試論數控機床上下料機械手的機械結構設計

張文甲

（沈陽機床（集團）有限責任公司設計研究院，遼寧沈陽 110142）

0 引言

機械手設計作為上下料開工過程中關鍵技術環節之一，與數控機床的運轉效率及運行質量均密切相關，因此設計數控機床上下料機械手過程中，應當對機械結構的運行特點充分掌握，設計好上下料機械手機械結構的設計流程，在機床運行中可以保證每一個機械結構的緊湊性、合適性[1]。上下料機械手結構設計作為實現數控機床模塊化、智能化、科學化運行的重要前提，可以綜合分析相關數據，并且機械手作為現代化操作方式之一，通過PC機終端控制機械操作運維的具體方向，能夠對數控機床的整體效率、水平有效提升[2]。不僅如此機械手還擁有功能集成性，通過加強系統性能管控達到最優化。除此之外也可以整合有關數據，對數控機床實現標準化網絡化控制，在整體機械設備中數控機床的上下料機械手操控傳感器十分關鍵，能夠在數控機床運行中不斷優化速度參數，并且在裝配焊接中集中處理管控，大大提升了設備仿真最終效果，也優化了機械結構運行效果[3]。本文對數控機床上下料機械手的機械結構設計展開研究，對提高數控機床的機械化水平具有現實意義。

1 數控機床上下料機械手現狀

我國目前在有關數控機床機械手領域的相關研究中，側重于對機械手動態特征的綜合分析管控，深度解析了機械模型的整體運維機制，可以在提升工作效率的同時優化機械結構運行水平。首先，數控機床的上下料機械手，作為機床項目重構、模塊化技術發展基礎，能夠對綜合處理相關數據信息[4]；其次上下料機械手可以通過PC（個人計算機）端遠程控制機械結構的開放型控制運維方向，從而降低操作難度但又提高了操作水平。再加上與現代社會網絡化發展趨勢下，結合標準化、網絡化態勢，基于較強集成度能夠實現了最優化系統安全性能。最后在上下料機械手設備中，具有較大的傳感器設備優勢，可以升級數控機床的傳感器及速度參數，尤其對于轉配、焊接方向可以實現綜合管控，很大程度優化了數控機床的動態化仿真特效性能[5]。

2 設計數控機床上下料機械手項目優勢

在實際應用中，技術人員需要與具體管控模型和項目需求相結合做到集中控制，因為數控機床擁有很大的技術優勢，在項目實施中可以很大程度提升工作效率，加快機械手項目的整體工作進度，保障設備的較強負載力。除此之外也基于技術特征，在數控機床實際運行中所受較強負載力，相應的也就減少了數控機床的系統故障率[6]。在處理實際工程項目中，需要與實際需求相結合，構建完善系統化管控參數，確保在實施過程中能夠與項目工程安全相貼合，保證每一道項目工序的完整性，切換應用結構動態化處理，維護工程項目的實際運行效率。技術人員在操控數控機床設備時，通過時效性管理建議可以推進整個機械項目管控操作中，保證真實有效的技術結構。在使用機械智能化設備中，更需要有關部門運行推送機制對整體運維流程切實維護，來保障實際服務結構參數間的契合度。

3 上下料機械手的機械結構設計

3.1 手爪設計

手爪是用于對工件進行抓取，保證夾持力度，根據工件需要抓取的位置和特征，一般分為三指手爪和兩指手爪，分別應用于盤類和軸類零件的抓取，對于異形件或者箱體件則可以設計專用手爪。在手爪結構設計中，手爪作為作業操作的主要裝置，包括諸多種類以差異化操作作業為依據，包括了搬運手爪、加工手爪、測量手爪等[7]。機械手爪需要將機械作業為依據完成設計，應當在滿足機械作業基礎之上，充分發揮手爪的小體積、輕質量、緊湊型結構、較強通用性這一特點，方便安裝維修及遠程PC端控制。根據加工工藝要求，手爪手指的行程設計也需要注意兼顧毛坯和成品的抓取，水平上料時還需要考慮是否需要應用彈料機構。與實際工況相結合，工件為軸類件，本次設計采用了氣動抓手，手指部分應用聚氨酯材料，增加摩擦力的同時能很好地保持工件的表面質量。手指的V形塊也可以對工件進行自定心，保證上料時精度一致性。

