數控車床自動上下料機械手結構設計

摘要：機械制造自動化是制造業長期發展的目標之一，采用自動化技術不僅可以大大降低勞動強度，而且可以提高產品質量，使企業適應市場，提高競爭力。本文對機械手的傳動機構，驅動系統、液壓系統及控制系統進行了理論分析和計算，同時對機械手整體結構進行了詳細的設計，主要包括機械手的機身機座、機械手手臂、機械手手爪等部分，分析了數控車床自動上下料機械手的操作流程，主要采用液壓缸、步進電機等元件實現機械手的運動部分。

關鍵詞：數控車床;機械手;傳動機構;液壓系統

Structure Design of Automatic Loading and Unloading Manipulator for NC Lathe

YANG Liang

Abstract： In this paper an automatic loading and unloading manipulator with cylindrical coordinate structure is designed for NC lathe. The transmission mechanism， driving system， hydraulic system and control system of the manipulator are theoretically analyzed and calculated. At the same time， the overall structure of the manipulator is designed in detail， mainly including the body， base， arm and claw of the manipulator. The operation flow of the automatic loading and unloading manipulator of NC lathe is analyzed， the moving part of the manipulator is realized by hydraulic cylinder， stepping motor and other components.

Key Words： CNC lathe; Manipulator; Transmission mechanism; Hydraulic system

為了提高性能水平和科技進步，工業機器人得到了更廣泛的應用，并向高速方向發展，精度高、重量輕、負載重、彈性高、可靠性高。在工業生產中，機器人廣泛應用于焊接、拆卸、鋪設、加工、包裝等工作。同時，數控機床在機械工程領域得到了廣泛的應用，它們自19世紀50年代問世后發展迅速，占發達國家機床總產量的很大一部分。通過批量生產擴大了這一應用領域。目前，一些發達國家，如日本、西班牙和美國，在數控機床控制系統下，實現了工件加工過程的靈活自動化。機械手在機械自動化生產過程中，作為夾具和抽運加工制品，屬于工業機器人之一。隨著我國機械制造和自動化的發展，工業機械制造領域的研發越來越受到重視。機械手可以代替在特定工作場所具有特殊要求的工作，如在危險的環境中工作及周期性重復無聊的工作。機械手可以代替人做出色的工作，機器人技術可以減少輕工業的勞動強度和危險，同時提高勞動生產率。正因為機械手應用廣泛，對機械手研發也具有十分重要的意義。但目前我國研制工業機器人的技術相比于國外還有待提高，機械手的研制與生產直接影響到我國機械化，自動化的發展。因此，本文數控車床自動上下料機械手的研究有很大意義。

1 研究目的及意義

在大多數中國工廠的生產線上，數控機床的裝卸工作仍然是手工完成的，它們的性能很低，更大的勞動強度和一些危險性的工作已經不能滿足生產自動化發展的需要。為了提高工作效率，應降低成本，把生產線發展成靈活的生產體系，滿足現代機械工業生產自動化的要求，考慮到具體的生產技術，結合機床實際結構，采用機器人技術，需要將材料下的機器人手柄人工設計更換為臺面，以提高勞動生產率。機械手可以代替人做反復、枯燥的危險工作，減少了人的勞動強度，提高工作效率。因此，機械手在機械工業中得到了越來越廣泛的應用，可以運輸和加工工件，可以用來裝配零件，特別是自動化數字控制機床和組合機床。

本文研究的數控車床自動上下料機械手屬于工業機械手的一種，工業機械手是機械制造自動化的產物。機械手可以像人的手一樣行動，模仿人工作的方式，按要求完成工作。例如，在某些危險的環境、重復或周期性地的工作可以由機械手代替人類成功完成，這樣既可以提高勞動生產率，同時，降低勞動強度和危險性。此外，工業機械手可以適應人類無法工作的環境如溫差極大的車間或深水及具有放射性的環境，更能顯示其優越性。正因如此，機械手在得到了廣泛的應用，機械手有著廣闊的發展前途。

本文研究的機械手與數控車床相結合形成生產線，使其可以完成工件的夾持，翻轉與運送等一系列加工過程。本文的研究主要為了滿足數控車床以及加工工廠的工件的裝卸，從而可以實現在減輕工人勞動強度與節約加工時間的同時，還可以提高工件的生產效率與生產力。

