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

1 工業(yè)機械手及概念設計

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用，其作為一種傳統(tǒng)機械技術與現(xiàn)代電子技術的融合，具有較高的科技含量，主要用于生產密集型產品之中，并且隨著產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)生產的自動化和管理的智能化，以現(xiàn)代先進生產技術替代傳統(tǒng)的人力操作，為工業(yè)領域的可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展提供驅動[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，可在復雜的環(huán)境下實現(xiàn)標準化操作。由此，使工業(yè)機械手的應用領域逐步擴大，同時也對其設計工作也提出了更高要求。

1.2 概念設計

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

2 工業(yè)機械手概念設計的關鍵技術

伴隨工業(yè)技術的發(fā)展，依托工業(yè)機械手概念設計的要求，主要涉及系統(tǒng)化設計、結構模塊化設計、產品特征知識設計、智能化設計等關鍵技術[2]。并且，各種概念設計之間并非完全孤立的，而是在不同的階段產生聯(lián)系，全面保障產品的設計質量，使之具備更高的應用價值。

2.1 系統(tǒng)化設計

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

2.2 結構模塊化設計

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

2.3 產品特征知識設計

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

2.4 智能化設計

智能化設計主要基于設計方法學理論，依托現(xiàn)代科技與軟件技術，如三維圖形軟件、智能化設計軟件、虛擬現(xiàn)實技術等技術，以及應用多媒體、超媒體等實施產品開發(fā)設計、產品構思表達及產品結構描述，以實現(xiàn)對產品設計的智能化，使工業(yè)機械手能夠更適應現(xiàn)實生產及未來發(fā)展需求。

3 工業(yè)機械手概念設計的應用分析

3.1 結構設計

基于工業(yè)機械手設計的基本方法，其結構一般采取模仿工人搬運的方式，對工業(yè)機械手的動態(tài)功能實施設計，通常由底座、大臂、小臂和爪子等主要部分構成，具體形態(tài)如圖1所示。

圖1 工業(yè)機械手結構

從工業(yè)機械手的結構看，底座屬于其基礎部件，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構之與，其功能是帶動機械手爪抓取產品，再依據(jù)操作預定軌跡運動，完成產品的位移或者安裝工作。小臂則是連接爪子和大臂的部件，以調整抓取姿勢及方位功能為主。爪子采取回轉型夾持式結構設計，由于其結構相對簡單，具有制造簡便、摩擦力小及動作靈活等特點。

在工業(yè)機械手的整體設計思路上，一般采取多個自由度設計，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、抓放動作及旋轉功能。具體工作方式如下：

（1）大臂主要依賴于內部的氣壓缸推動，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，同樣是利用內部氣壓缸的推動，實現(xiàn)對爪子的控制，以完成相應的抓取動作。

（3）機械爪則是依賴小臂所傳導的控制力，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動作，循環(huán)上述機制。

3.2 氣壓驅動系統(tǒng)設計

工業(yè)機械手設計需要依據(jù)其功能特點來實現(xiàn)，尤其是執(zhí)行機構需要利用氣壓系統(tǒng)作為驅動，完成張開、夾持等動作，并且需要利用系統(tǒng)的協(xié)調控制，使底座旋轉、大小臂伸縮實現(xiàn)協(xié)調或者同步，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，其結構如圖2所示。

圖2 工業(yè)機械手氣壓驅動系統(tǒng)

結合其系統(tǒng)工作原理，其主要構成分為氣壓發(fā)生裝置、控制元件、執(zhí)行元件及輔助元件等構成。其中，氣壓發(fā)生裝置即利用遠動機所輸出的機構能轉換為空氣壓力，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 、流量及流向實現(xiàn)控制，以確保執(zhí)行元件能夠依據(jù)相應的輸出力及參數(shù)設計正常運行，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、油霧器等構成。比如，當氣壓驅動系統(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，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)設計

PLC控制系統(tǒng)屬于當下主要的工業(yè)機械手控制系統(tǒng)，其能夠依賴于各類控制技術，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)的結構來看，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成[3]。

根據(jù)工業(yè)機械手的控制要求，在設計中必須要做好各部位的控制協(xié)同設計，以工業(yè)機械手的生產操作需要，對各類設計參數(shù)加以調整優(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)機械設備的設計要求愈發(fā)提高。因此，在工業(yè)機械手的設計中，必須要針對其應用的實際情況，在概念設計中解決好生產矛盾和問題，選取最佳的設計方案，從而保證工業(yè)機械手最大限度發(fā)揮作用。同時，從具體的設計來看，必須要以結構設計、氣壓驅動系統(tǒng)設計及PLC控制系統(tǒng)設計，通過主要功能的完善和設計優(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、產品剛度好及控制靈活等特點，滿足未來工業(yè)生產的需要。