數控機床下料手機械結構設計分析

張浩然

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化設計對實現機械手工作效率最大化具有非常重要的意義。關鍵詞：數控機床；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，能讓人從繁重的勞動中解放出來，特別是在生產強度較高的情況下，機械手不但能實現自動化生產，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能力，還能發展生產自動化，也可以保障工作期間人員安全，所以機械手在各個領域內都能得到切實的應用。

根據當前的狀況獲悉，使用PLC或者繼電器控制，能讓機械手的控制方式得以強化。現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，傳統的繼電器控制方式已經被淘汰；目前只能推行優勢化控制，微機控制使用的比較多，這就使整個控制出現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。

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，這就體現出PLC的優勢，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 機械手三維建模過程

第一步：采用以底座為基座的裝配順序。

第二步：裝配拉鋸床上下料機械臂的旋轉關節，讓機械臂可以進行正反向旋轉，以滿足拉鋸床上下料機械臂在拉鋸床上工作時的上下料操作。

第三步：裝配拉鋸床上下料機械臂的動力臂。動力臂是承載拉鋸床加工工件主要重量的部分，對舵機和支架的強度要求較高，是整個設計的關鍵部分之一。

第四步：裝配是拉鋸床上下料機械臂的平衡臂。平衡臂主要在拉鋸床上安裝調試過程中調節工作的空間時使用。

3 數控機床下料機械手結構設計

直角坐標結構、圓柱坐標結構、球狀坐標結構以及關節結構是現代工業生產中數控機床上下料機械手的四種主要結構設計形式。圓柱坐標結構的下料機械手的空間運動主要是以一個機械臂的回轉運動、機械臂伸縮以及支撐柱的升降等兩個直線運動來實現上下料工作的，這種結構的機械手工作中的自由度數是3，機械手的工作區間主要是圓柱形狀，機械手的基本結構組成較為簡單，能夠實現較高的工作精度，常用于數控機床上工件的搬運工作。根據數控機床上機械手安裝形式以及工作要求，主要采用的結構形式是圓柱坐標式。

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，以及與現代智能計算機控制系統的兼容性。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各結構聯動，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

下料手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機床機械手具體的工作內容所決定的，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所決定的，自由度數增加，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聯動的復雜程度，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，在保證作業要求的前提下，大多設計為3個自由度，完全能夠實現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化設計，以提高機械手傳動系統的剛度，增加系統的使用壽命。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。

5 機械手手臂平衡機構設計

一般情況下關節式下料機械手平衡機構的主要作用就是最大限度地降低驅動器的負載并提高系統對各種控制命令的響應速度。生產實際中普遍采用彈簧式平衡機構，它具有平衡效果優良、結構簡單、制造成本較低、便于拆卸和維修等特點。機械手設計的關鍵環節就是通過對機械手主要構件、傳動機構、連接機構、平衡機構等各機構進行優化設計、調整布局形式與配合方式、使整個系統達到平衡運動的效果，同時彈簧式平衡機構能夠針對這一間題進行平衡優化以達到要求。

6 結語

目前我國多數工廠生產線上各種數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效率，還對工人生命健康構成一定威脅。數控機床上人工裝填工件的生產方式已經無法滿足現代機械行業全自動、高效率生產的發展趨勢。為提高生產效率，提高生產過程的安全性與自動化，需要根據數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數控機床生產的無人化與自動化。

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