2 數控車床自動上下料機械手的設計方案

2.1 機械手結構的設計

（1）機械手的結構類型。工業機器人結構主要由直角坐標型機器人，圓柱坐標型機器人，球坐標型機器人，關節型坐標機器人4種組成。

（2）上下料自動驅動數控機床機械手結構實施方案。結構最終選擇圓柱坐標，共使用3種運動形式，包括兩個直線運動和一個旋轉運動。直線運動時手臂上下和伸縮，旋轉運動是機械手支架的旋轉。選擇的優點是機械手活動范圍廣、精度高、設計簡單、攜帶方便^[1]。

2.2 數控車床自動上下料機械手手部設計

（1）機械手手部的設計要求。機械手手爪與手腕相連接，機械手手爪的種類可分為多種，以保證其可以適應機器人在不同情況下進行不同的工作，如末端執行器用于搬運工件、加工工件和測量工件。當需要搬運工件時，末端執行器通常會選擇可夾持類機械手用來夾持被搬運的工件。當加工工件時，末端執行器通常選擇噴槍、焊槍等帶有加工工具的機器人，以便完成相應工作。例如，需用開展測量，末端執行器需要用來測量及檢驗工件，此時一般會選擇帶有測量儀器及傳感器的裝置。本文中的機械手手爪需要夾持工件搬運運輸等操作，屬于夾持類機器人末端執行器。

（2）手爪結構的采用方案。工業機器人手爪結構一般分為連桿杠桿式、楔塊杠桿式、平行杠桿式、齒輪齒條式、滑槽式5種^[2]。

2.3 數控車床自動上下料機械手腕部設計

機械手腕部為機械手手臂與機械手手爪聯結部分，即應安裝在手臂末端。機械手腕部重量應適當減小，結構應緊湊，強度和剛度要夠，空回間隙應減小以便于增加傳動精度。機械手手腕主要功能是可以使被夾持工件的方位產生變化，此時機械手手腕需做回轉運動，即只存在一個回轉自由度。本設計手腕不加自由度以便于機械手結構簡單，操作簡單。

2.4 數控車床自動上下料機械手手臂設計

本文中分垂直手臂及水平手臂兩種，垂直手臂主要作用為帶動機械手手部在空間的升降運動、支撐機械手手腕和機械手手爪，水平手臂作用為帶動手部在空間的水平運動。機械手的手臂主要作用就是將機械手手爪送至空間某一點進行工作，機械手手腕及手爪的動靜載荷均由手臂承擔，而相關手臂自由度較多，所以機械手手臂的受力相對于其他部分更為復雜。手部的位置精度即為機械手手臂的精度。導向裝置和定位方式對于機械手最終的精度尤為重要^[3]。

2.5 數控車床自動上下料機械手機身機座設計

機械手機座有腰部和底座兩部分。它是機器人的第一個回轉關節，機械手手臂的運動及手腕手爪的運動都安裝在機械手機座上，故機械手整體的重量均由機座承擔。在設計機器人機座結構時，要注意機械手的機座部分底座截面需要足夠大以保證機械手整體工作時的穩定，其結構裝卸要方便。

2.6 數控車床自動上下料機械手驅動系統設計

2.6.1 驅動系統的分類

（1）液壓驅動系統?？刂屏εc控制力距大、易于實現直接驅動等均為液壓驅動系統的特點，但其效率較低，不如電機驅動，且液體易泄露，難維修。多適用于承載能力大及需進行防爆工作的裝置中。

（2）氣壓驅動系統。構造簡單，裝卸簡易、成本較低等為氣壓驅動特征。氣動系統的缺點在于難以實現伺服控制，大多數適用于中小負荷及需要程序控制的工業機器人中。

（3）電動驅動系統。電動驅動系統因易操作，低噪音等特點很受歡迎，但是某些電機在要求防爆的工作環境中不可使用，其成本略高。因為此系統優點突出，所以應用較為廣泛。

2.6.2 驅動系統采用方案

具體到本設計，綜合考慮以上因素，本文機械手機座為回轉運動，采用步進電機驅動最優，機械手水平手臂和垂直手臂選用液壓驅動最優。

2.7 數控車床自動上下料機械手傳動設計

本文中機械手手臂運動均采用液壓驅動。故該部分不采用傳動結構，既簡化了機械手結構，也有利于提高機械手整體的精度。本文機械手機座部分選擇了電機驅動，則需要通過傳動機構進行減速。經分析比較，本文選擇圓柱齒輪傳動。

