都會(huì)在機(jī)械手的關(guān)節(jié)處安裝減速器。因?yàn)槎喙ば驒C(jī)械手一般會(huì)執(zhí)行比較重復(fù)的動(dòng)作，不斷的完成相同的工序，為了機(jī)械手工作的質(zhì)量，以及工藝質(zhì)量，就對(duì)多工序機(jī)械手的定位精度和重復(fù)定位精度具有一定的要求。而減速器就是多工序機(jī)械手精度的保證，并且還能傳遞更大的扭矩。在多工序機(jī)械手運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)載比較大的情況下，如果光是提高電機(jī)的功率是劃不著的，為了成本和運(yùn)營(yíng)效率，就會(huì)在一定的速度范圍之內(nèi)，利用減速器來(lái)提高輸出的扭矩。而且如果電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的處于低頻運(yùn)轉(zhuǎn)，容易發(fā)熱或者出現(xiàn)低頻震動(dòng)，所以也需要減速器來(lái)保證質(zhì)量。減速器的存在讓電機(jī)在一個(gè)合適的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，精準(zhǔn)的將轉(zhuǎn)速降到機(jī)械手各部位所需要的速度，提高機(jī)械體剛性的同時(shí)輸出更大的力矩。
目前對(duì)于減速器的運(yùn)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(jī)械手的手部位置，而RV減速器一般安裝與機(jī)座、大臂和肩部等一些重負(fù)載的位置。一般多工序機(jī)械手在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要根據(jù)工作機(jī)的選用條件、技術(shù)參數(shù)和動(dòng)力機(jī)的性能，經(jīng)濟(jì)性等因素，比較不同類型、不同品種的減速器特點(diǎn)，選擇最適合的減速器。因此一般多工序機(jī)械手，都被稱之為減速器多工序機(jī)械手。
3 減速器多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成型
減速器多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要的目的就是實(shí)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)械手可以完成多臺(tái)機(jī)械手的工作，進(jìn)一步提高機(jī)械手的智能化。
3.1減速器多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
對(duì)于減速器多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要可以分為以下幾個(gè)部分：
3.1.1機(jī)械手工作空間設(shè)計(jì)
機(jī)械手工作空間，也就是機(jī)械手性能的一個(gè)設(shè)計(jì)和確定，同時(shí)也是衡量機(jī)械手性能的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)，所以對(duì)于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，一定要基于性能來(lái)考慮空間的設(shè)計(jì)。首先需要考慮的是工作的范圍，因?yàn)槭嵌喙ば颍敲聪啾容^傳統(tǒng)的機(jī)械手，必定要增加工作范圍，機(jī)械手手臂的前端位置不能過(guò)長(zhǎng)，也不能過(guò)重，否則會(huì)影響機(jī)械手運(yùn)行的穩(wěn)定性。然后是空間上設(shè)計(jì)，在上述對(duì)多工序機(jī)械手分析的時(shí)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(jī)械手換刀系統(tǒng)，重視機(jī)械手內(nèi)部的傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。
3.1.2減速器多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)的合理性
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要合理，主要包括了機(jī)械手的各個(gè)手臂的長(zhǎng)度、厚度以及電機(jī)的選型和減速器的選擇。其中需要注意的是要盡最大可能的簡(jiǎn)化各個(gè)關(guān)節(jié)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以此來(lái)提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。就比如目前機(jī)械手中常用的減速機(jī)構(gòu)有行星齒輪減速結(jié)構(gòu)，精密齒輪減速機(jī)構(gòu)，行星齒輪減速機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、精密度比較高，而且壽命長(zhǎng)，具有很大的額定輸出扭矩。而機(jī)械的手臂的長(zhǎng)度、厚度，這些都要根據(jù)機(jī)械手的實(shí)際運(yùn)用環(huán)境進(jìn)行合理確定。
3.1.3減速器多工序機(jī)械手換刀系統(tǒng)
換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，多工序的機(jī)械手，可以完成多種工序，比如不僅可以搬運(yùn)，也能實(shí)現(xiàn)裝配、密封等工序。特別是在一些零件的加工中，對(duì)于多工序機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)換刀系統(tǒng)。目前比較常見(jiàn)的有轉(zhuǎn)塔式換刀系統(tǒng)、帶盤式刀庫(kù)的主軸直接換刀系統(tǒng)和帶鏈?zhǔn)降稁?kù)的換刀機(jī)械手換刀系統(tǒng)。換刀系統(tǒng)是在每一個(gè)工序完成之后自動(dòng)將下一工序所用的新刀具更換到主軸上。
機(jī)械手的換刀系統(tǒng)是通過(guò)刀庫(kù)和機(jī)床協(xié)調(diào)完成的。具體來(lái)講，把道具放在換刀架上，在換刀過(guò)程中，通過(guò)換刀板的左右平移實(shí)現(xiàn)道具位置的變換，實(shí)現(xiàn)換刀的目的。機(jī)械手工作中需要換刀的時(shí)候，采用前臂把刀板上刀具推到機(jī)械手中，實(shí)現(xiàn)裝卡，前臂自動(dòng)回位，等到下一次換刀的時(shí)候再運(yùn)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(jī)械手的臂部關(guān)節(jié)沿坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)形式，設(shè)計(jì)的時(shí)候要以關(guān)節(jié)坐標(biāo)為主，模擬人工特點(diǎn)。
