張茹 閆軼

摘 要：各機(jī)械機(jī)構(gòu)作為機(jī)械手最為重要的組成部分，同時(shí)也是影響機(jī)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(jī)械手各部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)床；下料手；機(jī)械結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

1機(jī)械手的概述

機(jī)械手主要是以人手臂為原型，然后通過編程設(shè)置機(jī)械手的固定動(dòng)作，機(jī)械手在施工期間能通過各個(gè)零部件間的配合實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)等動(dòng)作，是一種能進(jìn)行自動(dòng)化操作的設(shè)備。早期的機(jī)器人多為機(jī)械手機(jī)器人，機(jī)械手的研發(fā)，能讓人從繁重的勞動(dòng)中解放出來，特別是在生產(chǎn)強(qiáng)度較高的情況下，機(jī)械手不但能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jī)械手不僅提高生產(chǎn)能力，還能發(fā)展生產(chǎn)自動(dòng)化，也可以保障工作期間人員安全，所以機(jī)械手在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都能得到切實(shí)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(jī)械手的控制方式得以強(qiáng)化。現(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(shì)化控制，微機(jī)控制使用的比較多，這就使整個(gè)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(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和通信技術(shù)三者融為一體。由于自動(dòng)控制系統(tǒng)之間要相互通用，所以結(jié)構(gòu)就偏于簡(jiǎn)單，編程過程也耗時(shí)較短，這就體現(xiàn)出PLC的優(yōu)勢(shì)，能保證性能的良好和可靠，同時(shí)由于抗干擾能力較強(qiáng)，所以維修方便和快捷，這樣的機(jī)械手操作最具效果。

2我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段高精尖的數(shù)控機(jī)床主要應(yīng)用在我國(guó)航空、軍工、汽車以及發(fā)電儀器等制造行業(yè)。我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)擁有幾十年的發(fā)展時(shí)間，并且已取得了顯著的成果，目前已經(jīng)掌握了數(shù)控系統(tǒng)、伺服動(dòng)力、主機(jī)研發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)，其中還有一些核心技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國(guó)是當(dāng)今社會(huì)數(shù)控機(jī)床消費(fèi)量最大的大國(guó)，自己研發(fā)的數(shù)控機(jī)床的比例逐漸增加，相關(guān)數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的人才團(tuán)隊(duì)也在迅速擴(kuò)大。不過，現(xiàn)階段自主研發(fā)的數(shù)控機(jī)床一些技術(shù)依舊存在諸多的問題，舉例而言：自主研發(fā)的數(shù)控機(jī)床在外觀上和進(jìn)口數(shù)控機(jī)床基本一致，作用也不分上下，可是在性能和精度上卻相差較多，進(jìn)而造成“形”像卻“神”不像的狀況。

3數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)

3.1補(bǔ)償誤差技術(shù)

加工過程中出現(xiàn)的誤差對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，所以隨著對(duì)加工產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提升，對(duì)產(chǎn)生誤差的重視程度也越來越高。數(shù)控機(jī)床加工所采用的補(bǔ)償誤差技術(shù)，能夠最大程度減小誤差和誤差對(duì)產(chǎn)品造成的影響，這需要對(duì)產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行深入研究。床身、立柱、主軸以及各種導(dǎo)軌等是組成數(shù)控機(jī)床的重要部分，這幾部分都可能在生產(chǎn)中產(chǎn)生誤差，補(bǔ)差誤差技術(shù)主要體現(xiàn)在誤差建模、誤差測(cè)量和誤差補(bǔ)償三個(gè)方面。其中最基礎(chǔ)的技術(shù)是誤差建模，這包括誤差元素建模和綜合建模兩項(xiàng)內(nèi)容，其次是誤差測(cè)量技術(shù)，這包含直接測(cè)量和間接測(cè)量，這兩項(xiàng)工作都是為最后的誤差補(bǔ)償技術(shù)創(chuàng)造條件。根據(jù)時(shí)間可以將誤差補(bǔ)償技術(shù)分為離線補(bǔ)償和實(shí)時(shí)補(bǔ)償，前者是以測(cè)量的誤差為依據(jù)，在后期進(jìn)行機(jī)床的誤差補(bǔ)償，這只適用于機(jī)床產(chǎn)生的穩(wěn)定誤差。如果是因溫度等原因產(chǎn)生的誤差必須進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，研究補(bǔ)差誤差技術(shù)是讓補(bǔ)償誤差工作更加有效、簡(jiǎn)便和準(zhǔn)確。

3.2直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)

