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一种新型节能机械手的设计
  浏览次数:6884  发布时间:2020年06月28日 16:53:00
[导读] 在对目前机械手的研究背景和应用现状进行分析的基础上,采用三维软件SolidWorks进行了一种新型节能机械手的设计。
 摘 要: 在对目前机械手的研究背景和应用现状进行分析的基础上,采用三维软件SolidWorks进行了一种新型节能机械手的设计。围绕系统整体结构框图、组成单元、有效节能部件、机械结构的简化等方面,对新型节能机械手设计的特点和改进之处进行阐述,同时还对产品进行了节能测试,通过实测数据对比分析,表明节能节电效果非常可观,说明开展机械手节能设计具有非常重要的现实意义和可行性,对我国的节能减排工作产生很大的积极作用。

关键词:节能;机械手;设计;伺服电机



1引言
节能是当今时代的重要话题,中国已经成为世界节能和新能源利用第一大国,国家“十三五”规划纲要明确指出,推广节能环保产品,促进节能环保产业发展壮大[1]。 李克强总理在2018年政府工作报告中指出今年发展预期目标是单位国内生产总值能耗下降3%以上,我们要携手行动,建设天蓝、地绿、水清的美丽中国[2]。工业制造业的未来发展也应该从节能的角度考虑,节能不仅可以为企业节省生产成本, 还能对环境资源进行保护[3]。

机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置[4]。机械手是最早出现的现代工业机器人,可通过编程来完成各种预期的作业,能代替人的繁重劳动以实现机械化和自动化生产,可以减少人工和成本、提高效率和品质、提升工厂形象,是工业制造自动化、智能化水平提升和产品品质提高的体现[5]。

机械手的发展受到政府、行业、企业的高度重视,不断注重于机械手的改良与创新。传统液压型机械手具有工作时油温变化影响较大;液压元件的制造工艺水平要求较高,价格较高,使用维护需要较高技术水平;消耗电量和空气量大,运行不稳定等不足。因此机械手的高效节能化是发展趋势,新型节能机械手的研究和开发顺理成章。

2 研究及应用现状
目前国内对机械设计和机械制作方面节能的研究较多,比如:杨冬就节能设计理念在机械制造与自动化中的应用进行分析,包括机械设计的优化、制造过程的优化、自动化调整、自动化控制等内容[6];范敬伟对机械设计节能基本原理及其应用进行了相关研究,指出需要开展机械设计节能,对我国的机械设备进行完善和改进,有效地降低机械设备使用中的能源消耗[7];杨松松等浅析机械设计及自动化节能设计理念,在机械设计及自动化中添加节能设计理念,降低机械设计及自动化的能耗[8];王小梅等分析了机械制造与自动化中的节能方法,指出大到宏观的产业结构,小到每条生产线、每件设备都应该将节能、环保的理念贯彻到底[9]。但具体针对节能机械手设计的研究非常少,所以新型节能机械手的设计很有新意。

目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟在新型机械手技术领域三足鼎立的局面。在国内对机械手的研究与应用起步都比较晚,以前由于高端制造业下游产业比较分散,工业机械手的应用主要以汽车制造业为主,目前我国的工业机械手技术及其工程应用的总体水平和国外比还有一定的距离,应用规模和产业化水平相对较低,但随着资金投入力度和技术研发力度的加大,机械手的应用在激光切割、注塑、涂胶等领域有所增长,我国自主研制的许多新型机械手开始在电子加工、3C产品、医疗器械、汽配等劳动密集型的制造业企业的转型升级之路中发挥着重要作用,代表性的有新松和拓斯达等上市公司的产品。

3 新型节能机械手的设计
随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高,以及现代控制理论的应用,为研究高性能的新型节能机械手奠定了坚实的物质基础和技术基础。
图1 系统整体框图
新型节能机械手系统整体框图如图1所示


3.1 系统整体结构
机械手本身主要由控制系统、驱动机构和执行机构三大部分组成。
(1)机械手所用的驱动方式是气压驱动和电气驱动相结合。气压驱动方式一般由气缸、气阀、气罐和空压机组成,特点是动作迅速、气源方便、结构简单、造价较低、维护方便。但难以进行速度控制,气压不可太高,因此抓举能力不高;电气驱动方式的电源方便,信号检测、传动、处理方便,响应快,驱动力较大,而且能采用多种灵活的控制方案。

