摘 要: 在對目前機械手的研究背景和應用現狀進行分析的基礎上，采用三維軟件SolidWorks進行了一種新型節能機械手的設計。圍繞系統整體結構框圖、組成單元、有效節能部件、機械結構的簡化等方面，對新型節能機械手設計的特點和改進之處進行闡述，同時還對產品進行了節能測試，通過實測數據對比分析，表明節能節電效果非?？捎^，說明開展機械手節能設計具有非常重要的現實意義和可行性，對我國的節能減排工作產生很大的積極作用。
關鍵詞:節能；機械手；設計；伺服電機
1引言
節能是當今時代的重要話題,中國已經成為世界節能和新能源利用第一大國，國家“十三五”規劃綱要明確指出，推廣節能環保產品，促進節能環保產業發展壯大[1]。 李克強總理在2018年政府工作報告中指出今年發展預期目標是單位國內生產總值能耗下降3%以上，我們要攜手行動，建設天藍、地綠、水清的美麗中國[2]。工業制造業的未來發展也應該從節能的角度考慮,節能不僅可以為企業節省生產成本, 還能對環境資源進行保護[3]。
機械手是一種能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置[4]。機械手是最早出現的現代工業機器人，可通過編程來完成各種預期的作業，能代替人的繁重勞動以實現機械化和自動化生產，可以減少人工和成本、提高效率和品質、提升工廠形象，是工業制造自動化、智能化水平提升和產品品質提高的體現[5]。
機械手的發展受到政府、行業、企業的高度重視，不斷注重于機械手的改良與創新。傳統液壓型機械手具有工作時油溫變化影響較大；液壓元件的制造工藝水平要求較高，價格較高，使用維護需要較高技術水平；消耗電量和空氣量大，運行不穩定等不足。因此機械手的高效節能化是發展趨勢，新型節能機械手的研究和開發順理成章。
2 研究及應用現狀
目前國內對機械設計和機械制作方面節能的研究較多，比如：楊冬就節能設計理念在機械制造與自動化中的應用進行分析,包括機械設計的優化、制造過程的優化、自動化調整、自動化控制等內容[6]；范敬偉對機械設計節能基本原理及其應用進行了相關研究，指出需要開展機械設計節能,對我國的機械設備進行完善和改進,有效地降低機械設備使用中的能源消耗[7]；楊松松等淺析機械設計及自動化節能設計理念，在機械設計及自動化中添加節能設計理念，降低機械設計及自動化的能耗[8]；王小梅等分析了機械制造與自動化中的節能方法，指出大到宏觀的產業結構，小到每條生產線、每件設備都應該將節能、環保的理念貫徹到底[9]。但具體針對節能機械手設計的研究非常少，所以新型節能機械手的設計很有新意。
目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟在新型機械手技術領域三足鼎立的局面。在國內對機械手的研究與應用起步都比較晚，以前由于高端制造業下游產業比較分散，工業機械手的應用主要以汽車制造業為主，目前我國的工業機械手技術及其工程應用的總體水平和國外比還有一定的距離，應用規模和產業化水平相對較低，但隨著資金投入力度和技術研發力度的加大，機械手的應用在激光切割、注塑、涂膠等領域有所增長，我國自主研制的許多新型機械手開始在電子加工、3C產品、醫療器械、汽配等勞動密集型的制造業企業的轉型升級之路中發揮著重要作用，代表性的有新松和拓斯達等上市公司的產品。
3 新型節能機械手的設計
隨著微電子技術的迅速發展和機械加工工藝水平的提高，以及現代控制理論的應用，為研究高性能的新型節能機械手奠定了堅實的物質基礎和技術基礎。
新型節能機械手系統整體框圖如圖1所示
3.1 系統整體結構
機械手本身主要由控制系統、驅動機構和執行機構三大部分組成。
（1）機械手所用的驅動方式是氣壓驅動和電氣驅動相結合。氣壓驅動方式一般由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，特點是動作迅速、氣源方便、結構簡單、造價較低、維護方便。但難以進行速度控制，氣壓不可太高，因此抓舉能力不高；電氣驅動方式的電源方便，信號檢測、傳動、處理方便，響應快，驅動力較大，而且能采用多種靈活的控制方案。
驅動電機一般采用步進電機，直流伺服電機為主要的驅動方式。由于電機速度高，一般需采用減速機構。近年來在國家節能電機補貼政策和用戶需求的共同推動下，高效節能的永磁同步電機越來越得到重視，其裝備比例越來越大[10]。永磁同步電機可以保證設備控制的準確，節能降耗、降低生產成本、增加企業效益。設計中節能伺服電機選擇安川伺服電機Σ-7系列SGM7J型，屬于中慣量高轉速永磁同步電機，功率為750W，配備有高分辨率24位串行編碼器，支持超高速超精密控制的伺服性能，可以驅動各種機械的進給軸。最大可承受30倍負載不發生震動，即使運行中負載發生變化，也能夠穩定運行。優化電磁回路后，提高了伺服電機的效率，降低了發熱，可在嚴酷環境下使用且節能的伺服電機。
