摘 要：以国内外机械手在铁路上应用的典型案例，分析了机械手的分类和组成；论述了机械手的设计技巧和理念；论证了铁路现代化生产应用机械手的意义；提出了现代化机械手的功能扩展要求。
关键词：机械手；设计；现代化；铁路
1前言
全球铁路的快速发展带动了工艺装备的旺盛需求，一方面铁路产品的35%部件为铸造焊接等高危作业环境，改善作业条件始终是企业技术持续创新的课题，另一方面由光机电一体化技术组成的机械手性价比的提升，使其替代人工操作成为现实，这两个方面促进了机械手在铁路行业的推广使用，工艺装备机械手的广泛应用是衡量企业产品质量品质和科学技术发展水平的重要标志。
机械手技术涉及机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器。机械手的重要作用是在不适合人工作业的恶劣环境条件下，完成人不能做的多个自由度动作，所以研究和应用机械手，对解放劳动力、提高生产效率具有深远的意义。
2机械手的分类和组成
国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等重型零件批量的生产，并与机床共同组成一个综合的数控加工系统。国内铁路工业中应用机械手主要在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。
由于机械手的优势是在恶劣的工作条件下，完成各种复杂动作，所以机械手的形态各异，内容丰富，其主要有下几种方法分类：
按运动的方向分为：直线运动、旋转运动和直线与旋转的复合运动。
按动作拐点分为：三轴、四轴、五轴、六轴和七轴机械手。
按精度分为：简易机械手和精密机械手。
按载荷分为：轻载机械手和重载机械手。
按运动速度分为：常规速度机械手和高速机械手。
按冷热工艺用途分为：测量机械手、运输机械手、清洗机械手、焊接机械手、切割机械手等。
机械手组成包括：机械构架部分、执行机构部分、传感信号部分、计算控制部分。机械构架部分包括基座、机械臂和机械手；执行机构部分包括电机、液压或气动；传感信号部分包括位移或力等传感系统；计算控制部分包括计算机和PLC控制等。
典型案例（一）国外车轮传输机械手
图1 国外车轮传输机械手
国外车轮传输机械手见图1，车轮属于重型工件，内孔精加工待装配，外圆结构圆滑，不易吊运和翻转加工。应用车轮传输机械手，其手指为V型凹槽，与车轮的凸沿匹配，实现夹紧，机械手腕轴向可翻转车轮，机械臂可升降。杜绝了车轮在储存位置翻转或机床加工位置上下料时的磕碰现象。
典型案例（二）国外储风缸焊接机械手
图2 国外储风缸焊接机械手
储风缸是轨道车辆中制动部分的重要部件，其密封性能决定了行车安全。其制造工艺是将卷筒与两端盖组焊和储风缸座焊接在一起，难点是：①其作用决定了焊接要保证腔室密封，②零件组成的曲面相惯线焊缝难焊接，③等强度要求有的焊角呈变截面，高级电焊工的焊接技能很难完成。应用储风缸焊接机械手，见图2，其难点都变得简单了，重点是为提高效率，采用双机械手时，动作要互不干涉，焊角呈变截面不是通过调整机械手的速度实现，而是应用渐变焊接电流来实现。
3机械手的设计技巧和理念
3.1机械手的方案设计
机械手的方案设计是运用合理的技术参数，简捷高效地完成机械手的动作。设计技巧是：①机械手的动作范围要覆盖工件活动区域，对于特复杂动作不方便机械手工作时，要利用变位器改变工件的位置，减少机械手的动作或降低机械手的难度，机械手的轴数越少越可靠；②机械手的运行速度要满足生产节拍或工况需求，不能满足生产节拍时，通过增加机械手的数量来调整；③机械手的额定载荷与连接物体重量相等，工艺设计不留保险系数，重量的安全系数由机械设计确认完成，避免安全系数层层加码过于太大；④以经济效益为核定标准，确定机械手的技术参数，机械手的参数选择要在执行机构的合理范围内，载荷小的工件适合快速运行，载荷大的工件适合慢速运行，有时流水线上应用少数高速机械手比多数低速机械手综合成本低。