3.2 手腕設計

在機械手結構設計中手腕作為操作機末端設備，連接手爪配合機械手手臂，能夠保證手爪相連，配合機械手手臂完成所需作業空間。所以在設計手腕時需要盡可能保證結構組件的輕盈緊湊，與機械結構作業所需相結合，合理設計手腕結構自由度[8]。

手腕部分聯接兩個爪手分別用于下料和上料，可以在換料過程中節省換料時間。手腕設立有緩沖機構，設計硬限位，能夠有效預防超限所致機械損壞。分析上下料作業時，對數控機床的加工形式充分考慮，在滿足系統設計工藝需求的基礎之上，提升整體安全可靠性，不斷降低機械手的結構控制難度，簡化機械結構在不增加自由度基礎上，根據這3個自由度即可實現充足的機床上下料。本次設計采用了氣缸帶動活塞桿圍繞旋轉軸，將直線運動轉化成直角運動，完成抓手水平與豎直的翻轉。

3.3 提升和橫移部分設計

為了達到一定的載荷承受標準，再加上自身運動中因為存在一定速度，機械結構尺寸和形狀，密切相關機械手工作范圍，所以在設計提升與橫移機構尺寸時需要滿足工作空間需求。并且為了對機械手的運動控制精度、速度充分提升，還需要在確保機械手達到充足剛度、強度條件下，通過材料、結構等方面盡可能減輕手臂重量。因為手臂機械結構在實際運動中作為直線運動，有一定的搬運質量，運動安全穩定性與機械手的運動性能及剛度要求較高，所以本文設計選擇了鋁型材作為提升機構主體，方鋼型材作為橫移部分的結構主體，提升和橫移部分均采用直線導軌作為直線運動副。

3.4 傳動部分設計

因為傳動部件對機械手穩定性、精度及快速向應力有必然聯系，在機械傳動結構設計過程中，嚴格控制結構體積保證緊湊度，從而提升機械手結構的控制精度、運動速度。在設計傳動副和傳動鏈時需要考慮運用間隙調整機構，減小反向空間所致運動誤差，還要盡量消除傳動爬行情況，來延長系統的使用期限，盡可能縮減傳動鏈，最優化傳動比，保證傳動組件適當阻尼比。目前在機械手機械結構傳動設計中，以齒輪、齒條、同步帶比較常用。本文設計采用齒輪齒條傳動形式，現以提升部分的傳動機構為例，進行設計計算及校核。

技術指標有：提升軸移動部件重量W=50 kg，快移速度v=120 m/min、加速時間0.1 s，加速度a=20 m/s2；提升軸為豎直使用。

3.4.1 預選電機

預選電機的功率為1.3 kW，額定扭矩8.34 N·m，最大扭矩23.3 N·m，額定轉速n額定為1500 r/min，最高轉速n最高為3000 r/min，轉動慣量為22×10-4kg·m2。

3.4.2 預選減速機

減速比i為3，轉動慣量J1為0.61×10-4kg·m2，額定輸出扭矩為130 N·m，η=97%。

3.4.3 預選齒輪齒條

斜齒m=2，Z=25，β=19°31′42″，D0=mz/cosβ，齒條配合最大扭矩T2tabelle為477 N·m。

3.4.5 慣量校核

（1）傳動部分折算到齒輪軸上的轉動慣量J=W×（D0/2）2/g=0.035 2 kg·m2。

（2）傳動部分折算電機軸上的轉動慣量。其中：J系統=J/i2=39.13×10-4kg·m2；J減速機=0.61×10-4kg·m2；J齒輪=MD2×10-6/8/i2=0.47×10-4kg·m2；則J總=J系統+J減速機+J齒輪=40.21×10-4kg·m2。

電機轉動慣量J電機=22×10-4kg·m2，轉動慣量比J總/J電機=1.828，所以減速機i=3即可滿足要求。

3.4.6 力矩校核

加速力矩Ta=J總×n×2π/60T=4.55 N·m

摩擦力Ff=μF+S（n）F=Gtg20°+4×0.05C=21.33 N。其中，F包括齒輪分力對導軌產生的力Gtg20°，滑塊預緊力4×0.05C，導軌摩擦因數0.04，S為刮油片阻力×4（n）。

