桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 1 頁 共 24 頁 帶式輸送機技術的最新發展 M. A. AlspaughOverland Conveyor Co., Inc. MINExpo 2004 拉斯維加斯 , 內華達州，美國 ， 9， 27, 2004 摘要 粒狀材料運輸要求帶式輸送機具有更遠的輸送距離、更復雜的輸送路線和更大的輸送量。為了適應社會的發展，輸送機需要在系統設計、系統分析、數值仿真領域向更高層次發展。 傳統水平曲線和現代中間驅動的應用改變和擴大了帶式輸送機發展的可能性。本文回顧了為保證輸送機的可靠性和可用性而運用數字工具的一些復雜帶式輸送機。 前言 雖然 這篇文 章的 標題表明在皮帶輸送機技術 中 將提出 “新 ”發展， 但是提到的 大多 思想和方法都已存在很長時間了 。 我們 不 懷疑被提出 一些部件 或想法將是 “新 ”的對 你們大部分人來說 。 所謂的“新”就是利用成熟的技術和部件組成特別的、復雜的系統； “新”就 是 利用 系統設計工具和方法 ， 匯集 一些部件組成 獨特的 輸送機系統，并 解決 大量粒狀原料的裝卸問題；“新”就是 在第一次系統試驗 (委任 )之前 利用日益成熟的計算機技術進行 準確節能計算機模擬。 同樣，本文的重點是特定復雜系統設計及滿足長距離輸送的要求。 這四個具體課題將覆蓋： 托輥阻力 節能 動力分 散 分析與仿真 節能 減小設備 整體電力消費是所有項目的一個重要方面，皮帶輸送機是 也不例外 。 雖然與其他運輸方法比較皮帶輸送機總是運輸大噸位高效率的手段， 但是減少帶式輸送機的功率消耗的方法還是很多的 。 皮帶輸送機的主要 阻力 組成 部分有： 托輥阻力 托輥與皮帶的摩擦力 材料或輸送帶彎曲下垂引起的阻力 重力 這些阻力加上一些混雜阻力組成輸送材料所需的力。 桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 2 頁 共 24 頁 在一臺輸送長度 400 米的典型短距離輸送機中 ,力可以分為如圖 1 所示的幾個部分，圖中可以看出提升力所占比例最大，而阻力還是占絕大部分。 圖 1 在高傾斜輸送帶中 如礦用露天傾斜輸送帶，所受力可分解為圖 2 所示的幾個部分，其中提升力仍占巨大比例。由于重力是無法避免的，因此沒有好的方法減少傾斜式輸送機所受力。 圖 2 桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 3 頁 共 24 頁 但是在長距離陸上輸送機中，所受力更趨向圖 3 所示的幾個部分，不難看出摩擦力幾乎是所受力的全部。這種情況下考慮主要受力才是最重要的。 圖 3 力量演算具體是超出本文的范圍之外，但是 值得一提的是 ，在過去幾年對所有四個區域橡膠凹進、對準線和材料或者傳送帶彎曲 等方面的重要研究都在進行 。 并且，雖然 在 處理每特定區域 時大家有不同意見 ，通常對整體項目經濟 是必要和 重要的 是 被大家被接受 的。 在 2004 個 SME 年會上， MAN Takraf 的 Walter Kung 介紹了題為“ Henderson 粗糙礦石輸送系統 回顧組裝、起動和操作” 2。 這個項目在 1999 年 12 月被實施并且包括一個 24 公里 (3 飛行 )陸上轉達的系統替換地下礦碾碎路軌貨車使用系統。 圖 4 Henderson PC2 到 PC3 調動站 最長的傳動機在這個系統 (PC2)是 16.28 公里長與 475m升距。最重要的系統事實是桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 4 頁 共 24 頁 提供的功率 (4000千瓦在 1783 mtph 和 4.6 m/s)的 50% 被要求用來轉動一條空載的帶子，因此輸送系統的效率是很重要的。需密切注意托輥、傳送帶蓋子橡膠和對準線。用文件說明有關的效率的差別是的一種方法， 使用 相等的摩擦系數 f的 22101 標準定義作為比較主要抵抗的總數的另一種方法。過去，象這樣典型輸送裝置的綜合設計噪音系數大約是 0.016f。 MAN Takraf 正估計他們對力的敏感達到到 0.011 的 f，超過 30%的削減。這在減少設備建造成本上做出了重大貢獻。通過六次的實際動態測量顯示價值是0.0075，甚至比期望值低 30%。 