3.1.4傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
減速器多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)中的傳動(dòng)系統(tǒng)，有氣壓傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)，通常對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，選擇的是各種混合驅(qū)動(dòng)方式，比如常見(jiàn)的機(jī)電氣一體化、機(jī)械聯(lián)動(dòng)等。在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要考慮的是機(jī)械手的活動(dòng)范圍，需要滿足360度的旋轉(zhuǎn)，肘關(guān)節(jié)的上下不同角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及手部的選裝等方面。
工業(yè)機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行為：機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)中，底部的傳動(dòng)是通過(guò)舵機(jī)帶動(dòng)聯(lián)軸器，通過(guò)聯(lián)軸器在帶動(dòng)底盤，實(shí)現(xiàn)底盤的旋轉(zhuǎn)。機(jī)械手前臂的轉(zhuǎn)動(dòng)可以分為換刀系統(tǒng)和加工角度。加工角度主要是電機(jī)帶動(dòng)腕部關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，刀頭實(shí)現(xiàn)垂直旋轉(zhuǎn)。
3.2減速器多工序機(jī)械手成型分析
在完成多工序機(jī)械手設(shè)計(jì)之后，需要進(jìn)行進(jìn)一步的成型。對(duì)于機(jī)械的設(shè)計(jì)，是先把多工序機(jī)械手進(jìn)行一個(gè)劃分，分為不同的系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)設(shè)計(jì)和分析，最后把各個(gè)系統(tǒng)綜合，形成一個(gè)完成的多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)。成型之后還需要對(duì)其相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析，確定滿足實(shí)際操作質(zhì)量要求，注塑成產(chǎn)自動(dòng)化專門配置的機(jī)械，并運(yùn)用到實(shí)際的生產(chǎn)中。對(duì)于多工序機(jī)械手的成型，還需要進(jìn)行一個(gè)分析驗(yàn)證，確定相應(yīng)的材料，以便后續(xù)的注塑。對(duì)機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)專業(yè)的軟件進(jìn)行仿真分析，也就是在軟件中實(shí)現(xiàn)對(duì)其網(wǎng)格的劃分，然后用有限個(gè)單元體集合組成原有的模型，分析各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的相互關(guān)系。最后再對(duì)其進(jìn)行整體的分析。并且還需要對(duì)其注塑材料進(jìn)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(jī)械手發(fā)展
機(jī)械手的發(fā)展，可以說(shuō)是車間的變革，通過(guò)機(jī)械手提高產(chǎn)品的效益，是工業(yè)制造業(yè)智能化、自動(dòng)化、精密化的體現(xiàn)。但是目前機(jī)械手發(fā)展還是比較慢，處于一個(gè)初級(jí)的階段，比如對(duì)于工序上，目前基本上兩臂和三臂機(jī)械手，阻止了自動(dòng)化的進(jìn)程。主要的原因就是成本高，相比較已經(jīng)超過(guò)了人工成本。另一個(gè)原因就是技術(shù)水平落后，無(wú)法滿足更多的需求。
隨著市場(chǎng)需求的提高，還需要加強(qiáng)對(duì)多工序機(jī)械手的研究，加大投入力度，能夠利用當(dāng)前先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提高控制能力，積極的引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，來(lái)優(yōu)化和創(chuàng)新我國(guó)機(jī)械手的相關(guān)技術(shù)，提高技術(shù)水平。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文主要是研究減速器多工序機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與成型，通過(guò)對(duì)多工序機(jī)械手和減速器運(yùn)用的闡述，對(duì)于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的分析，包括了工作的空間、結(jié)構(gòu)的合理性、換刀系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)。在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，也簡(jiǎn)單的做了成型分析，利用相應(yīng)的軟件和技術(shù)，分析各個(gè)結(jié)構(gòu)的合理性，并且確定最合適的材料。目前對(duì)于減速器多工序機(jī)械手的研究相對(duì)比較少，也需要加強(qiáng)研究和設(shè)計(jì)，提高機(jī)械手的運(yùn)行效率，促進(jìn)制造工業(yè)的智能化發(fā)展，推動(dòng)行業(yè)的進(jìn)步。
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作者：芮義皓 (上海電氣集團(tuán)自動(dòng)化工程有限公司)