驱动电机一般采用步进电机,直流伺服电机为主要的驱动方式。由于电机速度高,一般需采用减速机构。近年来在国家节能电机补贴政策和用户需求的共同推动下,高效节能的永磁同步电机越来越得到重视,其装备比例越来越大[10]。永磁同步电机可以保证设备控制的准确,节能降耗、降低生产成本、增加企业效益。设计中节能伺服电机选择安川伺服电机Σ-7系列SGM7J型,属于中惯量高转速永磁同步电机,功率为750W,配备有高分辨率24位串行编码器,支持超高速超精密控制的伺服性能,可以驱动各种机械的进给轴。最大可承受30倍负载不发生震动,即使运行中负载发生变化,也能够稳定运行。优化电磁回路后,提高了伺服电机的效率,降低了发热,可在严酷环境下使用且节能的伺服电机。

(2)可编程序控制器选用日本欧姆龙公司的CP1H系列XA4-0DR-A型号的PLC。欧姆龙CP系列可以最大限度减少设备成本。比如传送带控制、组装装置、包装机等必需的简易定位,高速计数器的测量和测长,变频控制的串行通信控制等,由CPU独立控制,可最大限度减少设备成本。CP系列包括价格便宜且搭载了2轴脉冲输出的CP1E-N型、搭载了4轴脉冲输出的CP1H型。此外,组合高速计数器功能后,还可用于控制标贴进给量等用途。通过使用功能块创建程序,提高程序的沿用性,可减少客户的程序设计周期。

(3)治具是一个木工、钳工、铁工、机械、电控以及其它一些手工艺品的大类工具,主要是作为协助控制位置或动作的一种工具。治具可以分为工艺装配类治具、项目测试类治具和线路板测试类治具三类。本设计的治具中主臂产品夹具和副臂水口夹属于工艺装配类治具。
3.2 新型机械手的组成单元

图2为创新型机械手外观图,具体单元部件:
(1)新型机械手的组成单元有:走行单元、前后单元、 主臂单元、副臂单元、伺服单元。走行单元主要部件:走行体、安川节能伺服电机、传感器、THK 导轨及滑块、拖链、减压阀、电控箱等。
(2)前后单元主要部件:安川节能伺服电机、谐波减速器、THK导轨及滑块、电磁阀、传感器、回生电阻等。
(3)主臂单元主要部件:姿势部、THK导轨及滑块、铝型材等。
(4)副臂单元主要部件:水口夹、THK导轨及滑块、铝型材等。
(5)伺服单元主要部件(伺服上移):安川伺服驱动器、电路板等。

3.3 有效节能部件
设计中可以有效达到节能的主要部件有如图3所示:
A部分为THK导轨。此导轨经过研磨,精加工等技术的处理,将其平面度控制在15个丝以内(15个毫米),有效减少了电机高速运转中滑块与导轨之间的摩擦,不仅延长了导轨及滑块的使用寿命,还极大的节省了电能消耗。

B部分为安川伺服节能电机。此电机的转速传动比是5:1,恰当地使用此种型号的机械手,在保障满足其额定负载的前提下搭配使用,不仅节省了电量的消耗,而且运行更平稳快速。

C部分为自主设计电路板。从控制系统的源头节能,在提升系统稳定性的同时还想方设法减少其面积,使其精致化,模块化。

3.4 机械结构方面的简化
采用3D软件SolidWorks 2015进行设计,机械结构方面的简化如图4所示:
(1)主副臂(图中D部分)由以前的钣金件改为铝型材,在减轻其重量的同时还增加其美观度,使其在外观上更俱美观简约,且占用空间也少。
(2)将伺服上移,一改以前伺服驱动器装在机械手侧面的位置,使整体结构更紧密。 
(3)更换电磁阀、电气配线等型号及位置,让电气的走路更短程,更简便,电磁阀体积更小。