Kung 先生強調這將在僅僅用電費用一項上每年減少費用 10 萬美元。 線路優化 圖 5 中國天津 水平適應性 當然最高效率的材料運輸方式是從一點到下一點的直線輸送。 但是，由于自然和認為障礙的存在，我們在長距離輸送過程中直接直線輸送的可能性越來越小。第一臺水平彎曲輸送機已在很多年前安裝使用，但它今天似乎關于安裝的每臺陸上傳動機在方向至少有一個水平變化。并且今天的技術允許設計師相對地容易地調整這些曲線。 圖 5 和圖 6 顯示的是把煤從蘊藏地運輸到中國天津港口管理處的陸上輸送裝置。這套運輸機由 E.J. ODonovan & Associates 設計，由 Continental Conveyor Ltd of Australia 公司承建，長達 9 千米的輸送距離 4 臺 1500 千萬電機驅動運輸能力達 6000 mtph 。 桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 5 頁 共 24 頁 圖 6 天津輸送線平面圖 Wyodak 礦位于美國懷俄明州粉河流域，是記錄中最古老的連續經營的煤礦，自 1923年運營至今。它一般運用坡面 (圖 7)從新的礦坑到裝置 756m (2,482 ft)與 700m (2,300 ft)水平的半徑。 這表明由于水平輪的應用輸送機不需要設計太長 3。 圖 7 Wyodak 煤礦 隧道式 如通過沒有水平曲線線路，另一項產業，隧道挖掘，就不能使用帶式輸送機了。 隧道就想象廢水和運輸那樣的基礎設施在全世界有。 移動隧道糞肥的最有效率的方法通過把推進的輸送裝置和隧道機器的后部連結起來。但是這些隧道極少是直的。 這里有一個例子，西班牙 10.9m 直徑隧道的在巴塞羅那之下作為地鐵 (火車 )引伸項目一部分。大陸輸送機機有限公司安裝了前 4.7km傳動機如圖 8 和 9 所顯示和最近接受桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 6 頁 共 24 頁 合同安裝第二臺 8.39 公里輸送機。 圖 8 巴塞羅那隧道平面圖 圖 9 隧道內部 另一個例子， 肯珀建設邊境 時，建設一個直徑 3.6 米長 6.18 公里的隧道作為大都市圣路易斯的下水道區。鮑姆加特納隧道 (圖 10)將裝有 600 毫米寬的用 4 個中間運動用帶子系住的 6.1 公里輸送裝置。 桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 7 頁 共 24 頁 圖 10 鮑姆加特納隧道平面圖 管狀輸送裝置 如果常規輸送機不能滿足必須的輸送要求，帶式輸送機的一種管狀輸送機會是不錯的選擇。 圖 11 管狀輸送裝置 它最簡單的描述，管狀輸送機就是由管狀橡膠管和空轉輥組成。這種設計具有其他傳送方式的優點，更有自己的特點。 托輥可以在各個方向傳力允許更復雜的曲線輸送。這些曲線可以是水平或垂直或混合形式。 這樣的輸送機輸送帶與托輥之間的重力和摩擦力保證原料在輸送管道內。 桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 8 頁 共 24 頁 圖 12 管狀輸送機的另一個好處可以輸送粉狀原料并且可以減少溢出浪費，因為材料是在管道內部。一個典型的例子是環境效益和適應性特好的美國猶他州地平線礦（圖 12）。這個長 3.38 公里的管狀輸送機由 ThyssenKrupp Robins 安裝通過一個國家森林并且橫斷了 22 個水平段和 45 個垂直段。 Metso 繩索輸送機 另一種由常規衍變來的是 Mesto 繩索輸送機（ MRC），通常以纜繩傳送帶著名。這個產品以長途輸送著名，在距澳大利亞 30.4 公里 的沃斯利鋁土礦上應用的輸送帶是最長的單個飛行輸送機。在鋼繩輸送機上，驅動裝置和運載媒介是分離的。 圖 13 MRC-平直的部分 這種驅動與輸送裝置的分離允許輸送有小半徑的水平彎曲，這種設計優于根 距張緊力和地勢的傳統設計。 桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 9 頁 共 24 頁 圖 14 MRC 與常規輸送機水平曲線的不同 圖 15 位于加拿大 Line Creek 的 MRC 圖 15 顯示的是位于加拿大 Line Creek 河畔的一條長 10.4 公里水平半徑 430 米的纜繩輸送帶 立式輸送裝置 有時材料需要被提升或下降而常規輸送機被限制在 16 18 度附近的傾斜角度內 。