數(shù)控機床下料手機械結構設計分析

張茹 閆軼

摘 要：各機械機構作為機械手最為重要的組成部分，同時也是影響機械手控制精度、工作負載、響應速度等的主要因素，因此機械手各部件的優(yōu)化設計對實現(xiàn)機械手工作效率最大化具有非常重要的意義。

關鍵詞：數(shù)控機床；下料手；機械結構；設計

1機械手的概述

機械手主要是以人手臂為原型，然后通過編程設置機械手的固定動作，機械手在施工期間能通過各個零部件間的配合實現(xiàn)抓取、搬運等動作，是一種能進行自動化操作的設備。早期的機器人多為機械手機器人，機械手的研發(fā)，能讓人從繁重的勞動中解放出來，特別是在生產(chǎn)強度較高的情況下，機械手不但能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，也能在較大程度上讓工作人員的安全得以保障。使用機械手不僅提高生產(chǎn)能力，還能發(fā)展生產(chǎn)自動化，也可以保障工作期間人員安全，所以機械手在各個領域內(nèi)都能得到切實的應用。根據(jù)當前的狀況獲悉，使用PLC或者繼電器控制，能讓機械手的控制方式得以強化?，F(xiàn)在繼電控制由于故障率偏大，所以消耗的功率也很大，在控制方式略顯死板的情況下，傳統(tǒng)的繼電器控制方式已經(jīng)被淘汰；目前只能推行優(yōu)勢化控制，微機控制使用的比較多，這就使整個控制出現(xiàn)抗干擾能力差的局面，后期維修困難，所以采用PLC控制的多為高新技術或者電子行業(yè)。

PLC控制多是以PLC為依托，將計算機、自動控制和通信技術三者融為一體。由于自動控制系統(tǒng)之間要相互通用，所以結構就偏于簡單，編程過程也耗時較短，這就體現(xiàn)出PLC的優(yōu)勢，能保證性能的良好和可靠，同時由于抗干擾能力較強，所以維修方便和快捷，這樣的機械手操作最具效果。

2我國數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段高精尖的數(shù)控機床主要應用在我國航空、軍工、汽車以及發(fā)電儀器等制造行業(yè)。我國數(shù)控機床技術擁有幾十年的發(fā)展時間，并且已取得了顯著的成果，目前已經(jīng)掌握了數(shù)控系統(tǒng)、伺服動力、主機研發(fā)等關鍵技術，其中還有一些核心技術已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化進程。我國是當今社會數(shù)控機床消費量最大的大國，自己研發(fā)的數(shù)控機床的比例逐漸增加，相關數(shù)控技術領域的人才團隊也在迅速擴大。不過，現(xiàn)階段自主研發(fā)的數(shù)控機床一些技術依舊存在諸多的問題，舉例而言：自主研發(fā)的數(shù)控機床在外觀上和進口數(shù)控機床基本一致，作用也不分上下，可是在性能和精度上卻相差較多，進而造成“形”像卻“神”不像的狀況。

3數(shù)控機床的關鍵技術

3.1補償誤差技術

加工過程中出現(xiàn)的誤差對產(chǎn)品的質量產(chǎn)生直接影響，所以隨著對加工產(chǎn)品質量要求的不斷提升，對產(chǎn)生誤差的重視程度也越來越高。數(shù)控機床加工所采用的補償誤差技術，能夠最大程度減小誤差和誤差對產(chǎn)品造成的影響，這需要對產(chǎn)生誤差的原因進行深入研究。床身、立柱、主軸以及各種導軌等是組成數(shù)控機床的重要部分，這幾部分都可能在生產(chǎn)中產(chǎn)生誤差，補差誤差技術主要體現(xiàn)在誤差建模、誤差測量和誤差補償三個方面。其中最基礎的技術是誤差建模，這包括誤差元素建模和綜合建模兩項內(nèi)容，其次是誤差測量技術，這包含直接測量和間接測量，這兩項工作都是為最后的誤差補償技術創(chuàng)造條件。根據(jù)時間可以將誤差補償技術分為離線補償和實時補償，前者是以測量的誤差為依據(jù)，在后期進行機床的誤差補償，這只適用于機床產(chǎn)生的穩(wěn)定誤差。如果是因溫度等原因產(chǎn)生的誤差必須進行實時補償，研究補差誤差技術是讓補償誤差工作更加有效、簡便和準確。

3.2直線電機進給驅動技術

無需任何中間轉換裝置實現(xiàn)電能向直線運動機械能的直接轉換，就是直線電機，結構簡單、磨損少、效率高、噪音小以及組合性強是其主要的優(yōu)勢。交流直線電機是當前在高精度數(shù)字機床上普遍應用的設備，這種設備有直線感應電機和永磁直線同步電機兩種，直線感應電機成本較低，并且受到外界干擾影響的程度較低，同時也可以抗電磁干擾；永磁直線同步電機同時具備直線電機和永磁電機的優(yōu)勢，響應速度更快、體積更小、推力能量更大，所以是當前高精度直線進給系統(tǒng)的首選。