典型案例（三）客车棚顶焊接机械手
图3 客车棚顶焊接机械手
棚顶焊接的难点是钢板薄且搭接的弧形尺寸吻合度低，造成焊接成型不良；工人蹲在弧板上作业不安全；又因焊缝较多，群体作业过于密集造成的焊接烟尘浓度大，对人的肺部伤害特严重。应用棚顶焊接机械手焊接，解决了上述问题。常规棚顶焊接机械手的方案是X向并列布置多只机械臂带单只机械手同时工作，每只机械手负责几条焊缝，因板薄焊接变形大，会造成1只机械手焊后引起周边变形，另1只机械手补充其余焊缝时，原固定的焊接轨迹发生了改变，需要重新确定焊接轨迹。为避免焊接轨迹偏离耽误时间，在X向布置1只机械臂带2只机械手同时工作，见图3。
典型案例（四）货车转向架保持环检测机械手
图4 货车转向架保持环检测机械手
交叉支撑转向架有保持环，测量保持环相对侧架的X、Y、Z和转角的空间尺寸，见图4，机械手上安装激光检测探头，采用同一探头两种光路的非接触方法测量。在检测保持环平面时，激光垂直射向待测平面，当需要检测内孔半径时，用气缸将一个小镜子送入保持环，光路转折垂直射向环壁。检测方案节省了传感器，也避免了传感器进入保持环接触受损。机械手的设计要点是激光检测探头能做旋转运动，取测量4点均值，保证数据的准确性。
3.2机械手的机械构架设计
机械构架结构设计要保证满足强度、刚度和稳定性前提下使用的材料最少。保证可靠性要多点接触，所以一般机械构架结构都是一个高次静不定问题，采用传统的材料力学方法很难求得解析解，且要想求解需对结构作较大的简化，造成计算结果误差大，为此，常采用加大安全系数的方法以保证结构的安全可靠运行，结果使结构尺寸加大，浪费材料，增加制造成本。有限元法具有计算速度快、精度高的特点。通过有限元分析计算，设计人员在设计阶段就能清晰地了解到构件每一点的应力、应变及位移，构件的稳定性及动态特性，同时可方便地对结构作反复的修改，达到优化设计的目的。
机械构架设计技巧在于有限元模型的建立、载荷计算、边界条件确定、网格划分等方面的深入研究。设计技巧是：①选择合适三维软件对机械构架结构进行三维建模；②对机械构架的载荷进行分析，通过在三维软件中造型，准确检测出运动体的质量及其重心位置，根据达朗伯原理分析计算运动体启、制动时的加速度引起的对承载体反作用力的动载荷，利用能量法近似估算运动体运动到行程终端时的冲击载荷；③对承载体进行线性静态有限元分析，输出应力、变形云图，检测有关数值，并分析计算机械手安装工件时的定心误差。采用材料力学方法对个别工况进行解析计算，将分析结果与有限元分析结果进行比较，验证有限元模型的正确性和有限元分析结果的可靠性；④对机械构架进行稳定性分析，研究失效的形式，确定控制失效的措施；⑤分别在不考虑机械手质量和考虑机械手质量的情况下对承载体进行模态分析，判断承载体固有频率与机械手对承载体激励力的频率，承载体是否会引起共振；⑥对机械手和承载体的各部分尺寸进行改变，并对改变后的承载体进行有限元分析。
典型案例（五）车轴生产线双梁机械手
图5 车轴生产线双梁机械手布局和横梁结构有限元分析图
当车轴生产线的加工机床纵向并列布置时，保证操作者的作业空间，采用双梁机械手。机械手具有X、Y、Z、旋转和夹紧功能，保证Z向的安全可靠性采用双抱闸结构。见图5，应用有限元分析计算，优化其结构，使机械手的启动和停止的加减速度对横梁冲击小，不影响使用精度。