但是帶式輸送機的非傳統衍變不管是在增加角度還是平直方面都是相當成功的。 大角度輸送機 第一臺大角度輸送機由 Continental Conveyor & Equipment Co.公司生產，非常利用常規輸送機零部件（圖 16）構成。當原料在兩條帶子之間輸送時，被稱為三明治輸送裝置。 桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 10 頁 共 24 頁 圖 16 Continental 公司的第 100 套大傾角輸送裝置采用獨特的可平移式設計，作為Mexican de Canenea 的堆過濾墊（圖 17）。 圖 17 垂直式輸送裝置 第二種立式輸送裝置展現的是一種非常規的 帶式裝置，它可以實現垂直輸送（圖18）。 這種 Mesto 垂直輸送機， 2001 年由 Frontier Kemper 安裝在白縣煤礦 Pattiki 2 礦（圖19），將煤由 273 米深的礦井輸出并達到 1,818 mtph 的輸送能力。 桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 11 頁 共 24 頁 圖 18 圖 19 Pattiki 2 礦 動力分散 在最近過去的一段時間里，一種最有趣的發展是電力沿輸送道路的分配。看到輸送機驅動裝置安裝在收尾末端，讓尾端驅動完成輸送帶的拉緊輸送工作。但是現在的發展觀念是把驅動安裝在任何需要的位置。 在帶式輸送機上多個位置安裝動力源的想 法已經存在很長一段時間了。第一次應用是 1974 年安裝在美國 Kaiser 煤礦。緊接著是在地下煤礦中得到應用，而且長臂開采法也越來越體現它的優越性。采礦設備的效率和能力也得到巨大改善。礦工們也開始尋找大的礦區從而減少移動大型采礦設備的次數及時間。礦井寬度和礦井分格長度都得到增桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 12 頁 共 24 頁 加。 當礦井分格長度增加后，輸送問題開始出現。接近 4-5 千米的輸送長度所需要的電力和輸送帶的強度比以前地下煤礦需要的大很多。問題是大號的高電力驅動裝置安裝及移動困難。雖然膠帶技術能夠滿足膠帶所需強度要求，它意味著需要比鋼鐵更重要的強度及加 硫處理。由于長臂開采法的盤區傳動機經常推進和后退，礦工需要經常增加或取消滾筒的正傳與逆轉。而且硫化結合需要長期維護以保證強度，因而失去的產品生產時間在一個完全盤區中是很嚴重的。現在需要超過風險，并且中間驅動的應用限制了輸送帶的伸長及張緊這樣就允許纖維膠帶在長距離輸送機中應用。 現今，中間驅動技術被很好的接受并越來越廣泛的應用于地下煤礦中。世界范圍內的許多礦把這項技術整合到現在和未來礦業計劃當中來增加他們的整體采礦效率和效益 6。 表 20 所示的張緊圖顯示了中間驅動的重大好處。這種平面前驅的輸送機有簡單的皮帶張 力分布如黑色線條所示。雖然平均皮帶張力在每個周期期間只約為最大值的40%，但必須圍繞最大估量值附近。黑色線條的急劇回落表示頂頭滑輪要求的總扭矩和力量來啟動輸送機。 將受力分解到兩個地點（紅線），當總功率基本相同的情況下，皮帶張力差不多減少 40%。因此更小的輸送帶和更小的電源組可以得到運用。為了進一步擴展這種方式，增加第二中間驅動（綠線），皮帶峰頂張力進一步下降。 隧道產業也迅速采用這種技術并且把這項技術提高到更好的水平，更復雜更先進。但挖隧道最需要的是水平曲線的進步。 通過中間驅動（圖 21）的一種應用 例如 Baumgartner 隧道如前圖 10 所描述，皮帶張緊力可以通過在重要的地點安裝戰略驅動來控制，從而實現輸送帶的小曲線換向。 圖 20 桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 13 頁 共 24 頁 圖 21 在圖 22 中，綠色投影區域代表彎曲結構的地點。藍色線條代表輸送帶運載面，粉紅色線條代表輸送帶返回面。可以發現在彎曲半徑最小 750 米時輸送帶運載面和返回面所受張緊力均達到最小。 圖 22 盡管到目前為止，這項技術陸上輸送機中沒有廣泛的應用，一些傾向于水平曲線的技術卻得到發展。