关于工业机械手概念设计关键技术的分析

赵竹强

(山东百特电机电器有限公司，山东 烟台 265718)

0 前言

工业机械手属于机械技术与电子技术融合的产物，其被广泛应用于高新产业之中，发挥着极为重要的作用，能够大幅提升生产效率与产品质量，实现工业生产的标准化管理。因此，工业机械手的设计成为解决工业生产的关键，在实际的产品设计中必须要掌握关键技术，切实提升设计的专业性、技术性和功能性，使其应用的适用性得到提升。同时，工业机械手作为技术融合的产物，覆盖了机械设计、气动设计及电控设计，因此是一门持续发展的尖端科技，其概念设计关键技术将成为重要的拓展渠道，值得重点关注和深入研究。

1 工业机械手及概念设计

1.1 工业机械手

目前来看，工业机械手得到了广泛的青睐和应用，其作为一种传统机械技术与现代电子技术的融合，具有较高的科技含量，主要用于生产密集型产品之中，并且随着产品制造要求的不断变化，其将逐步面向智能化发展格局，帮助企业实现生产的自动化和管理的智能化，以现代先进生产技术替代传统的人力操作，为工业领域的可持续创新发展提供驱动[1]。具体而言，工业机械手灵感源于人体上肢的运动和功能特征，其动作主要由信息参数的输入实现控制，管理中比较简单便捷，可在复杂的环境下实现标准化操作。由此，使工业机械手的应用领域逐步扩大，同时也对其设计工作也提出了更高要求。

1.2 概念设计

该理念于1984年由帕利和拜茨(Palh&Beitz)在其所著的《工程设计》中被提出，经过数十年的研究、创新和发展，对于概念设计的界定也更为清晰，即：在确定任务后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解路径，得出求解方案。总体而言，概念设计旨在依据产品生命周期中各阶段要求，实施产品功能的分解、创造及实现等，从而生成最佳的设计方案，完成产品生产的可行性求解，构建完善的产品及系统设计方案。事实上，概念设计的核心在于设计发散与创新的过程，在设计中不断直面问题求解，竭力满足技术目标、经济目标和应用目标，实现设计方案的优选，体现出较强的艺术性、综合性、创造性及经验性等特征。

2 工业机械手概念设计的关键技术

伴随工业技术的发展，依托工业机械手概念设计的要求，主要涉及系统化设计、结构模块化设计、产品特征知识设计、智能化设计等关键技术[2]。并且，各种概念设计之间并非完全孤立的，而是在不同的阶段产生联系，全面保障产品的设计质量，使之具备更高的应用价值。

2.1 系统化设计

系统化设计是工业机械手设计的基础，也是实现其功能的核心部分，系统化设计的特点是利用设计视为若干设计要素所构成的完整系统，且各设计要素之间具有独立性，能够实现要素间的广泛联系和体现明确的层次性，当所有要素结合后便可实现具体的操作任务。

2.2 结构模块化设计

所谓结构模块化设计是先进的设计方法，即在定义设计任务后对其实施分解，充分考虑各任务之间对产品的功能，针对各部分之间的协调问题求解，如此便可以在规范阶段消除设计中存在的矛盾，实现生产能力、费用支出的早期预测，确保在开发设计中具备可调整性，以此提升产品设计的效率与可靠性，全面实现产品设计成本的控制。

2.3 产品特征知识设计

其特点是基于计算机对语言描述的识别能力，获取产品的特征及设计领域的专业知识及经验，对应地建立知识库及推理机制，再结合该领域现有的知识实现辅助推理，以更好地实现设计方案的验证与判断，优化工业机械手的整体设计方案。

2.4 智能化设计

智能化设计主要基于设计方法学理论，依托现代科技与软件技术，如三维图形软件、智能化设计软件、虚拟现实技术等技术，以及应用多媒体、超媒体等实施产品开发设计、产品构思表达及产品结构描述，以实现对产品设计的智能化，使工业机械手能够更适应现实生产及未来发展需求。

