論同步帶機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用

摘要：機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備，它最大的特點(diǎn)是可以很容易地實(shí)現(xiàn)一定空間范圍內(nèi)任意坐標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位及作業(yè)的能力，從而很方便地代替人類高強(qiáng)度的勞動，提高了操作的準(zhǔn)確性和作業(yè)的效率。文章對同步帶機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：同步帶；機(jī)械手；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；醫(yī)療行業(yè)；自動化；準(zhǔn)確性 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP241 文章編號：1009-2374（2017）03-0043-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.019

1 概述

如圖1所示為很常用的三軸機(jī)械手使用的案例，此案例機(jī)械部分是由X軸、Y軸、Z軸及一電動夾爪組成，其中X軸、Y軸主要是由直線導(dǎo)軌、同步帶傳動組件、閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)及固定座等組成；Z軸則采用了小型的自潤滑絲桿滑臺構(gòu)成；電動夾爪采用了SMC的產(chǎn)品。整體結(jié)構(gòu)很簡單，制作成本較低，同時(shí)同步帶不像絲桿受其本身直徑及螺距的影響，它直接通過電機(jī)傳動同步輪帶動同步帶動作，其速度只取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速及同步輪的直徑大小；在醫(yī)療設(shè)備行業(yè)，其面對加工的產(chǎn)品很多都是較輕的，產(chǎn)品的量較大，對生產(chǎn)的節(jié)拍要求高，而同步帶機(jī)械手特點(diǎn)就是高速、適合長行程及負(fù)載較輕的情況下使用，因此隨著醫(yī)療設(shè)備自動化智能化的不斷發(fā)展，同步帶機(jī)械手的應(yīng)用也隨之越來越廣泛了。

2 圖1所示機(jī)械手各機(jī)構(gòu)說明

2.1 Y軸

Y軸如圖1所示，主要是由直線滑軌、同步帶、傳動用同步輪及軸承、轉(zhuǎn)動軸及安裝座以及傳動步進(jìn)電機(jī)等組成。

2.1.1 由于此Y軸是固定不動的部分，其他軸要依附此軸進(jìn)行相對的移動，所以此軸考慮負(fù)載情況下采用了雙滑軌設(shè)計(jì)，來保證整個(gè)機(jī)械手的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，此軌道采用臺灣上銀HIWIN Q1系列靜音直線滑軌，此滑軌具有以下特點(diǎn)：（1）此滑軌采用了低噪音設(shè)計(jì)：利用同步聯(lián)結(jié)器可使?jié)L珠均勻等間隔的排列，滾珠與滾珠間的相互撞擊金屬聲消失，尖銳的高頻聲音強(qiáng)度從而得到了有效的降低；（2）自潤滑的設(shè)計(jì)：無需加油，其同步聯(lián)接器在中間的間隔部設(shè)計(jì)有儲油的空間，可供給鋼珠在運(yùn)行時(shí)潤滑之需要，且在經(jīng)過方向回轉(zhuǎn)部時(shí)，能夠?qū)櫥途鶆虻匮a(bǔ)充，儲油的頻率可有效地減少，在出廠時(shí)添加高性能的潤滑油脂，在正常的使用上無需進(jìn)行加油維護(hù)；（3）運(yùn)動平順度好：此滑軌由于具有同步聯(lián)結(jié)器，將同一循環(huán)內(nèi)的所有鋼珠串聯(lián)在了一起，所以當(dāng)滑塊開始運(yùn)動時(shí)，所有鋼珠幾乎同時(shí)啟動，且在鋼珠間并無來回的碰撞，在保持一定的運(yùn)動慣性下，摩擦阻力的變動幅度能有效地減少；（4）高速性好：通過同步聯(lián)接器的間隔部設(shè)計(jì)使得滾珠與滾珠間的相互摩擦消失，且HIWIN的專利設(shè)計(jì)使得滾珠與同步聯(lián)接器之間為環(huán)形線接觸，可減少兩者間接觸面積，進(jìn)而有效降低摩擦阻力，使得此靜音式線性滑軌具有卓越的高速性能。

以上滑軌的選用克服了潤滑維護(hù)造成污染環(huán)境的問題，降低了噪音，能進(jìn)行快帶作業(yè)的能力。

2.1.2 同步帶采用MISUMI的標(biāo)準(zhǔn)S3M橡膠高扭矩同步帶，保證皮帶的強(qiáng)度，使皮帶的壽命盡可能長，減少機(jī)械手的維護(hù)，從而降低機(jī)械手的維護(hù)成本，同時(shí)使用同步帶可以避免傳動時(shí)產(chǎn)生噪音，消除傳動的間隙，保證運(yùn)動的精度。

