机械手臂结构设计与性能分析

杜贺 张麟浩 万鑫 赵远宁 王樱璇 石立铨 张宝升

摘要：随着当今科学技术水平的不断提升，工业机器人在生产中发挥了极大的作用，具有操作简单、占用空间小、生产效率高等突出优势，为当今行业经济的发展做出了重要的贡献。机械手臂是工业机器人中的重要组成部分，机械手臂的设计以及性能和生产效率息息相关，对企业的核心竞争力提升具有重要现实意义。本文探究了机械手臂的机械结构以及机械手臂一些常见的控制算法，并分析了结构对于性能的影响，对机械手臂未来的发展方向进行了展望，希望我国机械手臂的设计水平和使用性能能够更上一个台阶。

关键词：机械手臂;结构设计;性能;分析

引言

当前我国自动化技术的发展水平越来越高，工业机器人的应用范围也在不断拓宽，我国加强了对于工业机器人的研究。机械手臂是工业机器人中的重要组件，其结构设计的重要性日渐凸显。机械手臂能够根据计算机预先设定好的程序完成各种预期工作目标，还能完成一些特定的生产动作，为生产效率的提升垫定了良好的基础，拥有非常广阔的发展前景。当前我国市场环境愈发复杂，要想提升生产效率，满足日益增长的生产需求，就需要加强对机械手臂结构设计以及性能的分析和研究能力。

一、机械手臂的机械结构

当前许多企业使用较为传统的生产设备，这些设备占用很大的空间，且由于生产空间小，对于设备不能进行灵活的操作。随着当前市场环境愈发复杂，企业也面临了更大的竞争压力，所以研究占空间小、使用灵活、生产效率高的机械手臂具有重要的现实意义。机械结构是机械手臂的重要组成部分，影响着机械手臂的工作效率，为了能够让机械手臂使用起来更加灵活高效，首先需要对机械结构进行研究，探究其动力传递的方法和动力源。

一般来说，电力传动的机械手臂拥有更加广阔的应用前景，可以使用齿轮、连杆进行动力传递，满足多样化的生产需求，其中将齿轮作为最重要的结构，拥有更加灵活、承载力更高的优势。齿轮机械手臂在应用中需要配合减速器来使用，所以一定程度上提升了齿轮接卸手臂的使用空间。随着现代科学技术的不断发展，在接卸手臂上一些特殊关节内安装电机，能够提升操作的安全性和运行的精确性，保证机械手臂的生产质量和运作效率。

二、机械手臂的控制算法

控制机械手臂操作的算法多种多样，例如模糊算法、PID控制法和自适应控制法都可以控制机械手臂的运作。就当前的发展阶段而言，比较常用的控制算法是自适应法和模糊控制阀，这两种控制算法的让机械手臂的运作效率更高且应用范围更加广阔，不仅可以用来控制机械手臂的运行，还用在了航天领域和军事领域。PID控制法是比较常见的控制手段，一般工业中对于生产精确度要求不高的企业都会使用PID的控制法进行机械手臂的控制，其经济优势明显，生产成本低。随着当前社会的不断发展，许多企业使用了综合控制，运用多种控制方法从而达到生产效率和经济效益的最优选择。

三、机械手臂的组合设计

机械手臂中最主要的组合部分是机械手和机械臂，机械手又由夹爪取轴、夹爪倾斜轴和手部旋转轴三大部分组成，机械臂由上手臂和下手臂构成。机械手臂在完成上升下降等动作时，需要采用上箱体带动下箱体的方式，其中主要借助的是上箱体中的传动基板完成上升和下降等动作。机械手的伸展与垂直运动借助手臂的联动装置来完成，上箱体是完成机械手臂抓取、上升以及下降等一系列动作的动力源，可以带动机械手臂中的齿轮运转。除了垂直方向的操作以外，机械手臂也可以实现水平方向的旋转，需要借用传送装置，为物品的反面放置打下了坚实的基础。

四、机械手臂的性能分析

机械手臂在正常情况下运作的角度一般为0°到70°，在水平方向上的运转角度也类似，运作的范围达到了3460mm。且在运行过程中收到电机荷载能力和外部荷载的影响，其实际的驱动效率也有所改变，优质的设计能够让机械手臂的运行运行更好，所以进行机械手臂的结构优化在机械手臂的发展中非常重要。

五、机械手臂的发展趋势分析

1.机械手臂与机电液一体化的结合

随着我国工业化水平的不断提升，机械手臂将迎来更加广阔的发展空间。当前许多企业生产自动化的实现就是让机械手臂与机电液一体化技术结合，该技术的优势为占用空间小、抗冲击性能好。且因其自由度可以正常选择，使用起来非常的方便，机械手臂与机电液一体化结合，能够让机械手臂的运行更加灵活，将成为未来重要的发展方向。

2.机械手臂的可视化

在传统的生产中需要生产人员不断进行观察，机械手臂在运行过程中也需要进行实时的观察能够更好的监控它加工的零件，当前机械手臂的可视化程度还不高，需要人工进行辅助。要想进一步提高机械手臂的生产运作效率应该完全摆脱人工辅助，实现自主完成生产过程，所以机械手臂的可视化对于提升机械手臂的运行效率意义重大，还需要不断加强对于机械手臂可视化方面的研究。

3. 重复高精度机械手臂的发展

重复高精度是机械手臂未来发展的重要发展趋势。机械手臂在生产过程中需要不断重复相同的操作，很难不产生错误所以要想让机械手臂的运作更加精确，生产质量不断提升，就需要加强对于机械手臂的重复高精度研究，在每次生產过程中都确保可以达到预期的效果，让生产过程变得更加严谨。

结语

综上所述，机械手臂为当今各行各业的发展奠定了良好的发展基础，有助于提升我国企业在世界市场的核心竞争力。随着当前市场中的竞争压力越来越大，机械手臂应用范围不断拓宽，机械手臂原有的各项性能也在不断进行升级改进。未来工业自动化发展是必然的发展趋势，利用计算机技术进行操作，大量节约了人力成本，推动企业发展，相关的科研人员和技术人员一定要充分了解到各行各业生产的实际情况，对机械手臂的结构设计进行不断优化，提升机械手臂的工作效率和精确性，减少机械手臂的空间占用，为企业高效发展和生产提供更多机会。

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