淺議數(shù)控機床上下料機械手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

楊立斌

摘要：人工裝卸生產(chǎn)線上數(shù)控機床工件不僅生產(chǎn)效率低下，還存在著一些危險性，已經(jīng)完全不能滿足社會生產(chǎn)的需求。因此，運用于數(shù)控機床生產(chǎn)線上的新型的上下料機械手被設(shè)計出來，使數(shù)控機床加工過程的自動化和無人化目標得以實現(xiàn)，并使其生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全系數(shù)都得到一個大幅度的提高，此外，還有效的降低了生產(chǎn)成本。本文就將對數(shù)控機床上下料機械手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進行一個較為全面細致的介紹。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；上下料機械手；機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著科技的發(fā)展，社會對于生產(chǎn)活動的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)過程的安全性都提出了更高的要求。機械手在數(shù)控機床上的有效應(yīng)用，不僅大大的提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)活動的安全性，同時還形成了一條完全自動化和無人化的生產(chǎn)線。對于機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究和應(yīng)用一直以來也是人們關(guān)注的重點。

一、數(shù)控機床機械手發(fā)展現(xiàn)狀

在我國，人們越來越重視對于新技術(shù)的研究和開發(fā)，對于數(shù)控機床機械手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究力度也在不斷的加大?，F(xiàn)階段我國的數(shù)控機床機械手的發(fā)展現(xiàn)狀大致可以總結(jié)為以下四點：

第一，現(xiàn)階段我國的機械架構(gòu)正在向模塊化和可重構(gòu)化發(fā)展；第二，作為機械手體系發(fā)展的一個主要方向，PC機的開放型控制器的研發(fā)也在不斷研究和革新中，其發(fā)展也將使數(shù)控機床的機械手得到進一步完善，不斷的向網(wǎng)絡(luò)化和標準化發(fā)展，并強化器件集成度，使架構(gòu)設(shè)計更為精巧，模塊化架構(gòu)也得以很好的應(yīng)用，這些進展也將使數(shù)控機床的機械手體系的安全性和可靠性得到大幅度的提升，也會使機械手的維修和防護變得更為的便捷易操作；第三，是對機械手的傳感器進行了完善和更新，傳感器對于機械手整個體系而言十分的重要，當下，除了運用傳統(tǒng)的速度傳感器、位置傳感器，先進的視覺傳感器、聽覺傳感器、觸覺傳感器也被引進機械手整個體系當中，使機械手的智能化程度越來越高；第四，是機械手裝配、焊接方面的發(fā)展，模塊化、系統(tǒng)化和標準化是其發(fā)展和推進的方向。

二、機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計

工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)形式主要有4種：直角坐標結(jié)構(gòu)、圓柱坐標結(jié)構(gòu)、球坐標結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。

圓柱坐標機械手需要依靠1個回轉(zhuǎn)運動及2個直線運動來實現(xiàn)它的空間運動，圓柱狀的工作空間是其主要的特點。相對而言，這種機械手構(gòu)造簡單、精確度較高，經(jīng)常被用來做搬運之用。圖1為機械手模擬工作布局圖，該機械手可以根據(jù)實際操作的需要進行3種不同的運動，其中手臂的伸縮和立柱升降為直線運動，另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運動，因此其自由度數(shù)目為3。綜合考慮，為滿足數(shù)控機床的設(shè)計要求，我們選擇圓柱坐標式機械手，原因在于圓柱坐標機械手結(jié)構(gòu)簡單，精確度較高，且工作范圍相對較大。

三、機械手各部件的設(shè)計

（一）機械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計

手爪是用來進行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的不同，分為搬運用、加工用、測量用手爪等。機械手手爪是根據(jù)機械手作業(yè)要求來設(shè)計的，在滿足作業(yè)要求的前提下，機械手手爪還要具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強等特點，同時要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用連桿杠桿式手爪。連桿杠桿式手爪在活塞的推力作用下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動。由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力，其通常與彈簧聯(lián)合使用。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 機械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖

（二）機械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械手手腕是機械手操作機的最末端，與手爪相連接，它與機械手手臂配合，使手爪作空間運動，完成所需要的作業(yè)動作。因此要求手腕設(shè)計應(yīng)盡量小巧輕盈，結(jié)構(gòu)緊湊。一根據(jù)作業(yè)需要，設(shè)計機械手手腕的自由度。一般情況下，自由度數(shù)目愈多，腕部的靈活性愈高，對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強。但自由度的增加，必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，控制更困難，成本也會相應(yīng)增加。因此，手腕的自由度數(shù)應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。為保證工作時力的傳遞和運動的連貫，腕部結(jié)構(gòu)要有足夠的強度和剛度。要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機械損壞。通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全性和可靠性，為使機械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制難度，本設(shè)計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂、手爪連接梁）結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：手腕（手臂、手爪連接梁）結(jié)構(gòu)

（三）機械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械手手臂在工作時要承受一定的載荷，且其運動本身具有一定的速度，其工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度、手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系，因此手臂尺寸設(shè)計應(yīng)滿足其工作空間要求。同時，為了提高機械手的運動速度與控制精度，應(yīng)在保證機械手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量；為提高機械手手臂運動的響應(yīng)速度、減小電機負載，機械手手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡；還要盡可能使機械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行，相互垂直的軸則要盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機械手的控制。由于機械手手臂運動為直線運動，且考慮到搬運工件重量、機械手動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性、安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅(qū)動方式。液壓驅(qū)動方式是利用液壓系統(tǒng)進行控制，傳動剛度大！可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。其通過液壓缸直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運動件，因此不用再額外設(shè)計執(zhí)行件。液壓缸可實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。因控制和具體工作的要求，機械手手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的直徑來提高剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。所以，在設(shè)計時另外增設(shè)了導(dǎo)桿機構(gòu)，小臂增設(shè)了2個導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量提高其剛度；大臂增設(shè)了4個導(dǎo)桿，呈正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。增設(shè)導(dǎo)桿能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，較好地解決了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問題。

（四）機械手手臂的平衡機構(gòu)設(shè)計

關(guān)節(jié)機械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動器的負荷，縮短啟動時間。彈簧平衡機構(gòu)簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，應(yīng)用廣泛。本機械手采用圓柱坐標式結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及整個機械手的設(shè)計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達到平衡。若實際工作中平衡結(jié)果不滿意，則設(shè)置彈簧平衡機構(gòu)進行平衡。

結(jié)束語

保作為機械手的重要組成部分，機械手的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計對于機械手的工作性能、用途和經(jīng)濟性都有不同程度的影響。因此必須重視機械手的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作，并進行深入的研究，確保能夠更為科學(xué)合理的對機械手進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

參考文獻：

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