圖 23 顯示了南美洲的一條長 8.5 千米硬巖層輸送帶，它需要 4 個中間驅動來 實現 4 段 2000 米半徑的曲線轉向。 桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 14 頁 共 24 頁 圖 23 平面圖 圖 24 顯示在彎曲段有與沒有驅動時輸送帶的張緊力比較。 分散驅動的優點在 MRC 纜繩輸送帶中也得到應用。然而張緊運載的繩索有別于負載傳送帶，安裝中間驅動更加容易，輸送的原料不用離開運載輸送帶的表面。張緊運載的繩索與輸送帶分開足夠的距離，便利在安裝中間驅動后繼續工作。 圖 24 張緊曲線 分析與仿真 許多人在爭論我們建造以上描述的復雜輸送機的能力時，歸因于許多分析和仿真工具的發展。組件制造商可以通過測試他的產品以保證符合規格；然而系統工程師很少能測試完 成的系統，知道它在站點完成。所以計算方法和工具在模仿各種各樣不同學科和組分上的作用是絕對重要的。 動態開始和停止 當進行開始和停止試驗時，假設所有的質量單元同時加速；也就是把輸送帶看做一個剛體（非彈性體）。實際上，推進扭矩通過滑輪產生的壓力波傳遞給輸送帶，并通過桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 15 頁 共 24 頁 壓力波的傳播帶動輸送帶運行。壓力在輸送帶上傳播時發生由阻礙輸送帶運行的阻抗產生的縱波引起的變化。 7 從 1959 開始許多出版物都指出彈性輸送帶的大輸送量、長距離輸送機在停止和啟動時會導致傳動裝置、驅動裝置、張緊裝置的選擇等錯誤。對彈性瞬變響應的疏忽可 能導致不精確的后果： 輸送帶最大壓力 滑輪上的最大壓力 輸送帶的最小壓力及原料泄漏 提升壓力要求 提升行程和速度要求 驅動輪 啟動轉矩 制動轉矩 各驅動間的負載分擔 原料在斜面上的穩定性 為了長期應用，通過數學模型對彈性輸送帶在開始和停止時的狀態進行模擬是非常重要的。 一部完整輸送機系統的模型可通過劃分輸送機為一系列的有限元素來實現。每個元素由一個質量和一個流變彈簧組成，如圖 25 所示。 圖 25 許多分析輸送帶無力性能的方法都在研究，如把它看做一個流變彈簧，而且大量的技術也被用來這方面的研究 。一個合適的模型需要包含以下幾個方面： （ 1） 傳送帶縱向拉伸量的彈性模數 （ 2） 對從屬運動的阻抗 （ 3） 凹陷處的粘彈性損失 （ 4） 由于輸送帶的下垂引起的輸送帶模數變動 因為純數學解決這些動態問題是非常復雜的，它的目標不是詳述基礎的動態理論分析。相反，它的目的是讓長距離輸送、水平彎曲、分散驅動在輸送機上更普遍，對傳送帶停止和開始進行彈性動態分析的重要性是開發適當的控制算法。 轉運站的質流 桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 16 頁 共 24 頁 運用中間驅動和鏈板輸送能長期使用的一個原因就是消除轉運站。許多最困難的問題在帶式輸送機裝貨和卸載附近集中。傳送溜槽通常 選在輸送機高效維護區域，同時重大生產風險在這里集中。 堵塞 輸送帶和滑道損傷和磨蝕物質退化 粉塵 裝貨 /溢出偏心 過去，沒有分析工具，反復試驗和經驗是設計工程師唯一可用的設計方法；現在，數值仿真方法的存在允許設計師在制造之前測試他們的設計。 數字仿真是根據一個實際的物理系統設計的模型，并在計算機上模擬和分析結果。仿真體現在實踐中學習的精神。為了了解現實及其復雜性，我們在計算機上建立虛擬物體并動態的觀察它們間的相互作用。 分離元素法是解決工程學和應用科學如粒狀材料流等不連續的機械行為問題的一種數字模擬 技術。值得注意的是，由非連續行為引起的行為不能依靠傳統基基于計算機的連續流塑造方法例如有限元素分析、有限差規程和甚而計算流體動力學 (CFD)的來進行模擬。 DEM 系統模仿每個部件或微粒的動態行為和機械互作用，并提供分析期間每個部件和微粒的位置、速度、和力量的詳細描述。 8 在分析過程中，微粒被塑造成有形狀的物體，這些物體之間及于界限表面、運載表面互相作用，這些物體接觸和碰撞形成他們之間法向、切向力 . 正常接觸分力在碰撞過程中引起一個線性有彈性恢復的組分和一個粘阻力來模擬能量損失。線性有彈性組分系數根據自身 屬性確定，正常粘滯系數可以根據一個等效恢復系數的彈簧來塑造（圖 26）。 圖 26 圖 27 顯示顆粒下落通過傳送帶溜槽。圖示中顆粒的顏色代表他們的速度。紅色代表零速度，而綠色代表最高速度。