楊立斌

摘要：人工裝卸生產(chǎn)線(xiàn)上數(shù)控機(jī)床工件不僅生產(chǎn)效率低下，還存在著一些危險(xiǎn)性，已經(jīng)完全不能滿(mǎn)足社會(huì)生產(chǎn)的需求。因此，運(yùn)用于數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)線(xiàn)上的新型的上下料機(jī)械手被設(shè)計(jì)出來(lái)，使數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程的自動(dòng)化和無(wú)人化目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，并使其生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全系數(shù)都得到一個(gè)大幅度的提高，此外，還有效的降低了生產(chǎn)成本。本文就將對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行一個(gè)較為全面細(xì)致的介紹。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；上下料機(jī)械手；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著科技的發(fā)展，社會(huì)對(duì)于生產(chǎn)活動(dòng)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)過(guò)程的安全性都提出了更高的要求。機(jī)械手在數(shù)控機(jī)床上的有效應(yīng)用，不僅大大的提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)活動(dòng)的安全性，同時(shí)還形成了一條完全自動(dòng)化和無(wú)人化的生產(chǎn)線(xiàn)。對(duì)于機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用一直以來(lái)也是人們關(guān)注的重點(diǎn)。

一、數(shù)控機(jī)床機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀

在我國(guó)，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)于新技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，對(duì)于數(shù)控機(jī)床機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究力度也在不斷的加大。現(xiàn)階段我國(guó)的數(shù)控機(jī)床機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀大致可以總結(jié)為以下四點(diǎn)：

第一，現(xiàn)階段我國(guó)的機(jī)械架構(gòu)正在向模塊化和可重構(gòu)化發(fā)展；第二，作為機(jī)械手體系發(fā)展的一個(gè)主要方向，PC機(jī)的開(kāi)放型控制器的研發(fā)也在不斷研究和革新中，其發(fā)展也將使數(shù)控機(jī)床的機(jī)械手得到進(jìn)一步完善，不斷的向網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，并強(qiáng)化器件集成度，使架構(gòu)設(shè)計(jì)更為精巧，模塊化架構(gòu)也得以很好的應(yīng)用，這些進(jìn)展也將使數(shù)控機(jī)床的機(jī)械手體系的安全性和可靠性得到大幅度的提升，也會(huì)使機(jī)械手的維修和防護(hù)變得更為的便捷易操作；第三，是對(duì)機(jī)械手的傳感器進(jìn)行了完善和更新，傳感器對(duì)于機(jī)械手整個(gè)體系而言十分的重要，當(dāng)下，除了運(yùn)用傳統(tǒng)的速度傳感器、位置傳感器，先進(jìn)的視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器也被引進(jìn)機(jī)械手整個(gè)體系當(dāng)中，使機(jī)械手的智能化程度越來(lái)越高；第四，是機(jī)械手裝配、焊接方面的發(fā)展，模塊化、系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化是其發(fā)展和推進(jìn)的方向。

二、機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有4種：直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。

圓柱坐標(biāo)機(jī)械手需要依靠1個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及2個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)它的空間運(yùn)動(dòng)，圓柱狀的工作空間是其主要的特點(diǎn)。相對(duì)而言，這種機(jī)械手構(gòu)造簡(jiǎn)單、精確度較高，經(jīng)常被用來(lái)做搬運(yùn)之用。圖1為機(jī)械手模擬工作布局圖，該機(jī)械手可以根據(jù)實(shí)際操作的需要進(jìn)行3種不同的運(yùn)動(dòng)，其中手臂的伸縮和立柱升降為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此其自由度數(shù)目為3。綜合考慮，為滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)要求，我們選擇圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，原因在于圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精確度較高，且工作范圍相對(duì)較大。

三、機(jī)械手各部件的設(shè)計(jì)

（一）機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手爪是用來(lái)進(jìn)行操作及作業(yè)的裝置，其種類(lèi)很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的不同，分為搬運(yùn)用、加工用、測(cè)量用手爪等。機(jī)械手手爪是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)要求來(lái)設(shè)計(jì)的，在滿(mǎn)足作業(yè)要求的前提下，機(jī)械手手爪還要具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式手爪。連桿杠桿式手爪在活塞的推力作用下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)。由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力，其通常與彈簧聯(lián)合使用。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 機(jī)械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖

（二）機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手手腕是機(jī)械手操作機(jī)的最末端，與手爪相連接，它與機(jī)械手手臂配合，使手爪作空間運(yùn)動(dòng)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。因此要求手腕設(shè)計(jì)應(yīng)盡量小巧輕盈，結(jié)構(gòu)緊湊。一根據(jù)作業(yè)需要，設(shè)計(jì)機(jī)械手手腕的自由度。一般情況下，自由度數(shù)目愈多，腕部的靈活性愈高，對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但自由度的增加，必然會(huì)使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，控制更困難，成本也會(huì)相應(yīng)增加。因此，手腕的自由度數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來(lái)確定。為保證工作時(shí)力的傳遞和運(yùn)動(dòng)的連貫，腕部結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度。要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開(kāi)關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對(duì)機(jī)械手上下料作業(yè)的具體要求，在滿(mǎn)足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全性和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低控制難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿(mǎn)足作業(yè)要求的，3個(gè)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂、手爪連接梁）結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：手腕（手臂、手爪連接梁）結(jié)構(gòu)

（三）機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手手臂在工作時(shí)要承受一定的載荷，且其運(yùn)動(dòng)本身具有一定的速度，其工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長(zhǎng)度、手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系，因此手臂尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足其工作空間要求。同時(shí)，為了提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量；為提高機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度、減小電機(jī)負(fù)載，機(jī)械手手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡；還要盡可能使機(jī)械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行，相互垂直的軸則要盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)械手的控制。由于機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，且考慮到搬運(yùn)工件重量、機(jī)械手動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式。液壓驅(qū)動(dòng)方式是利用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，傳動(dòng)剛度大！可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。其通過(guò)液壓缸直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，因此不用再額外設(shè)計(jì)執(zhí)行件。液壓缸可實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。因控制和具體工作的要求，機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過(guò)增大液壓缸的直徑來(lái)提高剛度，是不能滿(mǎn)足系統(tǒng)剛度要求的。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了2個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量提高其剛度；大臂增設(shè)了4個(gè)導(dǎo)桿，呈正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。增設(shè)導(dǎo)桿能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，較好地解決了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問(wèn)題。

（四）機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

關(guān)節(jié)機(jī)械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷，縮短啟動(dòng)時(shí)間。彈簧平衡機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作可靠、平衡效果好、易維修，應(yīng)用廣泛。本機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問(wèn)題，通過(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿(mǎn)意，則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。

結(jié)束語(yǔ)

保作為機(jī)械手的重要組成部分，機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)械手的工作性能、用途和經(jīng)濟(jì)性都有不同程度的影響。因此必須重視機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，并進(jìn)行深入的研究，確保能夠更為科學(xué)合理的對(duì)機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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