數(shù)控機(jī)床送料機(jī)械手的通用系統(tǒng)設(shè)計方案

摘要：本文主要介紹了機(jī)床上下料的概念、組成和分類，國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，機(jī)械手的自由度和坐標(biāo)形式、運動。對機(jī)床上下料機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計，首先確定機(jī)械手的坐標(biāo)形式為直角坐標(biāo)型，接著確定了機(jī)械手的驅(qū)動裝置為電氣驅(qū)動，然后確定了機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;機(jī)床送料;氣動;步進(jìn)電機(jī)

一、工業(yè)機(jī)械手的選擇

1.1 機(jī)械手的概述

工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。

1.2 機(jī)械手的發(fā)展

（1）重復(fù)高精度

精度是指機(jī)械手達(dá)到指定點的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)次數(shù)多，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機(jī)械手定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機(jī)誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機(jī)械手來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。

（2）模塊化

有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手動作自如。模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是機(jī)械手的一個重要的發(fā)展方向。

（3）節(jié)能化

為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。

（4）機(jī)電一體化

由“可編程控制器—傳感器—液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制” ;節(jié)省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。

二、機(jī)械手的總體設(shè)計方案

2.1 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時，使用夾持式弧形手部;當(dāng)工件是方體時，使用半工字形狀的手部機(jī)構(gòu)。

2.2 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

考慮到機(jī)械手的自由度，同時由于被抓取工件是小型方塊，因此，手腕設(shè)計成固定形式，并與手部設(shè)計成一個整體。

2.3 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有一個自由度，即手臂的伸縮運動。通過齒輪齒條傳動帶動手部左右移動。

2.4 機(jī)械手的腰座結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達(dá)來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因為電機(jī)方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側(cè)間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時為了減小機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。

2.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計

驅(qū)動機(jī)構(gòu)是裝配機(jī)器人的重要組成部分， 裝配機(jī)器人的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。氣動機(jī)械手因為結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。直流電機(jī)控制速度比較容易，且轉(zhuǎn)矩較大，可以實現(xiàn)運動空間內(nèi)的往返運動。直流電機(jī)便于調(diào)速，且具有較好的機(jī)械特性，所以很早就用于機(jī)床主傳動系統(tǒng)， 以實現(xiàn)無級調(diào)速。但一般的直流電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量過大， 而且輸出轉(zhuǎn)矩相對過小， 動態(tài)特性較差， 尤其在低速運轉(zhuǎn)條件下更為突出， 因此不是很理想的伺服電機(jī)。

2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計

考慮到機(jī)械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器（PLC）——西門子S7-200系列對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。

三、結(jié)論

機(jī)械自動化作為工業(yè)發(fā)展的一個方向，它有著廣闊的市場，屬于實際需要去研制的一種項目。機(jī)械手能模仿人體上肢的某些動作，就需要有一定的靈敏度，對設(shè)計的要求較高。通過這次設(shè)計，提高了我分析和解決問題的能力，擴(kuò)寬和深化了學(xué)過的知識，掌握了設(shè)計的一般程序規(guī)范和方法，培養(yǎng)了我們正確使用機(jī)身材料、國家標(biāo)準(zhǔn)、圖冊等工具書的能力。

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作者簡介：曲輝，身份證號：21022119750321059X

性別：男，籍貫：遼寧省大連市，學(xué)歷：專科，學(xué)校：蘭州鐵道學(xué)院，研究方向：機(jī)械

（蘭州鐵道學(xué)院）