（2）可編程序控制器選用日本歐姆龍公司的CP1H系列XA4-0DR-A型號的PLC。歐姆龍CP系列可以最大限度減少設備成本。比如傳送帶控制、組裝裝置、包裝機等必需的簡易定位，高速計數器的測量和測長，變頻控制的串行通信控制等，由CPU獨立控制，可最大限度減少設備成本。CP系列包括價格便宜且搭載了2軸脈沖輸出的CP1E-N型、搭載了4軸脈沖輸出的CP1H型。此外，組合高速計數器功能后，還可用于控制標貼進給量等用途。通過使用功能塊創建程序，提高程序的沿用性，可減少客戶的程序設計周期。
（3）治具是一個木工、鉗工、鐵工、機械、電控以及其它一些手工藝品的大類工具，主要是作為協助控制位置或動作的一種工具。治具可以分為工藝裝配類治具、項目測試類治具和線路板測試類治具三類。本設計的治具中主臂產品夾具和副臂水口夾屬于工藝裝配類治具。
3.2 新型機械手的組成單元
圖2為創新型機械手外觀圖，具體單元部件：
（1）新型機械手的組成單元有：走行單元、前后單元、 主臂單元、副臂單元、伺服單元。走行單元主要部件：走行體、安川節能伺服電機、傳感器、THK 導軌及滑塊、拖鏈、減壓閥、電控箱等。
（2）前后單元主要部件：安川節能伺服電機、諧波減速器、THK導軌及滑塊、電磁閥、傳感器、回生電阻等。
（3）主臂單元主要部件：姿勢部、THK導軌及滑塊、鋁型材等。
（4）副臂單元主要部件：水口夾、THK導軌及滑塊、鋁型材等。
（5）伺服單元主要部件（伺服上移）：安川伺服驅動器、電路板等。
3.3 有效節能部件
設計中可以有效達到節能的主要部件有如圖3所示：
A部分為THK導軌。此導軌經過研磨，精加工等技術的處理，將其平面度控制在15個絲以內（15個毫米），有效減少了電機高速運轉中滑塊與導軌之間的摩擦，不僅延長了導軌及滑塊的使用壽命，還極大的節省了電能消耗。
B部分為安川伺服節能電機。此電機的轉速傳動比是5：1，恰當地使用此種型號的機械手，在保障滿足其額定負載的前提下搭配使用，不僅節省了電量的消耗，而且運行更平穩快速。
C部分為自主設計電路板。從控制系統的源頭節能，在提升系統穩定性的同時還想方設法減少其面積，使其精致化，模塊化。
3.4 機械結構方面的簡化
采用3D軟件SolidWorks 2015進行設計，機械結構方面的簡化如圖4所示：
（1）主副臂（圖中D部分）由以前的鈑金件改為鋁型材，在減輕其重量的同時還增加其美觀度，使其在外觀上更俱美觀簡約，且占用空間也少。
（2）將伺服上移，一改以前伺服驅動器裝在機械手側面的位置，使整體結構更緊密。
（3）更換電磁閥、電氣配線等型號及位置，讓電氣的走路更短程，更簡便，電磁閥體積更小。
圖2 創新型機械手外觀圖
3.5 設計的特點
和傳統機械手相比，新型節能機械手進行了創新，具有如下特點：
（1）結構模塊化
傳統機械手由于結構的模塊化程度低，導致工人組裝時很復雜，麻煩且效率低，因此導致傳統的機械手價格偏貴，質量參差不齊，以及在售后維護等方面造成極大的不便，嚴重影響生產進程。
（2）系統節能化
新型的機械手在系統方面進行了改良，從源頭處進行了節能，速度性能有效提升使其運行更高效，以及大量改用新型的低耗能零部件，也起到了有效的節能作用。
（3）驅動小巧化
采用一拖五的安川新型伺服驅動器，不僅在能耗方面大幅降低，而且極大地縮小了伺服驅動器的體積。
（4）重量輕質化
新型機械手大膽使用更多的輕質化型材，一改以往使用的笨重材料，使新型機械手更具有靈巧的身姿。
4 節能測試及效果
以校企合作單位廣東拓斯達公司的產品型號為EUW-80s的歐規機械手的伺服OFF功能為例進行節電效果測試。
伺服OFF功能：按照系統模式打開機械手，無操作10分鐘后自動關閉伺服，從而節約電能。
測試工具：HIOKI 3169-20鉗形功率計。
測試方法：電壓300V，電流5A，頻率50Hz。關閉伺服OFF功能，機械手不操作，待機2小時，測量其累積功率；打開伺服OFF功能，機械手不操作，待機2小時，測量其累積功率；對比兩種狀態下的累積功率，計算出伺服OFF功能節電效果。
測試精度：累積功率精度±1dgt。
測試數據：
（1）關閉伺服OFF功能，機械手不操作，待機2小時，其累積功率為WP1=0.22kWh；
（2）開啟伺服OFF功能，機械手不操作，待機2小時，其累積功率為WP2=0.115kWh。
結果分析：
從測試數據可以得出開啟伺服OFF功能，節約的累積功率WP＝WP1-WP2＝0.105kWh，節電百分比為WP/WP1＝47.73%。
經過對多個型號的機械手進行實驗測試，從表2創新型機械手的功率對比表中（其中：s表示雙臂；W表示雙截；AD表示驅動方式為氣動；MD表示驅動方式為電機驅動）可以看出節能效果顯著，節能總體效果最大可以達到30%，如果是在現代大型制造企業的生產過程中成百上千的機械手同時連續工作，節能節電效果將非常可觀，可以極大節約企業的用電成本。
5 結束語
機械手在工業企業受歡迎的重要原因就是能提高生產效率、降低人工成本，將節能設計理念在機械手中的應用進行分析，具有一定的實際意義。發展節能技術、研發節能產品是大勢所趨，只有這樣才能節約資源，降低能耗，減少污染，同時保護好生活環境和自然環境。新型節能機械手將越來越廣泛地進入生產生活中的各個領域，實現人與機械及自然三者的和諧可持續發展。
參考文獻 :
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