3.3机械手的执行机构设计
机械手的执行机构设计一般选择精度高的减速器和伺服系统组成执行机构，特别是高速度和高精度时，转动惯量的匹配尤为重要，正确设定转动惯量的参数比才能发挥机械和伺服系统的最佳效能。在选型时，除电机的扭矩和额定转速，应计算机械的转动惯量。衡量机械系统的动态特性时，不同机构，对惯性匹配的原则有不同的选择，且有不同表现。机械手的执行机构设计技巧：①大载荷有连续动作要求的工况，尽量选择交直流伺服电机或步进电机作为驱动，选择气压伺服驱动或油压伺服驱动时速度难准确控制；②联接环节尽量少，减少间隙补偿；③伺服系统快速反应很重要，而转动惯量是拖后腿的，延迟加速，减速过渡历程的主要因素就是转动惯量，因此转动惯量越小越好，在要求较高的系统中，采用空心杯转子，就是为了减小转动惯量；④导向采用直线导轨、直线轴承等保证精度，传力机构为滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、弹簧式与重力式，机构到位要有自锁安全装置；⑤接触有摩擦的部位有润滑，比如用海绵齿轮润滑齿条，电源线和控制线随动要合理。
典型案例（六）车轴生产线单梁机械手
图6 车轴生产线单梁机械手和工况与减速器、电机的匹配选型软件
当车轴生产线的加工机床横向并列布置时，保证操作者的作业空间，采用单梁机械手，见图6。机械手具有X、Y、Z、旋转和夹紧功能。设计技巧是X向选用较高速度时，配备气动导轨刹车器； Z向载荷较大时配备平衡缸，减轻提升动力；旋转速度较高时，机械手需要夹牢车轴。应用软件分析系统，保证工况与减速器、电机的匹配，确保电机无摇头摆尾和震荡现象。
3.4传感信号设计
传感器是感受外界信息的关键部件，对整个系统的性能有决定性的影响。机械手的传感信号主要是量值信号反馈和非量值信号反馈。量值信号反馈一般应用位移传感器、力传感器和扭矩传感器等量值信号反馈，非量值信号反馈一般应用信号开关。设计技巧：①传感器量程和精度要与需求匹配，应规避传感器的禁忌；②针对主传感器的弱点，要有副传感器进行监督，实现传感器的功能互补；③抗干扰能力强；④控制系统应尽量闭环反馈信息。
典型案例（七）摇枕砂芯传输机械手
图7 摇枕砂芯传输机械手
见图7 摇枕砂芯传输机械手，摇枕砂芯的特点是形状不规矩、重量大且易碎，运输时需要多点均衡受力才可靠。摇枕砂芯传输机械手具有多点夹持，且夹持力大小可控制的特点。
3.5控制系统设计
控制系统设计包括硬件设计和软件设计。设计控制系统的计算机控制系统、运动控制系统和信号采集系统的硬件。控制系统软件设计包括：界面设计程序、运动控制程序、数据采集程序、数据分析程序、数据库设计。自动化系统应满足机械手的电动机、供电配电设备、传动设备、自动控制、仪器仪表、计算机及辅助系统、技术监视报警、监测诊断等全部电气设备、过程控制和基础自动化的基础软件和应用软件的要求，提供联入加工工序自动化过程控制的软硬件接口。控制系统设计技巧：①信息要明确，设备提供给机械手的信息：装工件位置准备好（装料请求信号）、送料门状态信息；机械手提供给设备的信息：卡爪有无料、机械手位置：包括卡爪在设备内、卡爪在设备外、卡爪松开、卡爪夹紧等信息, 在装料门设置两级门关、开位置检测。