2.1.3 鋁合金同步輪、深溝球軸承等標(biāo)準(zhǔn)件則按機(jī)械手冊標(biāo)準(zhǔn)型號購買國內(nèi)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，在保證質(zhì)量的前提下降低成本；其他的轉(zhuǎn)軸及固定座等加工件按工藝需求選用適用的材料進(jìn)行加工制作，在保證質(zhì)量的前提下，盡可能選用密度較輕的材料如鋁合金等常用材料制作，減輕機(jī)械手的重量，降低機(jī)械手電機(jī)的負(fù)荷提高機(jī)械手運(yùn)行的平穩(wěn)度及精度等。

2.1.4 傳動電機(jī)采用含編碼器、驅(qū)動器一體的步進(jìn)電機(jī)，盡可能使機(jī)械手小型化，步進(jìn)電機(jī)采用日本SanRex（三社）電機(jī)。

2.2 X軸

X軸整個(gè)為固定在Y軸的雙滑軌滑塊上，通過Y軸的移動從而實(shí)現(xiàn)X軸的Y向移動，其組成包含有直線滑軌、同步帶、傳動用同步輪及軸承、轉(zhuǎn)動軸及安裝座以及傳動步進(jìn)電機(jī)等。

2.2.1 X軸上的負(fù)載由于較輕，所以只采用了一根滑軌，其所選用的型號同Y軸使用的一樣。

2.2.2 同步帶、傳動用同步輪及軸承這些也同Y軸一樣，盡可能通用，從而更能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工件的批量化，大大降低加工件的成本，提升產(chǎn)品的競爭力。

2.2.3 轉(zhuǎn)動軸及安裝座，其中安裝座直接采用不銹鋼制作，利用激光切割工藝，在一個(gè)面上直接進(jìn)行各標(biāo)準(zhǔn)件的安裝孔加工，然后進(jìn)行各元件的裝配，采用好鈑金件能大大提高產(chǎn)品制作的效率，減輕重量，節(jié)省

空間。

2.2.4 步進(jìn)電機(jī)的選用同Y軸。

2.3 Z軸

Z軸是三軸中負(fù)載最輕的一個(gè)軸，同時(shí)也是最緊湊的一個(gè)軸，主要由滑軌、直線電機(jī)及安裝座等組成。

2.3.1 滑軌采用同X、Y軸同樣的系列，在此不再重復(fù)敘述了。

2.3.2 直線電機(jī)采用易格絲品牌，其中的直線電機(jī)的螺母采用自潤滑的工程塑料，從而避免了潤滑維護(hù)，為客戶降低了維護(hù)成本，減少了對環(huán)境的污染，同時(shí)由于采用了塑料螺母，因而也大大降低了運(yùn)動時(shí)所產(chǎn)生的噪音，從而盡可能減少對周圍人員的干擾。

2.3.3 安裝座采用鋁合金制作，盡可能減少機(jī)械手的重量。

2.4 夾爪

夾爪采用SMC的小型電動夾爪，夾爪的重量約為250克，夾持小工件時(shí)能通過控制器設(shè)置夾緊行程，并通過夾緊力的判斷來確定是否夾有工件，夾好了沒有，從而能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓取工件的智能化。

3 此案例的機(jī)械手動作說明

此案例的機(jī)械手是最常用的最普通的機(jī)械手之一，機(jī)械手動作主要是由PLC程序通過X、Y、Z三軸的快速插補(bǔ)來對目標(biāo)進(jìn)行走位控制并準(zhǔn)確抓取工件，由于工件的位置分布不同，所以機(jī)械手插補(bǔ)走位的方式也不一樣，X、Y軸插補(bǔ)走位的方式有如下三種：（1）X軸方向無障礙物，Y軸方向有部分障礙，則X軸先動作避開Y軸的障礙物后，再Y軸動作到達(dá)目標(biāo)位置；（2）X軸方向有部分障礙物，Y軸方向無障礙，則Y軸先動作避開X軸的障礙物后，再X軸動作到達(dá)目標(biāo)位置；（3）X軸方向無障礙物，Y軸方向無障礙，則X、Y軸一起動，走斜線直達(dá)目標(biāo)位置。

Z軸則是對夾爪進(jìn)行提升的動作，當(dāng)夾爪抓住工件后，Z軸將夾爪進(jìn)行提升并最終通過XY軸移動到目的地后，再通過Z軸下落，夾抓放開工件從而完成抓取作業(yè)的整個(gè)流程。

4 同步帶機(jī)械手的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 同步帶機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)

4.1.1 工作時(shí)同步帶無滑動，傳動比很準(zhǔn)確，從而保證了機(jī)械手在動作過程中的準(zhǔn)確找位。

4.1.2 同步帶是屬于無滑動傳動，所以同步帶機(jī)械手有很高的傳動效率，一般同步帶的傳動效率可達(dá)到98%左右。

4.1.3 同步帶傳動速度快，由于其傳動比范圍較大，從而傳動的速度也可以做得很高，此傳動主要是通過同步輪的分度圓直徑大小及電機(jī)的傳動比來決定其傳動的最終速度，同步帶傳動的傳動比一般可以達(dá)到10左右，所以通過此同步帶的傳動可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的高速行走功能。

