淺議數控機床上下料機械手的機械結構設計

楊立斌

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

關鍵詞：數控機床；上下料機械手；機械結構設計

隨著科技的發展，社會對于生產活動的生產效率和生產過程的安全性都提出了更高的要求。機械手在數控機床上的有效應用，不僅大大的提高了生產效率和生產活動的安全性，同時還形成了一條完全自動化和無人化的生產線。對于機械手的結構設計的研究和應用一直以來也是人們關注的重點。

一、數控機床機械手發展現狀

在我國，人們越來越重視對于新技術的研究和開發，對于數控機床機械手的機械結構設計的研究力度也在不斷的加大。現階段我國的數控機床機械手的發展現狀大致可以總結為以下四點：

第一，現階段我國的機械架構正在向模塊化和可重構化發展；第二，作為機械手體系發展的一個主要方向，PC機的開放型控制器的研發也在不斷研究和革新中，其發展也將使數控機床的機械手得到進一步完善，不斷的向網絡化和標準化發展，并強化器件集成度，使架構設計更為精巧，模塊化架構也得以很好的應用，這些進展也將使數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、焊接方面的發展，模塊化、系統化和標準化是其發展和推進的方向。

二、機械手的結構設計

工業機械手的結構形式主要有4種：直角坐標結構、圓柱坐標結構、球坐標結構和關節型結構。

圓柱坐標機械手需要依靠1個回轉運動及2個直線運動來實現它的空間運動，圓柱狀的工作空間是其主要的特點。相對而言，這種機械手構造簡單、精確度較高，經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運動，因此其自由度數目為3。綜合考慮，為滿足數控機床的設計要求，我們選擇圓柱坐標式機械手，原因在于圓柱坐標機械手結構簡單，精確度較高，且工作范圍相對較大。

三、機械手各部件的設計

（一）機械手手爪結構設計

手爪是用來進行操作及作業的裝置，其種類很多，根據操作及作業方式的不同，分為搬運用、加工用、測量用手爪等。機械手手爪是根據機械手作業要求來設計的，在滿足作業要求的前提下，機械手手爪還要具有體積小、重量輕、結構緊湊、通用性強等特點，同時要便于安裝和維修，易于實現計算機控制。結合具體的工作情況，本設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，這種手爪有可能產生較大的夾緊力，其通常與彈簧聯合使用。手爪的具體結構形式如圖1所示。

圖1 機械手末端執行手爪結構圖

（二）機械手手腕結構設計

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，完成所需要的作業動作。因此要求手腕設計應盡量小巧輕盈，結構緊湊。一根據作業需要，設計機械手手腕的自由度。一般情況下，自由度數目愈多，腕部的靈活性愈高，對作業的適應能力也愈強。但自由度的增加，必然會使腕部結構更復雜，控制更困難，成本也會相應增加。因此，手腕的自由度數應根據實際作業要求來確定。為保證工作時力的傳遞和運動的連貫，腕部結構要有足夠的強度和剛度。要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。手腕各關節軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。通過對數控機床上下料作業的具體分析，考慮數控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業的具體要求，在滿足系統工藝要求的前提下提高安全性和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業要求的，3個自由度來實現機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂、手爪連接梁）結構如圖2所示。

圖2：手腕（手臂、手爪連接梁）結構

（三）機械手手臂結構設計

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、手臂關節的轉動范圍有密切的關系，因此手臂尺寸設計應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，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量；為提高機械手手臂運動的響應速度、減小電機負載，機械手手臂相對其關節回轉軸應盡可能在重量上平衡；還要盡可能使機械手手臂各關節軸相互平行，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、機械手動態性能及運動的穩定性、安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅動方式。液壓驅動方式是利用液壓系統進行控制，傳動剛度大！可實現連續位置控制。其通過液壓缸直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執行運動件，因此不用再額外設計執行件。液壓缸可實現直線運動，控制簡單，易于實現計算機的控制。因控制和具體工作的要求，機械手手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的直徑來提高剛度，是不能滿足系統剛度要求的。所以，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了2個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量提高其剛度；大臂增設了4個導桿，呈正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。增設導桿能顯著提高機械手的運動剛度和穩定性，較好地解決了結構穩定性的問題。

（四）機械手手臂的平衡機構設計

關節機械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅動器的負荷，縮短啟動時間。彈簧平衡機構簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，應用廣泛。本機械手采用圓柱坐標式結構，而且在手臂的結構設計以及整個機械手的設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，優化設計結構，使得手臂本身盡可能達到平衡。若實際工作中平衡結果不滿意，則設置彈簧平衡機構進行平衡。

結束語

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

參考文獻：

[1] 呂鵬飛.淺議數控機床上下料機械手的機械結構設計[J].機電信息，2013.

[2] 王學良.機械手上下料控制系統關鍵技術研究[D].江南大學，2012.