也許這些工具的最大好處就是一位老練的工程師能通桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 17 頁 共 24 頁 過形象化表示設計施工前有個行像的表現。有了這個形象的感覺在施工過程中可以盡量減少不必要的工作。 其他定量數據也可能被隱藏包括在輸送帶或滑道墻壁的沖擊和剪切力。 圖 27 前景 更大的帶式輸送機 本文提到了一臺最長的唯一飛行常規輸送機，長 16.26 公里的 Henderson PC2。但一臺 19.1 公里的輸送機在美國正在建設中，并且一臺 23.5 公里的飛行式輸送機在澳洲被設計。其他長 30-40 公里的輸送機在世界其他地區討論研究。 當定量凹進的方式為人所知，輸送帶制造商開發了低輾壓抗壓儲力 10-15%的橡膠輸送帶。與改進的設施方法和對準線一起作用，節能是可以實現的。 地下煤礦和隧道承包商將繼續使用已經證明對他們有好處的分散驅動方式；至少有兩種在表面輸送機中安裝中間驅動的輸送機在 2005 年運行。 在德國， RWE Rheinbraun 使煤礦用輸送機輸送量達到 30,000 tph ，并且 其他表面煤礦也在有計劃的接近這個輸送量。隨著輸送兩的增加，輸送帶的速度也在增加，這樣就要求更好的設備、工藝公差、阻力和動力分析。 我們希望輸送機能夠更遠、更寬、更高、更快，采用所有分析工具來分析系統性能。因為每臺輸送機都是獨特的，我們唯一的預見方式就是外面的數據分析和模仿工具。因此由于外面的目標越來越大，我們有必要改進設計工具。 機械手簡介 機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。工業機械手是工業 機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構 造和桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 18 頁 共 24 頁 性能上兼有人和機器 各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業 的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。 隨著工業自動化的發展 , 出現了數控加工中心 ,它在減輕工人的勞動強度的同時 , 大大提高了勞動生產率。但數控加工中常見的上下料工序 , 通常仍采用人工操作或 傳統繼電器控制的半自動化裝置。前者費時費工、效率低 ； 后者因設計復雜 , 需較 多繼電器 ,接線繁雜 , 易受車體振動干擾 ,而存在可靠性差、故障多、維修困難等問 題。可編程序控制器 PLC 控制的上下料機械手控制系統動作簡便、線路設計合理、 具有較強的抗干擾能力 , 保證了系統運行的可靠性 ,降低了維修率 , 提高了工作效 率。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術 和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 工業機械手的概述 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多 個自由度， 可用來搬運物體以完成在各個不同環境中工作。 在工資水平較低的中國， 塑料制品行業盡管仍屬于勞動力密集型，機械手的使用已經越來越普及。那些電子 和汽車業的歐美跨國公司很早就在它們設在中國的工廠中引進了自動化生產。 但現 在的變化是那些分布在工業密集的華南、華東沿海地區的中國本土塑料加工廠也開 始對機械手表現出越來越濃厚的興趣，因為他們要面對工人流失率高，以及為工人 交工傷費帶來的挑戰。 隨著我國工業生產的飛躍發展， 特別是改革開發以后， 自動化程度的迅速提高， 實現工件的裝卸、轉向、輸送或操作釬焊、噴槍、扳手等工具進行加工、裝配等作 業自化，已愈來愈引起我們重視。 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定的程序、軌跡和要求實現自動抓取、 搬運或操作的自動機械裝置。 在現實生活中，你是否會發現這樣一個問題。在機械工廠里，加 工零件裝料的 時候是不是很煩的，勞動生產率不高，生產成本大，有時候還會發生一些人為事故，導致加工者受傷。 