②伺服电机配置绝对值编码器，便于精准采集数值；③电源与驱动器输入端之间串联交流电抗器，这样可使整流阻抗增大可以有效抑制高次谐波电流，提高输入电源的功率因数，使进线电流的波形畸变大大降低；④在每套系统内部限位分为软限位，硬限位，以及急停限位，在两套系统间，例如机械手1与机械手2间，在其位置重叠区域需要设置限位，防止工作中发生机械手碰撞，方法是通过硬件及软件两方面进行控制，硬件方面增加防碰撞移动限位检测开关（光电式开关），两机械手相向运动时一旦两者相碰触发各自的防碰撞限位，停止运动；软件方面相互检查对方的位置信息，如果在可碰撞区域内，需要检测对方的移动信息等待正在执行的一侧处于安全区域后，在启动，如果双方都在移动在临近碰撞区域前，设置优先级方略，按序进行；⑤机械手卡爪使用力矩控制方式进行控制，根据工件的材料尺寸等特性设置卡爪的输出力矩保证在此力矩下能够抓住工件，同时为了保证工件被抓上，卡爪上还设置检测工件的开关，以及卡爪打开、闭合检测开关。
典型案例（八）切割机械手
见图8 中梁切割机械手，中梁切割机械手控制是基于Intel公司的处理器开发的，采用Windows NT技术的智能运动控制系统。全数字伺服模块给机械手的6个关节的交流伺服电机提供驱动电源，有能力提供多达32个伺服电机轴同步协调控制，完成直线插补和圆弧插补。寻位传感器对于公差较大或装配精度较差的工件是必不可少的。在寻位时，传感器与工件达到设定距离时，机械手系统检测到实际焊缝该点的空间位置；通过此方法检测多个点后，机械手根据测得点的数据进行计算得出偏差值，并自动根据该偏差值修正原示教位置的数据，从而得出实际工件的位置。
图8 中梁切割机械手
4铁路现代化生产应用机械手的意义
机械手的实际工作是取代人的操作，对人身心健康有害的工况都将采用机械手完成。人的操作受限于：①负载超过体能引起体力不支；②空间狭小危险，不符合人机工程操作；③繁杂的操作过程大脑疲劳引起错误操作；④需要准确运动轨迹，人难以胜任；⑤生产过程产生废水、废气、废物或辐射等直接影响人的操作环境。在没有机械手的情况下，这些工作是以降低产品质量和伤害操作者为代价生产。铁路现代化发展要求特殊岗位生产应用机械手，对提高产品质量，保护操作者，提高生产效率有重大意义。
典型案例（九）主阀体清洗机械手
图9主阀体清洗机械手
制动阀体的结构特点是有内孔的非规矩体，制动阀体进行超声波清洗后，需要高压清洗干净。高压清洗过程中，带有弱碱性的清洗液遇到凹凸面会反射，不适宜人工操作。见图9主阀体清洗机械手，在封闭室内，将制动阀体固定，应用制动阀清洗机械手，按固定程序位置进行清洗。制动阀清洗机械手的特点是控制线要封闭处理，手臂机构外壳要密封处理，外型按流体圆滑面设计，能承受分解反射的水流冲击力。
5铁路现代化机械手的功能扩展要求
普通机械手以载荷、精度、几轴作为重要参数，铁路现代化机械手提出了更高的要求：①提高效率，几只机械手或变位器联动，好像做有规律的舞蹈，对控制系统的稳定性提出了较高要求；②传感器布局合理，能判断操作对象的变化，对意外事件要有自我保护意识；③机械手的结构要有针对工况适应能力，能规避作业过程中产生的热或飞溅物的冲击；④调试和维修操作方便，系统自检纠错，便于操作；⑤零部件通用化，电器硬件要等寿命制造。
典型案例（十）冲压板料机械手
图10 冲压板料机械手
冲压板件工艺要求落料和压型，包括输入原料钢板，输出成品和残余料。见图10冲压板料机械手为提高效率，落料冲床和压型冲床相邻，冲压板料机械手利用真空吸盘或电磁铁将原料钢板输送到落料冲床里，原料钢板被切成压型原料和残余料两部分，再由冲压板料机械手将压型原料和残余料两部分取出，残余料放到输送线上，压型原料放到压型冲床里，成型后取出，这就要求机械手上的真空吸盘或电磁铁依据工件特点分成两部分布局和控制。应用冲压板料机械手既提高了工作效率，又避免了工人因误操作切断手指的事故发生。
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