數(shù)控機床下料手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

張浩然

摘要：各機械機構(gòu)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(fù)載、響應(yīng)速度等的主要因素，因此機械手各部件的優(yōu)化設(shè)計對實現(xiàn)機械手工作效率最大化具有非常重要的意義。關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；下料手；機械結(jié)構(gòu)；設(shè)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(shè)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(xiàn)抓取、搬運等動作，是一種能進行自動化操作的設(shè)備。早期的機器人多為機械手機器人，機械手的研發(fā)，能讓人從繁重的勞動中解放出來，特別是在生產(chǎn)強度較高的情況下，機械手不但能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，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(chǎn)能力，還能發(fā)展生產(chǎn)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(lǐng)域內(nèi)都能得到切實的應(yīng)用。

根據(jù)當(dāng)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?，F(xiàn)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(tǒng)的繼電器控制方式已經(jīng)被淘汰；目前只能推行優(yōu)勢化控制，微機控制使用的比較多，這就使整個控制出現(xiàn)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(shù)或者電子行業(yè)。

PLC控制多是以PLC為依托，將計算機、自動控制和通信技術(shù)三者融為一體。由于自動控制系統(tǒng)之間要相互通用，所以結(jié)構(gòu)就偏于簡單，編程過程也耗時較短，這就體現(xiàn)出PLC的優(yōu)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)，讓機械臂可以進行正反向旋轉(zhuǎn)，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(shè)計的關(guān)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(diào)試過程中調(diào)節(jié)工作的空間時使用。

3 數(shù)控機床下料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球狀坐標(biāo)結(jié)構(gòu)以及關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中數(shù)控機床上下料機械手的四種主要結(jié)構(gòu)設(shè)計形式。圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的下料機械手的空間運動主要是以一個機械臂的回轉(zhuǎn)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(xiàn)上下料工作的，這種結(jié)構(gòu)的機械手工作中的自由度數(shù)是3，機械手的工作區(qū)間主要是圓柱形狀，機械手的基本結(jié)構(gòu)組成較為簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的工作精度，常用于數(shù)控機床上工件的搬運工作。根據(jù)數(shù)控機床上機械手安裝形式以及工作要求，主要采用的結(jié)構(gòu)形式是圓柱坐標(biāo)式。

4 機械手各部件的設(shè)計

4.1 下料機械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計

下料機械手手爪主要是用來完成工件裝卸任務(wù)的，根據(jù)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(jié)構(gòu)設(shè)計的第一原則是滿足工作要求，還要具有結(jié)構(gòu)簡單、連接部件少、通用性好等一般特點。除此之外機械手設(shè)計也需要考慮安裝與維修便利性，以及與現(xiàn)代智能計算機控制系統(tǒng)的兼容性。機械臂手爪的結(jié)構(gòu)大多采用杠桿式的連接結(jié)構(gòu)，通過活塞的推壓作用實現(xiàn)各結(jié)構(gòu)聯(lián)動，使手爪作出加緊或者放松的動作，杠桿式結(jié)構(gòu)能夠最大限度的放大作用力，應(yīng)對較大的工作負(fù)載。

4.2 下料機械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計

下料手機械手手腕結(jié)構(gòu)是連接手爪與手臂的關(guān)鍵部件，是整個機械手構(gòu)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(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計原則。手腕活動的自由度主要是根據(jù)機床機械手具體的工作內(nèi)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(jié)構(gòu)的自由度數(shù)所決定的，自由度數(shù)增加，手腕結(jié)構(gòu)的靈活性增強，對各種構(gòu)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(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，設(shè)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(xiàn)各種力的傳遞并保持連貫性，結(jié)構(gòu)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(yīng)該盡量降低手腕部件各關(guān)節(jié)聯(lián)動的復(fù)雜程度，并充分利用構(gòu)件的剛度性質(zhì)為機構(gòu)的運動設(shè)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(gòu)設(shè)計的考察與分析，為保證數(shù)控機床下料手操作精度與安全性，并本著結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計原則，在保證作業(yè)要求的前提下，大多設(shè)計為3個自由度，完全能夠?qū)崿F(xiàn)下料手的各種復(fù)雜工作要求。

4.3 機械手機械傳動機構(gòu)的設(shè)計

機械手的傳動構(gòu)件設(shè)計特點是影響機械手控制難度、操作精度以及響應(yīng)速度的關(guān)鍵因素，因此機械手傳動機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)滿足體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡單等特點，在保證機械手能夠完成基本操作任務(wù)的前提下，盡量減少反向空回運動以提高結(jié)構(gòu)運動控制精度，而且還要對各連接結(jié)構(gòu)間的鏈傳動的配合方式作進一步的優(yōu)化設(shè)計，以提高機械手傳動系統(tǒng)的剛度，增加系統(tǒng)的使用壽命。大部分下料機械手的傳動機構(gòu)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(tǒng)傳動與運動精度要求，盡量降低各傳動構(gòu)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(gòu)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(gòu)設(shè)計

一般情況下關(guān)節(jié)式下料機械手平衡機構(gòu)的主要作用就是最大限度地降低驅(qū)動器的負(fù)載并提高系統(tǒng)對各種控制命令的響應(yīng)速度。生產(chǎn)實際中普遍采用彈簧式平衡機構(gòu)，它具有平衡效果優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低、便于拆卸和維修等特點。機械手設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是通過對機械手主要構(gòu)件、傳動機構(gòu)、連接機構(gòu)、平衡機構(gòu)等各機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計、調(diào)整布局形式與配合方式、使整個系統(tǒng)達到平衡運動的效果，同時彈簧式平衡機構(gòu)能夠針對這一間題進行平衡優(yōu)化以達到要求。

6 結(jié)語

目前我國多數(shù)工廠生產(chǎn)線上各種數(shù)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(yán)重影響工廠的生產(chǎn)效率，還對工人生命健康構(gòu)成一定威脅。數(shù)控機床上人工裝填工件的生產(chǎn)方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代機械行業(yè)全自動、高效率生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。為提高生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)過程的安全性與自動化，需要根據(jù)數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)與機械連接技術(shù)設(shè)計出一臺機床上的下料機械手，取代人力勞動以實現(xiàn)數(shù)控機床生產(chǎn)的無人化與自動化。

參考文獻：

[1]劉劍雄，韓建華.物流自動化搬運機械手機電系統(tǒng)研究[J].機床與液壓，2013（1）.

[2]陳鐵鳴，王連明，王黎欽.機械設(shè)計（修訂版）[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版，2017.

[3]孫兵，趙斌，施永康.基于PLC的機械手混合驅(qū)動控制.液壓與氣動，2016，（3）：37-39.

[4]徐灝.機械設(shè)計手冊（第5卷）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017.

[5]胡學(xué)林.可編程控制器（基礎(chǔ)篇）.北京：電子工業(yè)出版社，2013.