图2 创新型机械手外观图
图2 创新型机械手外观图

3.5 设计的特点
和传统机械手相比,新型节能机械手进行了创新,具有如下特点:
(1)结构模块化 
传统机械手由于结构的模块化程度低,导致工人组装时很复杂,麻烦且效率低,因此导致传统的机械手价格偏贵,质量参差不齐,以及在售后维护等方面造成极大的不便,严重影响生产进程。 

(2)系统节能化
新型的机械手在系统方面进行了改良,从源头处进行了节能,速度性能有效提升使其运行更高效,以及大量改用新型的低耗能零部件,也起到了有效的节能作用。 

(3)驱动小巧化
采用一拖五的安川新型伺服驱动器,不仅在能耗方面大幅降低,而且极大地缩小了伺服驱动器的体积。

(4)重量轻质化
新型机械手大胆使用更多的轻质化型材,一改以往使用的笨重材料,使新型机械手更具有灵巧的身姿。

4 节能测试及效果
以校企合作单位广东拓斯达公司的产品型号为EUW-80s的欧规机械手的伺服OFF功能为例进行节电效果测试。
伺服OFF功能:按照系统模式打开机械手,无操作10分钟后自动关闭伺服,从而节约电能。 
测试工具:HIOKI 3169-20钳形功率计。 
测试方法:电压300V,电流5A,频率50Hz。关闭伺服OFF功能,机械手不操作,待机2小时,测量其累积功率;打开伺服OFF功能,机械手不操作,待机2小时,测量其累积功率;对比两种状态下的累积功率,计算出伺服OFF功能节电效果。
测试精度:累积功率精度±1dgt。

测试数据:
(1)关闭伺服OFF功能,机械手不操作,待机2小时,其累积功率为WP1=0.22kWh;
(2)开启伺服OFF功能,机械手不操作,待机2小时,其累积功率为WP2=0.115kWh。

结果分析: 
从测试数据可以得出开启伺服OFF功能,节约的累积功率WP=WP1-WP2=0.105kWh,节电百分比为WP/WP1=47.73%。
经过对多个型号的机械手进行实验测试,从表2创新型机械手的功率对比表中(其中:s表示双臂;W表示双截;AD表示驱动方式为气动;MD表示驱动方式为电机驱动)可以看出节能效果显著,节能总体效果最大可以达到30%,如果是在现代大型制造企业的生产过程中成百上千的机械手同时连续工作,节能节电效果将非常可观,可以极大节约企业的用电成本。

图片1
图片2


5 结束语
机械手在工业企业受欢迎的重要原因就是能提高生产效率、降低人工成本,将节能设计理念在机械手中的应用进行分析,具有一定的实际意义。发展节能技术、研发节能产品是大势所趋,只有这样才能节约资源,降低能耗,减少污染,同时保护好生活环境和自然环境。新型节能机械手将越来越广泛地进入生产生活中的各个领域,实现人与机械及自然三者的和谐可持续发展。

参考文献 :
[1] 中华人民共和国中央人民政府.中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要[EB/OL].北京:新华社,[2016-3-17].http://www.gov.cn/xinwen/2016-03/17/ content_5054992.htm.
[2] 李克强.第十三届全国人民代表大会第一次会议政府工作报告[EB/OL].北京:中国政府网,[2018-3-5].http://www.gov.cn/premier/2018-03/05/content_5271083.htm.
[3]韩伯龙.浅谈机械手的类型、应用及发展趋势[J].中国高新区,2018(4):133-134.
[4]杨金桥.基于PLC的上下料机械手[D].杭州:浙江工业大学,2014:1-2.
[5]郭洪武.浅析机械手的应用与发展趋势[J].中国西部科技, 2012(10):3.
[6]杨冬.试论节能设计理念在机械制造与自动化中的应用[J].南方农机,2018(1):101-103.
[7]范敬伟.机械设计节能基本原理及其应用的相关研究[J].山东工业技术,2015(6):10.
[8]杨松松,喻翔,赵志超.浅析机械设计及自动化节能设计理念[J].科技创新与应用,2017(16):165.
[9]王小梅,田鹏.节能设计理念在机械制造与自动化中的应用[J].中国高新技术企业,2016(14):87-88.
[10]刘广喜.应用先进控制技术提高纺织机械效能实现全面节能[J].纺织器材,2017(8):1-4.