車床上下料液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)*

楊麗梅 ，李鵬祥 ，張春蘭 ，李永寧 ，王 博

（寧夏理工學(xué)院，寧夏 石嘴山 753000）

制造業(yè)是我國的立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。中國是制造業(yè)大國，隨著工業(yè)5.0 時(shí)代的到來，機(jī)械手作為智能機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程的一種新型裝置，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于智能自動(dòng)化柔性生產(chǎn)線中[1]。近年來，智能機(jī)器人生產(chǎn)和研制的快速發(fā)展，促進(jìn)工業(yè)機(jī)械手朝著智能化、自動(dòng)化、精細(xì)化的方向進(jìn)一步發(fā)展[2]。當(dāng)下機(jī)械手的種類包羅萬象，雖然機(jī)械手的靈活性能與大多數(shù)人工相比低了很多，但是它可以替代人工做一些重復(fù)枯燥的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。目前，我國大多數(shù)工廠里面的生產(chǎn)流水線工作還是由人工勞動(dòng)力去完成的，其中的危險(xiǎn)性較大，人力、物力的消耗對于工廠來說是一筆不小的開銷，但是如果換成現(xiàn)有的老舊機(jī)械手，耗時(shí)長、生產(chǎn)效率低下而且成本并不低。本設(shè)計(jì)的主要目的是針對國內(nèi)生產(chǎn)線上那些勞動(dòng)強(qiáng)度大且具有一定危險(xiǎn)性的崗位，滿足工廠生產(chǎn)的需要，并提高生產(chǎn)的效率，節(jié)省工廠在人力、物力上的成本。車床上下料機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，能夠有效提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低人力勞動(dòng)的強(qiáng)度，改善車床上下料車間的工作環(huán)境。為此，我國高度重視機(jī)械手的研制和發(fā)展，本設(shè)計(jì)可為后續(xù)相關(guān)人員的研究提供一定的理論參考依據(jù)。

1 機(jī)械手整體方案的設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式

在車床上下料中，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)，在考慮到加工制造的工件合格的情況下盡量地減少成本和材料的消耗且有效地提高工作效率。只有所設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊才能有效地達(dá)到上述目標(biāo)，因此在這次設(shè)計(jì)中最大程度上簡化機(jī)械手的結(jié)構(gòu)使其方便操作和使用，為工廠的使用提供了最大的便捷。由于機(jī)械手需要實(shí)現(xiàn)上下料和取料的動(dòng)作，主要考慮在X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)以及繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。故選用圓柱坐標(biāo)形式的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上下料功能的機(jī)械手[3]。機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式

1.2 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)使機(jī)械手腰座回轉(zhuǎn)的方式主要有以下兩種：1）電機(jī)通過減速器機(jī)構(gòu)來控制腰座的回轉(zhuǎn)；2）電機(jī)通過擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)機(jī)構(gòu)來控制腰座的回轉(zhuǎn)。綜合目前國內(nèi)機(jī)械手的整體情況可以看出，大部分的機(jī)械手都采用電機(jī)通過減速器機(jī)構(gòu)來控制腰座的回轉(zhuǎn)。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的控制系統(tǒng)基于PLC 進(jìn)行控制，為了使機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)的過程中各個(gè)機(jī)構(gòu)之間不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，因此在設(shè)計(jì)的過程中不用選擇過多的液壓元件。腰座是上下料機(jī)械手的重要回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手控制的精度產(chǎn)生極大的影響，精確地控制機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)非常重要[4]。如果直接采用電機(jī)帶動(dòng)減速器來控制機(jī)械手腰座的轉(zhuǎn)速和扭矩，在滿足轉(zhuǎn)速和扭矩的要求下，齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比較大，若采用多級齒輪傳動(dòng)，且齒輪傳動(dòng)的過程中存在齒側(cè)間隙，會(huì)導(dǎo)致齒輪傳動(dòng)的機(jī)械效率較低，因此不宜采用多級齒輪傳動(dòng)。若采用大于100 傳動(dòng)比的單級齒輪傳動(dòng)，可避免將機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得復(fù)雜，同時(shí)，齒輪的材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度、高硬度、高精度的鑄鋼[5]，并且采用高精度的加工制造工藝，提高加工制造齒輪的精度，從而減小齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的誤差來滿足機(jī)械手腰座的運(yùn)動(dòng)性能要求。機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)