摩擦力矩Tf=Ff×R/i/η=0.236 N·m，（η為效率，一般采用80%）。

重力矩TG=W×10×R/i/η=5.53 N·m。

啟動力矩TM=Ta+Tf+TG=10.316 N·m＜T電機最大扭矩=23.3 N·m。

快速力矩T=Tf+TG=5.766 N·m＜T電機額定扭矩=8.34 N·m。

靜態扭矩T靜=TG-Tf=5.306 N·m＜0.7×T電機額定扭矩=16.31 N·m。

因此，靜態下載荷扭矩未超出靜態扭矩的70%，電機不會明顯發熱，選擇是合理的。減速機和電機通過校核選擇也是合理的。

3.4.7 齒輪齒條校核

齒輪所需切向力Fu=m×g+m×a=1500 N，齒輪所需提升扭矩T2erf=Fu×D0/2000=39.81 N·m，則理論計算齒輪所需提升力矩T2zul=T2tabelle/（KA×SB×fn）=265 N·m（負載系數KA=2，安全系數SB=1.2，fn=1）。

因為T2zul>T2erf，滿足設計要求。

齒輪最大轉速n=v×1000/（π×D0）=720 r/min，電機需要最大轉速N=n×i=2160 r/min

4 機械結構設計要點

也正因數控機床實際運行中，擁有多元化運維技術特點，所以在很大程度上確保了機床機械手擁有豐富類型，在實際操作中有關技術人員應當做好前期調查工作，收集整理有關運維特點的相關信息，避免發生不必要的問題。在參數模型構建過程中，有關技術人員還需要注意與機械手的不同類差異化特點相結合，做到不同的機械手元件可以構建差異化模型，使模型充分發揮作用。在整體設計前務必要考慮安全性，在人為操作區設置防護圍欄，電纜氣管等纜線可根據實際情況分布在上方或埋于走線槽下，有電氣柜或電纜經過的地方需要貼電氣安全標牌，在持續運轉的旋轉機械附近需要貼安全警示標牌，結構設計時要給安全標牌和防護留好充足的空間，在行程極限位置需設計硬限位。在結構設計過程中還要充分考慮到數控機床開門尺寸是否滿足機械手的進出，內部空間是否滿足機械手腕部的旋轉等。在實際應用過程中往往不能一次裝夾完成加工，還需要參考加工工藝考慮是否需要增加翻轉機構來進行工件的翻面。在設計數控機床機械手結構中，技術人員還應當結合實際需求，強化設計流程完整性，機械結構的設計要點總結如下。

4.1 動態結構

在設計機械手動態結構中，應當始終嚴格遵循機械結構設計原則，采用正確的結構施工方式，集中處理動態化模型與設計流程，這樣能夠滿足技術管控需求，保證手爪機械結構之間的獨立性，在此基礎上還可以彼此合作，保證機械結構的具體操作符合標準。在設計上下料機械手的機械結構時，還應當基于機械結構設計的項目可正常運行為前提，結合設計過程為優化工作職能提供更充分的數據信息支持。在機械手機械結構的設計過程中，還需要進一步細化每一步設計要求，保證選擇相適應的機械接口，并詳細分析機械結構在運行過程中的具體特征，確保其設備運行高效和運行質量。首先需要通過搬用式手爪設計，做到項目運行對工件抓取過程中避免受到各方限制、及時搬運物體，所以實際操作可行性較大。然后要不斷提升整體運維效果，結合機械結構的設計流程，實現動態結構設計，全面提升整體工作質量及效率。

4.2 方案應用

本次設計主要是為了解決傳統數控機床生產線中，工件裝卸的工作多數情況下是人工完成的，勞動強度較大、生產效率有限、還存在一定的技術危險性。因此，為確保本次設計方案的自動化、智能化，提升整體機械結構操作效率，減小成本投入，發展生產線為柔性制造系統，順應目前現代化機械行業的自動化生產所需。在本文對數控機床上下料機械手的機械結構設計中，不僅應擁有完善設計流程，還要在此基礎上滿足基本結構的實際運行需求。一般情況下基本結構是直線式手臂結構，這種結構剛性較強，在實際運行中對安全穩定性的要求更高。本文將機械手與數控機床集成于一體，縮小了占地面積。

5 結束語

在設計數控機床機械手結構過程中，數控機床的運行范圍同樣有所改變，本文設計了手爪、手腕、提升和橫移、傳動，并總結了結構設計過程中的要點，真正提高了機械結構操作質量與效率，降低技術操作難度，發揮機械手結構的技術優勢及效用，保障整體安機械結構安全性。