4.1.4 同步帶機(jī)械手維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，同步帶在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不需要任何的潤滑，所以在保養(yǎng)方面是較方便的。

4.1.5 同步帶傳動噪音較低，由于同步帶與同步輪在嚙合時(shí)是無間隙的，所以其傳動時(shí)產(chǎn)生的噪音也將十分小，很適合在低噪音的環(huán)境中使用。

4.1.6 同步帶由于是主要由橡膠或聚胺脂構(gòu)成，材質(zhì)較軟，所以在機(jī)械手運(yùn)行過程中還能起到一定的緩沖及吸震的作用。

4.1.7 結(jié)構(gòu)簡單緊湊，同步帶傳動主要組成件有主動輪、從動輪及同步帶，所以易實(shí)現(xiàn)機(jī)械手小型化。

4.2 同步帶機(jī)械手的缺點(diǎn)

同步帶傳動有很多的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也不少，同步帶在不斷的運(yùn)行使用中會逐漸老化導(dǎo)致其壽命較短，由于同步帶為橡膠或聚胺脂等材料，所以如果與外部金屬材質(zhì)磨擦容易導(dǎo)致皮帶表面磨損的現(xiàn)象，從而大大影響皮帶的使用壽命，另外還有可能會出現(xiàn)齒剝離，跳齒及皮帶震動等不良的情況。針對同步帶機(jī)械手中同步帶的這些缺點(diǎn)，可以通過相對應(yīng)的一些措施來避免這些不良情況的發(fā)生，延長皮帶的使用壽命，從而保證機(jī)械手的正常運(yùn)行。解決以上不良問題的措施有：

4.2.1 針對同步帶的老化問題其原因一個(gè)是使用環(huán)境有油漬等易使皮帶老化的污染源存在，所以定期要對皮帶進(jìn)行清潔，保持表面干凈，不受外物的侵襲

腐蝕。

4.2.2 盡量減少對皮帶的摩擦，一定要有摩擦的地方要保證與皮帶接觸的地方要非常的光滑或是采用自潤滑的塑料件，從而保證皮帶的不磨損。

4.2.3 其他的問題就要通過零件的加工制造及裝配的精度保證好，盡量減少誤差，保證傳動的順暢平穩(wěn)，從而保證同步帶機(jī)械手的正常運(yùn)行，提高其運(yùn)動的準(zhǔn)確性。

5 同步帶機(jī)械手在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用

在醫(yī)療行業(yè)中，受其環(huán)境的限制，它對醫(yī)療設(shè)備的限制有很多，要求低噪音，因?yàn)橛泻芏鄷r(shí)候噪音大會影響到患者和醫(yī)護(hù)人員的情緒；還要無污染，像有些地方有潤滑等就會產(chǎn)生油脂之類的排放在外面，從而造成環(huán)境的污染，影響環(huán)境的衛(wèi)生，造成醫(yī)用品的污染等影響病患者身體恢復(fù)等不利情況的發(fā)生；另外還要求設(shè)備盡可能要輕巧、小型化，由于醫(yī)療設(shè)備在醫(yī)院放置的地方都是有限的，而且很多時(shí)候都是要搬運(yùn)到樓上去進(jìn)行放置使用，所以對設(shè)備的尺寸要求較嚴(yán)，不能太大，否則不利于設(shè)備的就位；速度快也是一個(gè)很重要的要求，隨著現(xiàn)在人民的生活水平的提高，病人對看病的效率看得更加的重要，但同時(shí)可能由于病人的數(shù)量較多，所以這就要求醫(yī)療設(shè)備的效率要快，以上對醫(yī)療設(shè)備的要求特點(diǎn)，作為同步帶結(jié)構(gòu)的機(jī)械手，正好其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)很符合醫(yī)療設(shè)備的要求，隨著同步帶機(jī)械手不斷的更新發(fā)展，其低噪音、小型化、高速度、易維護(hù)及定位準(zhǔn)確的這些特點(diǎn)使得其在醫(yī)療設(shè)備自動化中應(yīng)用得越來越廣泛了，在國外的像貝克曼、羅氏及雅培等的生化檢驗(yàn)流水線上檢驗(yàn)設(shè)備中已有非常普遍的應(yīng)用。

6 結(jié)語

本文已介紹了同步帶機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用，此機(jī)械手結(jié)構(gòu)非常簡單，已基本成為了國內(nèi)醫(yī)療設(shè)備行業(yè)中最普及的一種機(jī)械手之一，并得到了非常廣泛的應(yīng)用。

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作者簡介：王祖清（1981-），男，湖南株洲人，廣州市創(chuàng)惠醫(yī)療科技信息有限公司自動化生產(chǎn)線項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向：汽車非標(biāo)自動化生產(chǎn)線集成設(shè)備及醫(yī)療智能采血管理系統(tǒng)及生化免疫檢驗(yàn)系統(tǒng)自動化流水線設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)及項(xiàng)目工程管理。

（責(zé)任編輯：蔣建華）