1.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮實(shí)際工況環(huán)境，機(jī)械手主要實(shí)現(xiàn)上下料功能，運(yùn)動(dòng)形式大多數(shù)為直線運(yùn)動(dòng)。為了方便控制機(jī)械手的直線運(yùn)動(dòng)，通常采用的控制方式有電動(dòng)控制、液壓傳動(dòng)控制、氣壓傳動(dòng)控制、復(fù)合傳動(dòng)控制等方法。由于在設(shè)計(jì)的過程中機(jī)械手搬運(yùn)的物料質(zhì)量較輕，為了能精準(zhǔn)地控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度控制為中低速[6]。在滿足性能和成本的基礎(chǔ)上，采用液壓控制系統(tǒng)。在機(jī)械手手臂工作的過程中由液壓系統(tǒng)來控制機(jī)械手的上下左右動(dòng)作，通過液壓缸來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的移動(dòng)和控制。依據(jù)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)范圍，為了設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)緊湊，在設(shè)計(jì)的過程中額外加入了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，并且在小臂上加入了一個(gè)導(dǎo)桿來提高其剛度，在大臂處增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，四個(gè)導(dǎo)桿呈正四邊形布置，為了減輕機(jī)械手手臂的重量，所有導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。這樣設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、控制精度高、穩(wěn)定性好。

1.4 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)機(jī)械手進(jìn)行上下料的作業(yè)時(shí)，考慮到車床加工的具體形式和具體要求，在滿足工藝要求的前提下需要提高機(jī)械手工作時(shí)的安全性和可靠性。為了降低控制機(jī)械手的難度，將機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得簡單緊湊一點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)的過程中采用三個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)以及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[7]。機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu)

1.5 機(jī)械手手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在機(jī)械手的設(shè)計(jì)中，主要使用了齒輪齒條的結(jié)構(gòu)形式，用手爪后部的液壓缸來驅(qū)動(dòng)活塞的移動(dòng)以帶動(dòng)手爪的張開和閉合，其中，手爪的抓取直徑可以隨意調(diào)節(jié)，可以滿足抓取工件的尺寸要求[8]。機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)形式如圖4 所示。

圖4 機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手液壓系統(tǒng)由三相異步電動(dòng)機(jī)來提供動(dòng)力，然后控制機(jī)械手臂的移動(dòng)和換向，在液壓系統(tǒng)中選用溢流閥V1 對整個(gè)液壓系統(tǒng)起安全保護(hù)作用，其通斷由PLC 控制的二位二通電磁換向閥1DT 的得電與失電進(jìn)行控制[9]。整個(gè)液壓系統(tǒng)中還包含機(jī)械手手爪的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中手爪的抓緊和放松由5DT和6DT 來控制，同時(shí)這兩個(gè)元件結(jié)合單向閥及節(jié)流閥，控制機(jī)械手抓緊和放松的速度。為了保證機(jī)械手的升降能夠有序平穩(wěn)運(yùn)行，本次設(shè)計(jì)采用了2DT和3DT 控制的平衡回路為升降液壓缸的下腔提供背油，來確保升降的平穩(wěn)性[10]。機(jī)械手液壓系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 機(jī)械手液壓系統(tǒng)圖

3 總結(jié)

本文通過對上下料液壓機(jī)械手進(jìn)行整體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，特別是對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式、腰座、手臂、手爪、腕部等結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的選型。機(jī)械手的控制部分采用液壓控制系統(tǒng)，并且通過PLC 對液壓系統(tǒng)的電磁得失電和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制，有效提高了機(jī)械手的工作效率。