3.3五軸聯(lián)動技術

五軸聯(lián)動數(shù)控機床是當前高檔數(shù)控機床的主要類型，也是航天航空等諸多重工業(yè)加工精密儀器時應用的主要工具。“3+2”是五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結構模式，可以實現(xiàn)X、Y、Z三軸與另外兩軸的同時運動和回轉。歐美和日本是進口五軸聯(lián)動數(shù)控機床的代表國家，其數(shù)控技術處于國際領先水平，由于國外技術封鎖和國內(nèi)缺乏工業(yè)基礎的原因，我國現(xiàn)在整體的數(shù)控技術水平較為落后，不過對五軸聯(lián)動數(shù)控機床的研究腳步從未停止。

4機械手各部件的設計

4.1下料機械手手爪結構設計

下料機械手手爪主要是用來完成工件裝卸任務的，根據(jù)機床以及具體工作方式的不同，可以將機械手劃分為搬運類、加工類以及測量類三種。機械手手爪結構設計的第一原則是滿足工作要求，還要具有結構簡單、連接部件少、通用性好等一般特點。除此之外機械手設計也需要考慮安裝與維修便利性，以及與現(xiàn)代智能計算機控制系統(tǒng)的兼容性。機械臂手爪的結構大多采用杠桿式的連接結構，通過活塞的推壓作用實現(xiàn)各結構聯(lián)動，使手爪作出加緊或者放松的動作，杠桿式結構能夠最大限度的放大作用力，應對較大的工作負載。

4.2下料機械手手腕結構設計

下料機械手手腕結構是連接手爪與手臂的關鍵部件，是整個機械手構件完成指定動作的最尾端，需要能夠很好地配合手臂并控制手爪完成特定的工作。手腕作為連接部件在滿足工作要求的前提下也需要遵照體積小巧、結構緊湊的設計原則。手腕活動的自由度主要是根據(jù)機床機械手具體的工作內(nèi)容所決定的，一般情況下機械手手腕的部件靈活性與運動性主要是由該結構的自由度數(shù)所決定的，自由度數(shù)增加，手腕結構的靈活性增強，對各種構件的搬運操作的運動路線的選擇性更多，但是自由度增加同時會使腕部結構更加復雜，設計與制造成本也會大大增加。同時為保證機械臂工作時能夠很好地實現(xiàn)各種力的傳遞并保持連貫性，結構的連接需要保持具有足夠的強度與剛度。為保持運動過程中具有足夠高的精度，應該盡量降低手腕部件各關節(jié)聯(lián)動的復雜程度，并充分利用構件的剛度性質為機構的運動設置硬限位，避免機械手超限運動對操作人員造成傷害或者機械手自身損壞。通過對大量實際機床機械手機構設計的考察與分析，為保證數(shù)控機床下料手操作精度與安全性，并本著結構簡單、結構緊湊的設計原則，在保證作業(yè)要求的前提下，大多設計為3個自由度，完全能夠實現(xiàn)下料手的各種復雜工作要求。

4.3機械手機械傳動機構的設計

機械手的傳動構件設計特點是影響機械手控制難度、操作精度以及響應速度的關鍵因素，因此機械手傳動機構的設計應滿足體積小、重量輕、結構緊湊、構造簡單等特點，在保證機械手能夠完成基本操作任務的前提下，盡量減少反向空回運動以提高結構運動控制精度，而且還要對各連接結構間的鏈傳動的配合方式作進一步的優(yōu)化設計，以提高機械手傳動系統(tǒng)的剛度，增加系統(tǒng)的使用壽命。大部分下料機械手的傳動機構主要有螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動等幾種形式。為充分考慮系統(tǒng)傳動與運動精度要求，盡量降低各傳動構件間的配合傳動誤差，同時保證傳動過程中具有較大的扭矩，普遍采用齒輪傳動作為傳動基本構件，同時該齒輪要保證具有足夠高的強度、硬度以及制造精度。

結語

目前我國多數(shù)工廠生產(chǎn)線上各種數(shù)控機床中工件裝填主要依靠人力來完成，使得普通職工勞動強度很大，不僅嚴重影響工廠的生產(chǎn)效率，還對工人生命健康構成一定威脅。數(shù)控機床上人工裝填工件的生產(chǎn)方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代機械行業(yè)全自動、高效率生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。為提高生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)過程的安全性與自動化，需要根據(jù)數(shù)控機床的機械結構與機械連接技術設計出一臺機床上的下料機械手，取代人力勞動以實現(xiàn)數(shù)控機床生產(chǎn)的無人化與自動化。

參考文獻：

[1]劉劍雄，韓建華.物流自動化搬運機械手機電系統(tǒng)研究[J].機床與液壓，2013（1）.

[2]陳鐵鳴，王連明，王黎欽.機械設計（修訂版）[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版，2017.

[3]孫兵，趙斌，施永康.基于PLC的機械手混合驅動控制.液壓與氣動，2016，（3）：37-39.