佟延平 田守仁

摘要：在生產(chǎn)制造行業(yè)內(nèi)，機(jī)床越來越普遍，而機(jī)床也向著自動(dòng)化邁進(jìn)，無論是控制還是其他系統(tǒng)，而在自動(dòng)化機(jī)床中，機(jī)械手的應(yīng)用也越來越普遍，對(duì)于機(jī)械手設(shè)計(jì)上要保證機(jī)床設(shè)備本身與機(jī)械手的柔性連接，保證工件的正常輸送和機(jī)床的自動(dòng)化加工。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；一體化；機(jī)械手設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用的一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。實(shí)踐證明，工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。因此，機(jī)械手在機(jī)械行業(yè)中得到了越來越廣泛的研究和應(yīng)用，因此，對(duì)機(jī)械手的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制的研究具有重要的意義。

一、機(jī)械手與機(jī)床的一體化設(shè)計(jì)

機(jī)床機(jī)械手相關(guān)的最新研究成果主要有：針對(duì)缸套類產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)線的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)、對(duì)自動(dòng)上下料機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及軌跡仿真、提出采用無因次設(shè)計(jì)空間的方法研究工作空間、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、自由度平面機(jī)械手位置域同步控制規(guī)律的提出、串聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的D-H四元數(shù)方法的建立等。研究所針對(duì)的機(jī)械手都是獨(dú)立地放置在機(jī)床與工件物流生產(chǎn)線之間，缺點(diǎn)是占用空間大、需要與機(jī)床進(jìn)行協(xié)調(diào)控制編程等。為了改進(jìn)上述不足，逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)床專用機(jī)械手的附件化和標(biāo)準(zhǔn)化，本文設(shè)計(jì)的機(jī)床機(jī)械手主要與數(shù)控車床組合成自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化、無人化。根據(jù)工件輸送帶和機(jī)床三角卡盤的空間位置，規(guī)劃末端抓手的運(yùn)動(dòng)路徑，設(shè)計(jì)各段路徑的運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而應(yīng)用AD-AMS軟件進(jìn)行一個(gè)完整工作周期的動(dòng)力學(xué)仿真，給出機(jī)械手大臂、小臂和抓手的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和角加速度的變化曲線以及在最大負(fù)載時(shí)3個(gè)關(guān)節(jié)處理論所需驅(qū)動(dòng)力矩的動(dòng)態(tài)變化曲線。

二、機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（一）手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

手部是機(jī)械手直接抓取和緊握工件的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式不像人手，它的手指沒有形狀，只有自身的運(yùn)動(dòng)將工件抓住，因此手部結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)它的使用場(chǎng)合和被夾緊工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)以及抓取部位的不同而設(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)中所夾持的工件形狀為圓柱形，因此采用夾鉗式手指。它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤、套類零件，并可自動(dòng)定心。一般情況下，夾鉗式手部多采用兩個(gè)手指。手指尾部采用滑槽杠桿式傳力機(jī)構(gòu)，其主要原因在于，在對(duì)手部進(jìn)行受力分析時(shí)較其他形式的傳力機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)滑槽內(nèi)的銷釘沿直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指可繞轉(zhuǎn)動(dòng)副回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)夾緊和放松。

（二）手部夾緊力計(jì)算。

手部夾緊力FN可按下式進(jìn)行計(jì)算：

FN≥k1k2k3G，

式中，k1為安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定，通常取1.2～2.0，這里取1.5；k2為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，k2=1+a/g.a為運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升加速度，g為重力加速度；k3為方位系數(shù)，手指豎直，工件水平放置時(shí)，取0.9～1.1；G為被夾持工件所受重力。經(jīng)代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算得：

FN=83.2N

（三）手指驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。

手指驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算中，先由手指受力分析圖得出手指驅(qū)動(dòng)力和手指夾緊力之間的關(guān)系。

因?yàn)椤螦OO2=∠BOO1=90°

所以∠AOC=∠CO1O=38.5°

又因?yàn)椤艶x=0 F1=F2

所以F1=F/2cosα

又因?yàn)椤芃O1（F）=0

所以F1=FNbcosα/a F=cos2αFN2b/a

式中，a為手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離（mm）；α為工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角，F(xiàn)為第一液壓缸所受的負(fù)載。將FN代入上式得：

F=132.68N

當(dāng)驅(qū)動(dòng)力F一定時(shí)，α角增大，則握力FN也隨之增加，但α角過大會(huì)導(dǎo)致拉桿的行程過大，以及手指滑槽尺寸長(zhǎng)度增大，使結(jié)構(gòu)加大，因此建議α取30°～40°，在本次設(shè)計(jì)中α=38.5°，取值合理?？紤]手爪的機(jī)械效率，取η=0.95，所以實(shí)際負(fù)載為F=132.68/0.95=140N

三、機(jī)械手臂部的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

機(jī)械手臂部是機(jī)械手的主要握持部件.它的作用是支承手部（包括工件）、滑塊及液壓缸，并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng).當(dāng)手臂旋轉(zhuǎn)時(shí)改變工件在豎直平面內(nèi)的方位；當(dāng)手臂伸縮時(shí)改變工件在豎直平面或水平面內(nèi)的方位.手臂在工作中既直接承受手部、工件及液壓缸的動(dòng)、靜載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故其受力復(fù)雜.因而，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機(jī)械手的工作性能.為提高剛度，應(yīng)盡可能縮短臂桿的懸伸長(zhǎng)度.在本次設(shè)計(jì)中為了增加臂部的剛度，在臂部設(shè)計(jì)了兩個(gè)吊耳，由驅(qū)動(dòng)手臂旋轉(zhuǎn)的液壓缸活塞桿支承.此活塞桿既可驅(qū)動(dòng)手臂旋轉(zhuǎn)，又增加了臂部的剛性，一舉兩得.為實(shí)現(xiàn)工件的伸縮運(yùn)動(dòng)，設(shè)置滑塊在手臂內(nèi)滑動(dòng)，手指安裝在滑塊上的方式，藍(lán)色的是機(jī)械手臂，綠色的是滑塊?；瑝K由紫色液壓缸驅(qū)動(dòng)再通過活塞桿驅(qū)動(dòng)使其運(yùn)動(dòng)。

四、結(jié)束語

隨著國內(nèi)不斷地發(fā)展，勞動(dòng)力成本的不斷提升，機(jī)床在自動(dòng)化行業(yè)歡迎程度也隨之提高， 但同時(shí)也要將機(jī)床的配套設(shè)施提高上去， 尤其對(duì)于生產(chǎn)大批零件， 機(jī)械手也變得尤為重要。本文設(shè)計(jì)了一種液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)床機(jī)械手，分析比較了兩種設(shè)計(jì)方案并選擇較為合理的一種。在此基礎(chǔ)上，通過詳細(xì)分析與計(jì)算，完成了該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過仿真模擬應(yīng)用這種機(jī)床自動(dòng)上料機(jī)械手的功能，可以縮短產(chǎn)品的加工時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，因此，這對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

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