想想看用什么可以來代替呢， 加工的時候只要有幾個人巡視一下， 且可以二十四個小時飽和運作， 人行嗎？回答是肯定的， 但是機械手可以來代替它。 生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率 ；可以減輕勞動強 度、保證產品質量、實現安全生產；尤其是在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易 爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環境中能夠代替人進行正常的工作。想到這里我就 很想設計一個機械手，來用于生產實際中。 為什么 選著設計機械手用氣動來提供動力：氣動機械手是指以壓縮空氣為動力 源驅動的機械手。用氣壓驅動與其他能源驅動比較有以下優點： 1.空氣取之不竭， 用過之后排入大氣，不需要回收和處理，不污染環境。 （環保的概念） 2.空氣的沾 性很小，管路中壓力損失也很小（一般氣路阻力損失不到油路的千分之一） ，便于 遠距離輸送。 3.壓縮空氣的工作壓力較低 (一般為 4 8 公斤 /每平方厘米 )，因此對 動元件的材質和制造精度要求可以降低。 4.與液壓傳動相比， 它的動作和反應都快， 這是氣動突出的優點之一。 5.空氣介質清潔，亦不會變質 ，管路不易堵塞。但是也 有它美中不足的地方： 1.由于空氣的可壓縮性，致使氣動工作的穩定性差，因而造 成執行機構桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 19 頁 共 24 頁 運動速度和定為精度不易控制。 2.由于使用氣壓較低，輸出力不可能太 大，為了增加輸出力，必然使整個氣動系統的結構尺寸加大。 用氣壓驅動與用其他能源驅動比較有以下優點： 空氣取之不竭，用過之后排入大氣，不需回收和處理，不污染環境。偶然的或 少量的泄漏不致對生產發生嚴重的影響。 空氣的粘性很小，管路中壓力損失也就很小，便于遠距離輸送。 壓縮空氣的工作壓力較低，因此對氣動元件的材質和制造精度要求可以降低。 一般說來，往復運動推力在 12 噸以下采用氣動經濟性較好。 與液壓傳動相比，它的動作和反應都快，這是氣動的突出優點之一。 空氣介質清潔，亦不會變質，管路不易堵塞。 它可安全地應用在易燃、易爆和粉塵大的場合。又便于實現過載自動保護 . 二機械手的組成 機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復雜，但基本的組成形 式是相同的，一般由執行機構、傳動系統、控制系統和輔助裝置組成。 1. 執行機構 機械手的執行機構，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機構，用來夾緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類 似動作。手腕是連接手指與手臂的 元件，可以進行上下、左右和回轉動作。簡單的機械手可以沒有手腕。支柱用來支 撐手臂，也可以根據需要做成移動。 2. 傳動系統 執行機構的動作要由傳動系統來實現。常用機械手傳動系統分機械傳動、液壓 傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。 3. 控制系統 機械手控制系統的主要作用是控制機械手按一定的程序、方向、位置、速度進 行動作，簡單的機械手一般不設置專用的控制系統，只采用行程開關、繼電器、控 制閥及電路便可實現動傳動系統的控制，使執行機構按要求進行動作動作復雜的 機械手則要采用 可編程控制器、微型計算機進行控制。 三 機械手的分類和特點 機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立 的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規定的 操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機 械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業，先是通過 操作機來完成特定的作業，后來發展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工 業中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動 機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為 “ Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動；除少數以外，工作程序 一般是固定的，因此是專用的。 