3 工业机械手概念设计的应用分析

3.1 结构设计

基于工业机械手设计的基本方法，其结构一般采取模仿工人搬运的方式，对工业机械手的动态功能实施设计，通常由底座、大臂、小臂和爪子等主要部分构成，具体形态如图1所示。

图1 工业机械手结构

从工业机械手的结构看，底座属于其基础部件，一般发挥着其余各部件的承载作用，如执行机械及驱动系统等，都由底座实现支撑及连接。大臂则通常直接与底座相连接，同样是承载重力的主要结构之与，其功能是带动机械手爪抓取产品，再依据操作预定轨迹运动，完成产品的位移或者安装工作。小臂则是连接爪子和大臂的部件，以调整抓取姿势及方位功能为主。爪子采取回转型夹持式结构设计，由于其结构相对简单，具有制造简便、摩擦力小及动作灵活等特点。

在工业机械手的整体设计思路上，一般采取多个自由度设计，并基于PLC系统来实现控制气压换向阀，使气压系统执行机械生成不同的动作，进而实现其上下摆动、抓放动作及旋转功能。具体工作方式如下：

（1）大臂主要依赖于内部的气压缸推动，以保证大臂能够完成各种动作。

（2）小臂的作用机制与大臂类似，同样是利用内部气压缸的推动，实现对爪子的控制，以完成相应的抓取动作。

（3）机械爪则是依赖小臂所传导的控制力，实现对物体的夹放作业。

（4）在完成动作后，大臂在气压缸的作用下，完成快速的归位。

（5）底座则是完成支撑及旋转作用，确保工业机械手可以指向不同的方向。

（6）大臂在气压缸的作用下两次重复动作，循环上述机制。

3.2 气压驱动系统设计

工业机械手设计需要依据其功能特点来实现，尤其是执行机构需要利用气压系统作为驱动，完成张开、夹持等动作，并且需要利用系统的协调控制，使底座旋转、大小臂伸缩实现协调或者同步，在操作的过程中要求平稳缓慢，空载时要求快速运动，这些均需要利用PLC控制系统完成控制，其结构如图2所示。

图2 工业机械手气压驱动系统

结合其系统工作原理，其主要构成分为气压发生装置、控制元件、执行元件及辅助元件等构成。其中，气压发生装置即利用远动机所输出的机构能转换为空气压力，以空气压缩机为主，使工业机械手气压缸具备相应的压力值，并作用于工业机械手；控制元件主要是对压缩空气的压力 、流量及流向实现控制，以确保执行元件能够依据相应的输出力及参数设计正常运行，通常由压力阀、流量阀、方向阀等协同完成；执行元件则主要是能量转换装置，如气缸、马达等元件；辅助元件由是帮助执行的相关元件或装置，包括过滤器、干燥器、空气过滤器、消声器、油雾器等构成。比如，当气压驱动系统启动时，由C、B等部分完成协同伸臂动作，在抓取物品时则结合A进行，在抓取完成后再反向动作提升物品，再由D进行方向旋转，在放置物品时则按照相反的方向操作控制。

3.3 PLC控制系统设计

PLC控制系统属于当下主要的工业机械手控制系统，其能够依赖于各类控制技术，完成对工业机械手操作的全面控制，使之能够满足工业生产条件。一般而言，PLC控制系统可以具备如下控制能力，即顺序控制、运动控制、过程控制、数据控制及通信控制。而从PLC控制系统的结构来看，主要由中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出模块、电源模块、接口模块、通信接口、编程器及其他等部分构成[3]。

根据工业机械手的控制要求，在设计中必须要做好各部位的控制协同设计，以工业机械手的生产操作需要，对各类设计参数加以调整优化，以达到最佳的控制效果，确保工业机械手启动后能够流畅地由起始动作延续至结束动作，具体控制流程如图3所示。

图3 工业机械手操作流程

4 结语

综上所述，伴随工业科技的迅速发展，对工业机械设备的设计要求愈发提高。因此，在工业机械手的设计中，必须要针对其应用的实际情况，在概念设计中解决好生产矛盾和问题，选取最佳的设计方案，从而保证工业机械手最大限度发挥作用。同时，从具体的设计来看，必须要以结构设计、气压驱动系统设计及PLC控制系统设计，通过主要功能的完善和设计优化，使其能够具备更大的拓展空间，实现适用范围大、定位精度高、产品刚度好及控制灵活等特点，满足未来工业生产的需要。