無需任何中間轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)電能向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的直接轉(zhuǎn)換，就是直線電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨損少、效率高、噪音小以及組合性強(qiáng)是其主要的優(yōu)勢(shì)。交流直線電機(jī)是當(dāng)前在高精度數(shù)字機(jī)床上普遍應(yīng)用的設(shè)備，這種設(shè)備有直線感應(yīng)電機(jī)和永磁直線同步電機(jī)兩種，直線感應(yīng)電機(jī)成本較低，并且受到外界干擾影響的程度較低，同時(shí)也可以抗電磁干擾；永磁直線同步電機(jī)同時(shí)具備直線電機(jī)和永磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，響應(yīng)速度更快、體積更小、推力能量更大，所以是當(dāng)前高精度直線進(jìn)給系統(tǒng)的首選。

3.3五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前高檔數(shù)控機(jī)床的主要類型，也是航天航空等諸多重工業(yè)加工精密儀器時(shí)應(yīng)用的主要工具。“3+2”是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)模式，可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸與另外兩軸的同時(shí)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)。歐美和日本是進(jìn)口五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的代表國(guó)家，其數(shù)控技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，由于國(guó)外技術(shù)封鎖和國(guó)內(nèi)缺乏工業(yè)基礎(chǔ)的原因，我國(guó)現(xiàn)在整體的數(shù)控技術(shù)水平較為落后，不過對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的研究腳步從未停止。

4機(jī)械手各部件的設(shè)計(jì)

4.1下料機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下料機(jī)械手手爪主要是用來完成工件裝卸任務(wù)的，根據(jù)機(jī)床以及具體工作方式的不同，可以將機(jī)械手劃分為搬運(yùn)類、加工類以及測(cè)量類三種。機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一原則是滿足工作要求，還要具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接部件少、通用性好等一般特點(diǎn)。除此之外機(jī)械手設(shè)計(jì)也需要考慮安裝與維修便利性，以及與現(xiàn)代智能計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的兼容性。機(jī)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(shí)現(xiàn)各結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，使手爪作出加緊或者放松的動(dòng)作，杠桿式結(jié)構(gòu)能夠最大限度的放大作用力，應(yīng)對(duì)較大的工作負(fù)載。

4.2下料機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下料機(jī)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(gè)機(jī)械手構(gòu)件完成指定動(dòng)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(jì)原則。手腕活動(dòng)的自由度主要是根據(jù)機(jī)床機(jī)械手具體的工作內(nèi)容所決定的，一般情況下機(jī)械手手腕的部件靈活性與運(yùn)動(dòng)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(qiáng)，對(duì)各種構(gòu)件的搬運(yùn)操作的運(yùn)動(dòng)路線的選擇性更多，但是自由度增加同時(shí)會(huì)使腕部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)與制造成本也會(huì)大大增加。同時(shí)為保證機(jī)械臂工作時(shí)能夠很好地實(shí)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(qiáng)度與剛度。為保持運(yùn)動(dòng)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(dòng)的復(fù)雜程度，并充分利用構(gòu)件的剛度性質(zhì)為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)置硬限位，避免機(jī)械手超限運(yùn)動(dòng)對(duì)操作人員造成傷害或者機(jī)械手自身損壞。通過對(duì)大量實(shí)際機(jī)床機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的考察與分析，為保證數(shù)控機(jī)床下料手操作精度與安全性，并本著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計(jì)原則，在保證作業(yè)要求的前提下，大多設(shè)計(jì)為3個(gè)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(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手的傳動(dòng)構(gòu)件設(shè)計(jì)特點(diǎn)是影響機(jī)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(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在保證機(jī)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(yùn)動(dòng)以提高結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制精度，而且還要對(duì)各連接結(jié)構(gòu)間的鏈傳動(dòng)的配合方式作進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度，增加系統(tǒng)的使用壽命。大部分下料機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)等幾種形式。為充分考慮系統(tǒng)傳動(dòng)與運(yùn)動(dòng)精度要求，盡量降低各傳動(dòng)構(gòu)件間的配合傳動(dòng)誤差，同時(shí)保證傳動(dòng)過程中具有較大的扭矩，普遍采用齒輪傳動(dòng)作為傳動(dòng)基本構(gòu)件，同時(shí)該齒輪要保證具有足夠高的強(qiáng)度、硬度以及制造精度。

結(jié)語

目前我國(guó)多數(shù)工廠生產(chǎn)線上各種數(shù)控機(jī)床中工件裝填主要依靠人力來完成，使得普通職工勞動(dòng)強(qiáng)度很大，不僅嚴(yán)重影響工廠的生產(chǎn)效率，還對(duì)工人生命健康構(gòu)成一定威脅。數(shù)控機(jī)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(jī)械行業(yè)全自動(dòng)、高效率生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。為提高生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)過程的安全性與自動(dòng)化，需要根據(jù)數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)與機(jī)械連接技術(shù)設(shè)計(jì)出一臺(tái)機(jī)床上的下料機(jī)械手，取代人力勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)的無人化與自動(dòng)化。

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