2.8 數控車床自動上下料機械手定位與穩定性設計

（1）影響定位精度及平衡的因素。定位方式、速度、剛度、運動件重量及驅動源等因素對機械手整體的平衡及穩定都會產生一定影響。例如，定位方式選擇機械擋塊定位，其擋塊的強度及與擋塊碰撞時速度等都有關聯。速度對定位精度也有較大影響如，速度過快或過慢都會影響最終精度，所以控制其速度可以適當減小最后的精度誤差。剛度對機械手整體結構的影響在于如接觸剛度較低、易振動，此時定位精度一般較低。運動件重量對定位精度的影響在于如運動件重量變大時，定位精度會相應減小，機械手整體及被夾持工件均屬于運動件。合理控制運動件重量及機械手工作時被夾持工件重量是必要的。驅動源包括液壓、氣壓、電壓、油溫等。驅動源產生變化時，重復定位精度會隨之產生變化，所以穩壓及控制油溫是重要的。結合上述因素，本設計最終采用的定位方式為機械擋塊定位。

（2）平衡機構分類。彈簧平衡機構、活塞推桿平衡機構、配重平衡機構為目前工業機器人常用的3種平衡機構的形式。彈簧平衡機構成本低、穩定性好，應用較為廣泛?；钊茥U平衡機構具有較好的阻尼作用，但氣動平衡系統體積較大?；钊狡胶庀到y復雜，價格較高，裝卸及維修難度也較高，但是平衡效果較好。配重平衡機構平衡效果一般，但其機構簡單，較為穩定。

（3）平衡機構采用方案。本文為使機械手整體結構簡單，故不采用平衡機構^[4]。

3 數控車床自動上下料機械手控制系統設計

本文研究的數控車床自動上下料機械手一個工作周期為第一步為夾緊工件，然后裝入車床完成上料，再經車床加工后從卡盤取出工件完成下料。機械手一個工作流程主要包括垂直手臂升降、水平手臂伸縮、機身機座回轉及手爪開閉4種運動模式，其中，手臂運動采用液壓缸的方式，垂直運動方向通過電磁換向閥改變。水平運動方向采用電液伺服閥、伺服驅動器、感應式位移傳感器所組成的回路改變。手爪的開閉采用柱塞缸與齒輪來實現^[5]。

機械手從原點開始，水平手臂前伸到達指定位置后，下降停止的同時，關閉夾子，垂直手臂向上移動達到預定位置，運動停止。機械手機座逆時針旋轉，到達旋轉90°并停止;垂直臂下降到卡盤中心停止，機械手完成定位，水平臂回收，工件插入卡盤，安裝后，夾子被夾緊，機械手的手爪被打開，垂直的手臂向上移動以達到位置，然后上升并停止。機械手機座椅時針旋轉90°，當機器回到原來的位置時旋轉停止^[6]。

數控車床完成了零件的加工，在操作下料后，90°逆時針方向旋轉的機械手機座停止，垂直臂向下移動到指定位置停止，手爪夾具閉合工件。車床卡盤打開，在水平臂前卸下工件，垂直臂向上移動，到達位置后停止。機械手機座順時針到達后轉90°停止。垂直臂向下移動，停止后，手爪張開，將工件置于設定位置后，垂直的手臂繼續向上移動，到達位置后停止，手爪閉合，最后機械手水平臂向后滑動到達位置后，停止收縮，機械手手臂返回原點，操作結束。

4 結語

本文的研究具有一定的針對性及明確目標，主要闡述了研究目的及意義及機械手未來的發展趨勢，同時本文完成了對于數控車床自動上下料機械手三維造型的設計與機械手傳動結構、驅動系統及定位穩定性的設計。

參考文獻

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中圖分類號：TG659DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2112-5640-4193

作者簡介：楊亮（1985—），男，碩士，工程師，研究方向為數控車床。