气电一体化助力机械手概述

张林

（昆山兴林精密机械制造有限公司，江苏　苏州　215300）

气电一体化助力机械手概述

张林

（昆山兴林精密机械制造有限公司，江苏苏州215300）

智能制造在橡胶加工的生产中占有越来越重要的地位，机器人的应用正在不断提升轮胎生产企业的自动化生产水平。助力机械手作为一种简易、或过渡机器人，同样具备人机交互能力，且特别适用于轮胎生产企业中的环境复杂、劳动强度大和需要频繁搬运重物的场合，能够为企业有效提升工作效率，减少劳动定员和减轻员工劳动强度，也能为提升轮胎质量做出贡献。本文从介绍助力机械手入手，重点阐述了气电一体化助力机械手的原理、构造和应用场合，并对助力机械手的安全性能做了较为详尽的描述。

助力；平衡；气电一体；智能化

1　助力机械手优点

随着科学技术技术的发展，尤其是自动化技术在各种设备上得到广泛的应用，一种新型的、能够代替作业人员进行笨重物体搬运、定位和装卸等功能的半自动化设备—助力机械手应运而生。国际上最早出现的真空式搬运提升机械手可以追溯到20世纪70年代，气动式助力机械手随后得到迅速的研发和制造，并很快在各行各业得到运用。我国的助力机械手行业相对起步较晚，但发展相当迅速。中国最早的助力机械手制造商上海永乾公司成立于1999年，可以说是中国助力机械手智能装备生产商的先行者。但进入本世纪以后，随着国家新产业政策、产业方向的确定，尤其是国家对环保、安全以及重体力劳动资源的重视，相继开办的助力机械手制造商大量出现，且主要分布在我国较发达地区和省份。由于我国气动技术相对成熟，而且气动助力机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、可以在复杂环境下工作、设计制造相对容易等诸多特点，所以气动助力机械手已经成为我国助力机械手最典型的产品，也是助力机械手制造商普遍生产的产品，在我国整个助力机械手市场的占有率达到了90%以上，并广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工、食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。

气动助力机械手有着明显的优点，即：①空气随处可取，取之不尽，节省了购买、储存、运输介质的费用和麻烦；②用后的空气直接排入大气，对环境无污染；③气动反应快，动作迅速，维护简单，管路不易堵塞；④气动元件结构简单，制造容易，适于标准化、系列化、通用化。但事物总是一分为二的，气动助力机械手以压缩空气作为动力，也有着以下明显的缺点：①空气具有可压缩性，当载荷变化时，气动系统的动作稳定性差；②排气噪声大；③工作压力比较低，又因结构尺寸不宜过大，因而输出功率小。气动助力机械手的第一条和第二条缺点可以通过加装平衡阀和消音器进行一定程度上的弥补，但第三条缺点考虑到安全问题不能使工作气压无限制加大，而且空压机产生的气压压力也有限，若结构尺寸太大则占据空间且不便于操控。因此第三条缺点造成了气动助力机械手的使用场合受到限制，仅适用于被搬运或起重的物体重量不大的场合。一般来说，气动助力机械手的负荷以不超过200 kg为宜。随着各行各业对各种助力机械的使用要求越来越高，使用范围越来越广，体力劳动力成本越来越高、体力劳动者资源越来越缺乏，特别是在所搬运物体负载超过200 kg而又低于1 000 kg的情况下，一种新型的助力机械手——气电一体化助力机械手的研发和制造必然出现。气电一体化助力机械手在重负荷搬运状态下能够弥补气动助力机械手的不足，拓宽了助力机械手的应用场合和负载范围，具有旺盛的生命力。

2　气电一体化助力机械手介绍

2.1气电一体化助力机械手原理

气电一体化助力机械手巧妙地利用减速电机和机械传动装置承载负荷，使搬运物体的重量可以达到接近于1 t，机械定速传动可保障物体在移动或上升降落过程中均衡、平稳，机械传动装置的自锁性能可以在出现意外的情况下实现自锁，安全性大为提高。平衡气缸和气动元件的作用有能够令所搬运物体和机械装置的自重达到无重力化浮动状态，使操作者对物体实施搬运时只需很小的操作力。亦即操作者只需操作把手上的升降按钮，徒手推拉重物就能够把物体正确地放到任何位置。

2.2气电一体化助力机械手结构

如图1，气电一体化助力机械手主要由减速电机或伺服电机、传动装置、平衡气缸、立柱、机械臂、以及夹持机构和控制系统组成。

图1　机械手照片图

减速电机结构紧凑、体积小、造型美观，承受过载能力强，而且传动比分级精细，选择范围广、转速型谱宽，可适应于不同升降速度的需要。另外，减速电机能耗低、效率高、振动小、噪音低。伺服电机除了具有减速电机具有的体积小、重量轻、承载能力高等优点外，更具有寿命长、运转平稳，噪声低等特点，而且定位精度更高。

传动装置通常选用螺杆副传动。螺杆副传动可以很好地实现垂直升降，具有运动导向功能和可靠的自锁功能、传动平稳、噪音低、结构简单，对于承载力较大的场合，可选用滚珠丝杆传动。滚珠丝杆与滑动螺杆相比摩擦力小，能得到较高的运动效率，能节省电能，而且传动精度高，传动速度可以更快。选用滚珠丝杆传动时需使用刹车电机，以保障传动装置的自锁功能。

