試論數(shù)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(huán)節(jié)之一，與數(shù)控機床的運轉效率及運行質量均密切相關，因此設計數(shù)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(xiàn)數(shù)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(shù)據(jù)，并且機械手作為現(xiàn)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(shù)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(tǒng)性能管控達到最優(yōu)化。除此之外也可以整合有關數(shù)據(jù)，對數(shù)控機床實現(xiàn)標準化網絡化控制，在整體機械設備中數(shù)控機床的上下料機械手操控傳感器十分關鍵，能夠在數(shù)控機床運行中不斷優(yōu)化速度參數(shù)，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(yōu)化了機械結構運行效果[3]。本文對數(shù)控機床上下料機械手的機械結構設計展開研究，對提高數(shù)控機床的機械化水平具有現(xiàn)實意義。

1 數(shù)控機床上下料機械手現(xiàn)狀

我國目前在有關數(shù)控機床機械手領域的相關研究中，側重于對機械手動態(tài)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(yōu)化機械結構運行水平。首先，數(shù)控機床的上下料機械手，作為機床項目重構、模塊化技術發(fā)展基礎，能夠對綜合處理相關數(shù)據(jù)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(xiàn)代社會網絡化發(fā)展趨勢下，結合標準化、網絡化態(tài)勢，基于較強集成度能夠實現(xiàn)了最優(yōu)化系統(tǒng)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(yōu)勢，可以升級數(shù)控機床的傳感器及速度參數(shù)，尤其對于轉配、焊接方向可以實現(xiàn)綜合管控，很大程度優(yōu)化了數(shù)控機床的動態(tài)化仿真特效性能[5]。

2 設計數(shù)控機床上下料機械手項目優(yōu)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(shù)控機床擁有很大的技術優(yōu)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(shù)控機床實際運行中所受較強負載力，相應的也就減少了數(shù)控機床的系統(tǒng)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(tǒng)化管控參數(shù)，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(tài)化處理，維護工程項目的實際運行效率。技術人員在操控數(shù)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(shù)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(jù)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(yè)操作的主要裝置，包括諸多種類以差異化操作作業(yè)為依據(jù)，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(yè)為依據(jù)完成設計，應當在滿足機械作業(yè)基礎之上，充分發(fā)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(jù)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(yè)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(yè)所需相結合，合理設計手腕結構自由度[8]。

手腕部分聯(lián)接兩個爪手分別用于下料和上料，可以在換料過程中節(jié)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(yè)時，對數(shù)控機床的加工形式充分考慮，在滿足系統(tǒng)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(jù)這3個自由度即可實現(xiàn)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(wěn)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(wěn)定性、精度及快速向應力有必然聯(lián)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(tǒng)的使用期限，盡可能縮減傳動鏈，最優(yōu)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(xiàn)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(tǒng)=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(tǒng)+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(xiàn)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(shù)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(tài)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(tài)下載荷扭矩未超出靜態(tài)扭矩的70%，電機不會明顯發(fā)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(shù)KA=2，安全系數(shù)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(shù)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(fā)生不必要的問題。在參數(shù)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(fā)揮作用。在整體設計前務必要考慮安全性，在人為操作區(qū)設置防護圍欄，電纜氣管等纜線可根據(jù)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(xù)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(shù)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(shù)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(tài)結構

在設計機械手動態(tài)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(tài)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(yōu)化工作職能提供更充分的數(shù)據(jù)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(xiàn)動態(tài)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(tǒng)數(shù)控機床生產線中，工件裝卸的工作多數(shù)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(fā)展生產線為柔性制造系統(tǒng)，順應目前現(xiàn)代化機械行業(yè)的自動化生產所需。在本文對數(shù)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(wěn)定性的要求更高。本文將機械手與數(shù)控機床集成于一體，縮小了占地面積。

5 結束語

在設計數(shù)控機床機械手結構過程中，數(shù)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(fā)揮機械手結構的技術優(yōu)勢及效用，保障整體安機械結構安全性。