论同步带机械手结构特点及在医疗行业中的应用

摘要：机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，它最大的特点是可以很容易地实现一定空间范围内任意坐标点的准确定位及作业的能力，从而很方便地代替人类高强度的劳动，提高了操作的准确性和作业的效率。文章对同步带机械手结构特点及在医疗行业中的应用进行了探讨。

关键词：同步带；机械手；结构特点；医疗行业；自动化；准确性 文献标识码：A

中图分类号：TP241 文章编号：1009-2374（2017）03-0043-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.019

1 概述

如图1所示为很常用的三轴机械手使用的案例，此案例机械部分是由X轴、Y轴、Z轴及一电动夹爪组成，其中X轴、Y轴主要是由直线导轨、同步带传动组件、闭环步进电机及固定座等组成；Z轴则采用了小型的自润滑丝杆滑台构成；电动夹爪采用了SMC的产品。整体结构很简单，制作成本较低，同时同步带不像丝杆受其本身直径及螺距的影响，它直接通过电机传动同步轮带动同步带动作，其速度只取决于电机的转速及同步轮的直径大小；在医疗设备行业，其面对加工的产品很多都是较轻的，产品的量较大，对生产的节拍要求高，而同步带机械手特点就是高速、适合长行程及负载较轻的情况下使用，因此随着医疗设备自动化智能化的不断发展，同步带机械手的应用也随之越来越广泛了。

2 图1所示机械手各机构说明

2.1 Y轴

Y轴如图1所示，主要是由直线滑轨、同步带、传动用同步轮及轴承、转动轴及安装座以及传动步进电机等组成。

2.1.1 由于此Y轴是固定不动的部分，其他轴要依附此轴进行相对的移动，所以此轴考虑负载情况下采用了双滑轨设计，来保证整个机械手的强度及稳定性，此轨道采用台湾上银HIWIN Q1系列静音直线滑轨，此滑轨具有以下特点：（1）此滑轨采用了低噪音设计：利用同步联结器可使滚珠均匀等间隔的排列，滚珠与滚珠间的相互撞击金属声消失，尖锐的高频声音强度从而得到了有效的降低；（2）自润滑的设计：无需加油，其同步联接器在中间的间隔部设计有储油的空间，可供给钢珠在运行时润滑之需要，且在经过方向回转部时，能够将润滑油均匀地补充，储油的频率可有效地减少，在出厂时添加高性能的润滑油脂，在正常的使用上无需进行加油维护；（3）运动平顺度好：此滑轨由于具有同步联结器，将同一循环内的所有钢珠串联在了一起，所以当滑块开始运动时，所有钢珠几乎同时启动，且在钢珠间并无来回的碰撞，在保持一定的运动惯性下，摩擦阻力的变动幅度能有效地减少；（4）高速性好：通过同步联接器的间隔部设计使得滚珠与滚珠间的相互摩擦消失，且HIWIN的专利设计使得滚珠与同步联接器之间为环形线接触，可减少两者间接触面积，进而有效降低摩擦阻力，使得此静音式线性滑轨具有卓越的高速性能。

以上滑轨的选用克服了润滑维护造成污染环境的问题，降低了噪音，能进行快带作业的能力。

2.1.2 同步带采用MISUMI的标准S3M橡胶高扭矩同步带，保证皮带的强度，使皮带的寿命尽可能长，减少机械手的维护，从而降低机械手的维护成本，同时使用同步带可以避免傳动时产生噪音，消除传动的间隙，保证运动的精度。

2.1.3 铝合金同步轮、深沟球轴承等标准件则按机械手册标准型号购买国内的优质产品，在保证质量的前提下降低成本；其他的转轴及固定座等加工件按工艺需求选用适用的材料进行加工制作，在保证质量的前提下，尽可能选用密度较轻的材料如铝合金等常用材料制作，减轻机械手的重量，降低机械手电机的负荷提高机械手运行的平稳度及精度等。

2.1.4 传动电机采用含编码器、驱动器一体的步进电机，尽可能使机械手小型化，步进电机采用日本SanRex（三社）电机。

2.2 X轴

X轴整个为固定在Y轴的双滑轨滑块上，通过Y轴的移动从而实现X轴的Y向移动，其组成包含有直线滑轨、同步带、传动用同步轮及轴承、转动轴及安装座以及传动步进电机等。

2.2.1 X轴上的负载由于较轻，所以只采用了一根滑轨，其所选用的型号同Y轴使用的一样。

2.2.2 同步带、传动用同步轮及轴承这些也同Y轴一样，尽可能通用，从而更能实现产品加工件的批量化，大大降低加工件的成本，提升产品的竞争力。

2.2.3 转动轴及安装座，其中安装座直接采用不锈钢制作，利用激光切割工艺，在一个面上直接进行各标准件的安装孔加工，然后进行各元件的装配，采用好钣金件能大大提高产品制作的效率，减轻重量，节省

空间。

2.2.4 步进电机的选用同Y轴。

2.3 Z轴

Z轴是三轴中负载最轻的一个轴，同时也是最紧凑的一个轴，主要由滑轨、直线电机及安装座等组成。

2.3.1 滑轨采用同X、Y轴同样的系列，在此不再重复叙述了。

2.3.2 直线电机采用易格丝品牌，其中的直线电机的螺母采用自润滑的工程塑料，从而避免了润滑维护，为客户降低了维护成本，减少了对环境的污染，同时由于采用了塑料螺母，因而也大大降低了运动时所产生的噪音，从而尽可能减少对周围人员的干扰。

2.3.3 安装座采用铝合金制作，尽可能减少机械手的重量。

2.4 夹爪

夹爪采用SMC的小型电动夹爪，夹爪的重量约为250克，夹持小工件时能通过控制器设置夹紧行程，并通过夹紧力的判断来确定是否夹有工件，夹好了没有，从而能实现机械手抓取工件的智能化。