主要特點： (1) 機械手（上下料機械手、裝配機械手、搬運機械手、堆垛機械手、助力機 械手、真空搬運機、 真空吸吊機、省力吊具、氣動平衡器等）。 (2) 懸臂起重機（懸臂吊、電動環鏈葫蘆吊、氣動平衡吊等） (3) 導軌式搬運系統（懸掛軌道、輕型軌道、單梁起重機、雙梁起重機） (4) 工業機械手的應用 機械手是在機械化、自動化生產過程中發 展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域 內迅速發展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。 機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知 疲勞、不怕危險、桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 20 頁 共 24 頁 抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門 的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如： (1) 機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。 (2) 在裝配作業中應用廣泛，在電子行 業中它可以用來裝配印制電路板，在機 械行業中它可以用來組裝零部件。 (3) 可在勞動條件差，單調重復易子疲勞的工作環境工作，以代替人的勞動。 (4) 可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。 (5) 宇宙及海洋的開發。 (6) 軍事工程及生物醫學方面的研究和試驗。 助力機械手 :又稱平衡器、平衡吊、省力吊具、手動移載機等，是一種無重力 化手動承載系統，一種新穎的、用于物料搬運時省力化操作的助力設備 ,屬于一種 非標設計的系列化產品。針對客戶應用需求，量身定制的個案創作。 一種模擬人手操作的自 動機械，它可按固定程序抓取搬運物件或操持工具完 成某些特定操作。應用機械手可以代替人從事單調重復或繁重的體力勞動，實現 生產的機械化和自動化，代替人在有害環境下的手工操作，改善勞動條件，保證人 身安全。 20 世紀 40 年代后期，美國在原子能實驗中，首先采用機械手搬運放射性 材料，人在安全室操縱機械手進行各種操作和實驗。 50 年代以后，機械手逐步推廣 到工業生產部門，用于在高溫污染嚴重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床 的輔助裝置在自動機床自動生產線和加工中心中應用，完成上下料或從刀庫中取 放刀具 并按固定程序更換刀具等操作。機械手主要由手部機構和運動機構組成。手 部機構隨使用場合和操作對象而不同，常見的有夾持托持和吸附等類型。運動機構一般由液壓氣動電氣裝置驅動。機械手可獨立地實現伸縮旋轉和昇降等運 動，一般有 2 3 個自由度。機械手廣泛用于機械製造冶金輕工和原子能等部 門。 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。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害 環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子 能等部門。 機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也 常稱為機械手。機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。 