數控機床上下料機械手設計的目的和發現趨勢

武帥

摘要：在機械行業中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更為普遍。人們對機床的工作效率也提出了更高的要求，本文就數控機床機械手的設計進行研究。

關鍵詞：數控；機床；機械

目前，我國大多數工廠的生產線上數控機床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強度大、生產效率低，而且具有一定的危險性，已經滿足不了生產自動化的發展趨勢。為了提高工作效率，降低成本，并使生產線發展成為柔性制造系統，適應現代機械行業自動化生產的要求，針對具體生產工藝，結合機床的實際結構，利用機械手技術，設計出上下料機械手代替人工工作，以提高勞動生產率。

一、機械手的總體設計

機械手實施方案具有速度快、工作效率高、負載能力強、移位精度高及故障出現頻率低等諸多方面的優點。機械手在眾多機床上的成功運用，是數控機床柔性輸送方面的一大創新。在今后的數控機床的生產過程中，機械手的開發和運用將會得到前所未有的發揮，同時為廣大用戶提供了極大地方便，能夠產生較大的生產效益和經濟效益。

（一）機械手總體結構的類型

工業機械手的結構形式主要有四種：直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構和關節型結構。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下：

（1）直角坐標機械手結構特點：直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現的。由于直線運動易于實現全閉環的位置控制，因此，其運動位置精度高，但此種類型機械手的運動空間相對較小，如要達到較大運動空間，則要求機械手的尺寸足夠大。直角坐標機械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業及搬運作業。直角坐標機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。（2）圓柱坐標機械手結構特點：圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現的。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機械手構造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運作業。（3）球坐標機械手結構特點：球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現的。其工作空間是一個類球形的空間。這種機械手結構簡單、成本較低，但精度不是很高，主要應用于搬運作業。（4）關節型機械手結構特點：關節型機械手的空間運動是由三個回轉運動實現的。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結構緊湊，占地面積小。此種機械手在工業中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業。關節型機械手又分為水平關節型和垂直關節型兩種。

（二）機械手設計的一般要求

機械手手爪設計有如下要求：（1）機械手手爪是根據機械手作業要求來設計的。既根據其應用場合設計手爪，在滿足作業要求的前提下，機械手手爪還要求體積小、重量輕、結構緊湊。（2）機械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結構上很復雜，甚至很難實現，從工業實際應用出發，應著重開發各種專用的、高效率的機械手手爪，加之以快速更換裝置，以實現機械手的多種作業功能，而不主張用一個萬能的手爪去完成多種作業，以考慮設計的經濟效益。（3）機械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不同的機械手，這就要求末端執行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執行器實現標準化。（4）機械手手爪要便于安裝和維修，易于實現計算機控制。

二、發展現狀和趨勢

（1）機械結構向模塊化、可重構化發展。（2）工業機械手控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，結構小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統的可靠性、易操作性，而且維修方便。（3）機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發展。（4）關節式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機械手產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機械手開發，柔性仿形復合機構開發，仿形伺服軸軌跡規劃研究，控制系統開發；（5）焊接、搬運、裝配、切割等作業的工業機械手產品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統動態仿真。總的來說，大體是兩個方向：其一是機械手的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統；其二是與生產加工相聯系，性價比高，在滿足工作要求的基礎上，追求系統的經濟、簡潔、可靠，大量采用工業控制器，市場化、模塊化的元件。

三、結語

把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統或柔性制造單元，可以節省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。但目前我國的工業機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規模和產業化水平低，機械手的研究和開發直接影響到我國機械行業自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計具有重要意義

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