3 此案例的机械手动作说明

此案例的机械手是最常用的最普通的机械手之一，机械手动作主要是由PLC程序通过X、Y、Z三轴的快速插补来对目标进行走位控制并准确抓取工件，由于工件的位置分布不同，所以机械手插补走位的方式也不一样，X、Y轴插补走位的方式有如下三种：（1）X轴方向无障碍物，Y轴方向有部分障碍，则X轴先动作避开Y轴的障碍物后，再Y轴动作到达目标位置；（2）X轴方向有部分障碍物，Y轴方向无障碍，则Y轴先动作避开X轴的障碍物后，再X轴动作到达目标位置；（3）X轴方向无障碍物，Y轴方向无障碍，则X、Y轴一起动，走斜线直达目标位置。

Z轴则是对夹爪进行提升的动作，当夹爪抓住工件后，Z轴将夹爪进行提升并最终通过XY轴移动到目的地后，再通过Z轴下落，夹抓放开工件从而完成抓取作业的整个流程。

4 同步带机械手的优缺点

4.1 同步带机械手的优点

4.1.1 工作时同步带无滑动，传动比很准确，从而保证了机械手在动作过程中的准确找位。

4.1.2 同步带是属于无滑动传动，所以同步带机械手有很高的传动效率，一般同步带的传动效率可达到98%左右。

4.1.3 同步带传动速度快，由于其传动比范围较大，从而传动的速度也可以做得很高，此传动主要是通过同步轮的分度圆直径大小及电机的传动比来决定其传动的最终速度，同步带传动的传动比一般可以达到10左右，所以通过此同步带的传动可以实现机械手的高速行走功能。

4.1.4 同步带机械手维护保养方便，运转费用低，同步带在运转过程中不需要任何的润滑，所以在保养方面是较方便的。

4.1.5 同步带传动噪音较低，由于同步带与同步轮在啮合时是无间隙的，所以其传动时产生的噪音也将十分小，很适合在低噪音的环境中使用。

4.1.6 同步带由于是主要由橡胶或聚胺脂构成，材质较软，所以在机械手运行过程中还能起到一定的缓冲及吸震的作用。

4.1.7 结构简单紧凑，同步带传动主要组成件有主动轮、从动轮及同步带，所以易实现机械手小型化。

4.2 同步带机械手的缺点

同步带传动有很多的优点，但其缺点也不少，同步带在不断的运行使用中会逐渐老化导致其寿命较短，由于同步带为橡胶或聚胺脂等材料，所以如果与外部金属材质磨擦容易导致皮带表面磨损的现象，从而大大影响皮带的使用寿命，另外还有可能会出现齿剥离，跳齿及皮带震动等不良的情况。针对同步带机械手中同步带的这些缺点，可以通过相对应的一些措施来避免这些不良情况的发生，延长皮带的使用寿命，从而保证机械手的正常运行。解决以上不良问题的措施有：

4.2.1 针对同步带的老化问题其原因一个是使用环境有油渍等易使皮带老化的污染源存在，所以定期要对皮带进行清洁，保持表面干净，不受外物的侵袭

腐蚀。

4.2.2 尽量减少对皮带的摩擦，一定要有摩擦的地方要保证与皮带接触的地方要非常的光滑或是采用自润滑的塑料件，从而保证皮带的不磨损。

4.2.3 其他的問题就要通过零件的加工制造及装配的精度保证好，尽量减少误差，保证传动的顺畅平稳，从而保证同步带机械手的正常运行，提高其运动的准确性。

5 同步带机械手在医疗行业中的应用

在医疗行业中，受其环境的限制，它对医疗设备的限制有很多，要求低噪音，因为有很多时候噪音大会影响到患者和医护人员的情绪；还要无污染，像有些地方有润滑等就会产生油脂之类的排放在外面，从而造成环境的污染，影响环境的卫生，造成医用品的污染等影响病患者身体恢复等不利情况的发生；另外还要求设备尽可能要轻巧、小型化，由于医疗设备在医院放置的地方都是有限的，而且很多时候都是要搬运到楼上去进行放置使用，所以对设备的尺寸要求较严，不能太大，否则不利于设备的就位；速度快也是一个很重要的要求，随着现在人民的生活水平的提高，病人对看病的效率看得更加的重要，但同时可能由于病人的数量较多，所以这就要求医疗设备的效率要快，以上对医疗设备的要求特点，作为同步带结构的机械手，正好其本身的结构特点很符合医疗设备的要求，随着同步带机械手不断的更新发展，其低噪音、小型化、高速度、易维护及定位准确的这些特点使得其在医疗设备自动化中应用得越来越广泛了，在国外的像贝克曼、罗氏及雅培等的生化检验流水线上检验设备中已有非常普遍的应用。

6 结语

本文已介绍了同步带机械手的结构特点及其在医疗行业中的应用，此机械手结构非常简单，已基本成为了国内医疗设备行业中最普及的一种机械手之一，并得到了非常广泛的应用。

参考文献

[1] MISUMI公司.2015MISUMI目录.2015.

[2] SMC公司.Best-Pneumatics Version3.

[3] 曹正明.机械工程材料手册：金属材料[M].北京：

机械工业出版社，1998.

[4] 台湾上银公司.2015HIWIN资料样本.

作者简介：王祖清（1981-），男，湖南株洲人，广州市创惠医疗科技信息有限公司自动化生产线项目经理，研究方向：汽车非标自动化生产线集成设备及医疗智能采血管理系统及生化免疫检验系统自动化流水线设备的研发设计及项目工程管理。

（责任编辑：蒋建华）