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摘要：伴随着工业化进程的快速推移，工业机器人凭借其较高的灵敏度、较大的工作空间以及简单便捷的结构，在工业领域备受青睐，极大的提升了工厂生产效率，降低了工人的劳动强度。机械手臂作为工业机器人的重要组成部分，其结构设计的科学合理性以及性能，直接关系到工业机器人运行效率的发挥。因此文章重点就机械手臂结构设计与性能展开相关探讨。
关键词：机械手臂结构；设计；性能
随着工业政策的宣贯普及以及科学技术的快速发展，制造业的转型升级受到广泛的重视。对于许多中小企业来说，自动化生产水平的提高是产业数字化、网络化、智能化转型升级的基础。工业机器人则是智能化的典型代表，其在企业自动化生产中发挥了重要作用。机械手臂是工业机器人的重要组成部分，务必要强化其结构设计工作，以便于充分发挥其性能。
一、机械手臂的机械结构
纵观工业机器人机械手臂的整个发展过程可知，传统机械设备往往需要占据较大的使用空间，很难在某些较狭窄的工业场所或车间使用，但随着现代社会的发展，某部分可使用空间较为狭窄的特殊工业生产场合却需要更大程度地解放劳动力，因此，自由度更高、灵活性更强、空间使用面积更小的机械手臂的结构设计和功能研究具有不容忽视的重要意义。机械结构作为机械手臂的重要组成部分，为更好地控制机械手臂的实际使用过程和工作效率，首先需要对机械手臂的机械结构进行研究，探讨其动力传递方法和动力源。通常情况下，依赖于电路传动的机械手臂具有更广阔的应用范围，齿轮式、连杆式和绳索式等多样化的动力传递方法使其应用前景更加广阔。在此过程中，齿轮式作为电路传动机械手臂的最主要使用结构，具有结构紧凑、灵活性较强、承载力较高和精确度较好等重要优势。但与此同时，齿轮式机械手臂在其实际使用过程中往往需要减速器，因此还在一定程度上具有占用空间较大和质量较大等不良缺陷。此外，随着现代社会电力电气技术的进一步发展，部分机械手臂在其特殊关节结构中安装了一定数量的电机，这在极大程度上大幅度提升了机械手臂的运行准确度和安全性。
二、机械手臂组合设计
通常情况下，机械手臂的组合主要包括机械手组合和机械臂组合两大重要部分，机械手组合又进一步分为夹爪取轴、夹爪倾斜轴和手部旋转轴三大内容，机械臂组合又进一步分为上手臂组合和下手臂组合两大部分，机械臂在开展上升下降或伸展等工作时主要借助上箱体带动下箱体的方式，而上箱体的手臂组合又是以传动基板作为重要安装基础，借助上箱体内部结构中的电机带动机械手臂上升下降或伸展的。图1即为工业机器人机械手臂组合的结构示意图。由图可知，机械手的组合主要包括夹爪、倾斜和旋转三大单元，而机械手臂的相关伸展和垂直运动主要借助伤心手臂的联动装置完成，上箱体的手臂伸展装置能有效作为动力源有效带动机械手臂的相关齿轮装置，进而使上手臂和下手臂间的皮带轮同步转动，高效率实现机械手臂的伸展、上升和下降。此外，机械手臂还可进一步借助皮带传送装置实现水平方向的旋转，更能实现物体放置过程中保持旋转台不转动的基础上实现物体的一百八十度旋转，为物品的高效反面放置奠定了重要基础。
图1机械手臂组合结构示意图
三、机械手臂的性能分析
就机械手臂的驱动性能分析问题而言，通常情况下的工业机器人机械小手臂运行角度大多在0-70°的角度范围内，而机械大手臂和水平方向的运动夹角范围同样如此，由此而设计的工业机器人机械手臂的整体运动范围可达3460毫米，其结构示意图图2。在此基础上，分析机器人机械大手臂和机械先手臂对角线电动机所受到的荷载能力和环境外部荷载关系，并进一步探究机械手臂所形成的平行四边形框架杆件受力状态及其与环境外部荷载的关系，进而深入探究机器人机械手臂的实际驱动功率，机械小手臂和机械大手臂对应电动机的实际伸缩速度等，为综合探究机器人机械手臂的实际驱动效率。机器人机械小手臂展开状态下的机械大手臂驱动所得到的机械手臂驱动功率降低了65％左右，为节省能源资源打下了坚实的基础，更为机械手臂在工业生产中应用范围的进一步拓宽做出了重要贡献。
图2机械手臂设计结构及尺寸示意图
四、基于工业机械手发展趋势的分析
（一）机械手与机电液一体化的结合
机械手的机电液一体化技术是企业生产自动化的典型代表。以简单的送料机械手为例，在重型机械中机械手的驱动方式可以选择液压式驱动，因其体积小，重量轻，抗冲击性能好。此外手臂的上下运动是通过电动机带动丝杠的转动，丝杠将旋转运动转变为机械手臂的上下运动，而机械手臂的转动也是通过电动机带动的。因机械手的自由度可任意选择，一般的生产都选用四自由度的机械手，包括手臂在立柱上的上下移动和绕立柱的转动，手腕的转动和手抓的运动。因此采用机械手与机电液一体化的结合，能很好地操控机械手进行灵活的运动，成为未来的重要发展趋势。
（二）可视机械手的发展
劳动工人进行生产活动时需要眼睛进行观察，同样机械手在进行工作时也需要一双眼睛，去帮助它辨别所要加工的零件。但在目前的工业生产中，机械手的视觉应用还未达到理想的水平，大部分机械手还需要人工的辅助，才能完成整个的劳动生产。但当视觉系统发展到一定水平时，机械手完全不需要人工的辅助，就可独立完成一整套的生产。此时机械手可依靠敏锐的视觉去辨别一个工件的好坏，以及实时分析工作状况，并向控制系统进行反馈，然后控制系统可根据其反馈的情况为其制定新的方案。显然可视机械手在未来具有很大的发展前景。
（三）重复高精度机械手的发展
在机械手的开发应用过程中，重复高精度是一个重要的发展趋势。机械手在生产过程中需要一直重复进行某项工作，而在机械手的重复工作中，其运动精度很难做到不产生任何的误差。而在实际的工业生产过程中，机械手在重复运动过程中必须保证每一次的运动都要精确，从而保证生产的要求。随着工业机械手的应用越来越广泛，在军事和医疗领域，对机械手重复高精度的要求也越来越严格，这必然成为未来机械手的重要发展趋势。
总之，未来企业的发展必然是追求工业自动化，劳动工人使用计算机操控机械手进行一系列的劳动生产，能在很大程度上节约人工劳动力，并能大大的提高企业生产的效率。因此，企业或相关科研人员应在尽可能充分地了解机械手臂结构设计要点和企业工业生产特质的基础上进一步强化机器人的工作敏锐度和工作效率，降低机械手臂生产能耗的同时减少其自重和对生产车间面积的占用，为最大程度上提升工业生产效率和经济效益打下坚实的基础。
参考文献
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