平衡气缸起到平衡搬运物体和机械臂的重量的作用。一个平衡缸会有两个平衡点，分别是重载平衡和空载平衡。重载平衡是平衡吊上有重物时达到平衡状态，空载平衡是平衡吊上无负载时实现的平衡状态。不管是哪种平衡状态，物体会处于静止，这时只需一个很小的外力就能实现搬运动作。利用平衡缸的这个原理，可以提高工作效率，降低工人劳动强度。并且平衡缸结构简单，组成部分少，造价成本低，能适合在恶劣工况环境中使用。

立柱和机械臂是助力机械手的支撑、连接机构。需根据现场环境、物体重量、物体升降和搬运的距离和范围设计制造，应尽量做到结构紧凑、合理、耐用，且外形美观。

夹持机构用来夹持所搬运的物体。夹持机构夹持物体有抓、握、抱、托、吸、拿、捏、提等多种方式，根据物体的外形、重量、材质等以及物体的提升、移动速度和运动、定位精度等设计和制造，要求夹持物体可靠、稳定，且不能对物体造成任何损伤。

气电一体化助力机械手的控制系统包含：PLC模型板、变频器模块板、按钮指示模块板、电源模块板、和气动控制阀等控制元件及各类传感器、接近或限位开关、伺服控制器等。体现了微电子、PLC、电子计算机、传感技术和现代控制理论的综合利用，将电控器件和气动控制元件高度集成。电气和气动控制的合成智能化，使得操作者操作简单，减少误操作并实现误操作保护，保障了人身及设备安全。

为了保障助力机械手的使用安全，助力机械手具备以下安全保护功能：

（1）自锁功能：在紧急断气情况下，提升气缸、工件夹持器装置、传动机构等运动部件能借助气缸锁、单向控制阀、转盘刹车等其他类似装置实现自锁，保证工件不会跌落或掉落。

（2）助力机械手由空载状态切换到负载状态有自动切换和手动切换两种状态，助力机械手配置了负载显示器指示负载状态，当工件吊起时，显示器为红色。

（3）为防止助力机械手误操作吊装超负荷的工件、防止危及人身和设备安全，助力机械手在气动和电动保护中设计有相应的安全控制措施，保证无法吊装超负荷的物体。

（4）为防止在搬运过程中出现卸料误操作，助力机械手具有承重检测或双键按钮同时操作的情况下，工件夹持器才能松开卸载。

（5）对于依靠行规行走的助力机械手，铝合金轨道与钢结构设有钢构保护绳作为二次保护，防止轨道脱落时不至于出现意外。

（6）为了减少噪音，行轨式助力机械手选用铝合金静音轨道，轨道车在轨道中正常运行时，噪音小于50 dB(A)。

3　气电一体化助力机械手应用领域

助力机械手由于具有无重力化、精确直观、操作便捷、安全高效等特点，因此被广泛应用于现代工业中的物料移载、高频率搬运、精确定位、部件装配等场合。从接受原材料和物料开始，一直到加工、生产、保管及配送等物料流动过程中的每一个环节，助力机械手都能发挥其独到的作用，给各行业重物移载、搬运现场操作人员的健康、安全，以及其作业合理性、劳动力节省、生产效率提高、产品品质的保障等多方面带来极大的改善。气电一体化助力机械手作为随着科技发展和顺应市场要求，在传统的助力机械手基础上进一步适应高负载、现场环境更为复杂的场合下设计和制造出来的新型助力机械手，其应用领域除了普通助力机械手所涉及的领域之外，对于化工、冶金、轮胎制造、工程机械制造、建筑、造纸、包装等行业以及家电、电动机、发动机、电器柜等组装生产线的应用更具有无与伦比的优越性。

现代汽车制造工厂的焊接生产线，焊接工具的移动和定位大多采用了气动机械手，而车身外壳、发动机、底盘、座椅等的移动、夹紧和定位，由于部件重量较大，可采用特殊功能的助力机械手即气电一体化助力机械手。在彩电、冰箱、电动机及发电机的装配生产线上，由于本体和组装部件通常需要翻转和移位，为了完成整个工序的高度自动化，助力机构选用气电一体化助力机械手无疑是最佳选择。大型电控柜装配线，安装模块需要从运输线上抓取并移送到电控柜内定位，安装模块的重量都在几百公斤以上，能够完成这一动作的目前也只能依赖于气电一体化机械手。轮胎行业中的胎面、胎侧押出线卷取收料工字轮的装卸、成型鼓和贴合鼓的更换以及钢丝锭子的装载、造纸生产线都需要重型料卷或工装的装卸定位，物料运送的现场环境较为复杂，而气电一体化助力机械手的应用均能一一满足助力、省力的要求。冶金行业中的钢包铁水运输和浇注，对平稳性和速度的均匀要求极高，应用气电一体化助力机械手可以很好地解决问题。总之，在气动助力机械手受限的场合，都能够用气电一体化助力机械手进行替代。

我国的助力机械手制造业起步较晚，但发展较快，而目前的国内助力机械手制造厂商主要生产的和国内各行各业所采用的基本上都是气动式机械手。随着轮胎生产的自动化、半自动化水平的逐年提高，气电一体化助力机械手的开发和制造顺应了轮胎生产厂生产技术和设备改造的要求，适用于提高工效、保障安全和减轻劳动强度的多种用途。气电一体化助力机械手目前已经在佳通轮胎、大陆马牌轮胎（中国）有限公司、徐州徐轮橡胶有限公司等多家轮胎生产外资企业和国营大型企业中成功应用。

（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

张林（1963-），男，主要从事轮胎生产辅助机械的设计与制造工作。

2016-09-12