機械手是在自動 化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化 裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。近年來，隨著 電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內 迅速發展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地 實現與機械化和自動化的有機結合。 機械手能代替人類完成危險、 重復枯燥的工作， 減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行 業中它可桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 21 頁 共 24 頁 用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、 組合機床 上使用更普遍。目前，機械手已發展成為柔性制造系統 FMS 和柔性制造單 元 FMC 中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統或柔 性制造單元，它適應于中、小批量生產，可以節省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊， 而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產系統很容易改變，有利于企業不斷更新 適銷對路的品種，提高產品質量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國的工業 機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規模和產業化水平 低，機械手的研究和開發直接影響到我國自動化生產水平的提高，從經 濟上、技術 上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。 簡易機械手及控制 隨著社會生產不斷進步和人們生活節奏不斷加快 ,人們對生產效率也不斷提出新要求。由于微電子技術和計算軟、硬件技術的迅猛發展和現代控制理論的不斷完善 ,使機械手技術快速發展 ,其中氣動機械手系統由于其介質來源簡便以及不污染環境、組件價格低廉、維修方便和系統安全可靠等特點 ,已滲透到工業領域的各個部門 ,在工業發展中占有重要地位。本文講述的氣動機械手有氣控機械手、 XY 軸絲杠組、轉盤機構、旋轉基座等機械部分組成。主要作用是完成機 械部件的搬運工作 ,能放置在各種不同的生產線或物流流水線中 ,使零件搬運、貨物運輸更快捷、便利。 一 .四軸聯動簡易機械手的結構及動作過程 機械手結構如下圖 1 所示 ,有氣控機械手 (1)、 XY 軸絲杠組 (2)、轉盤機構 (3)、旋轉基座 (4)等組成。 圖 28 機械手結構 其工作過程為：當貨物到達時 ,機械手系統開始動作 ；步進電機控制開始向下運動 ,同時另一路步進電機控制橫軸開始向前運動 ；伺服電機驅動機械手旋轉到達正好抓取貨物的方位處 ,然后充氣 ,機械手夾住貨物。 步進電機驅動縱軸上升 ,另一個步進電機驅動橫軸開始向前走 ；轉盤直流電機轉桂林電子科技大學畢業設計（譯文）用紙 第 22 頁 共 24 頁 動使機械手整體運動 ,轉到貨物接收處 ；步進電機再次驅動縱軸下降 ,到達指定位置后 ,氣閥放氣 ,機械手松開貨物 ；系統回位準備下一次動作。 二 .控制器件選型 為達到精確控制的目的 ,根據市場情況 ,對各種關鍵器件選型如下： 1.步進電機及其驅動器 機械手縱軸 (Y 軸 )和橫軸 (X 軸 )選用的是北京四通電機技術有限公司的 42BYG250C型兩相混合式步進電機 ,步距角為 0.9 /1.8 ,電流 1.5A。 M1 是橫軸電機 ,帶動機械手機構伸、縮 ；M2 是縱軸電機 ,帶動機械手機構上升、下降。 所選用的步進電機驅動器是SH-20403 型 ,該驅動器采用 10 40V 直流供電 ,H 橋雙極性恒相電流驅動 ,最大 3A的 8 種輸出電流可選 ,最大 64 細分的 7 種細分模式可選 ,輸入信號光電隔離 ,標準單脈沖接口 ,有脫機保持功能 ,半密閉式機殼可適應更惡劣的工況環境 ,提供節能的自動半電流方式。驅動器內部的開關電源設計