淺議數控機床上下料機械手設計的流程

【摘 要】由于工業自動化的全面發展和科學技術的不斷提高，單純的手工勞作已滿足不了工業自動化的要求，對工作效率的提高迫在眉睫。因此，必須利用先進設備生產自動化機械以取代人的勞動，滿足工業自動化的需求。

【關鍵詞】機械行業數控機床 設計流程

在機械行業中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更為普遍，目前，機械手已發展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統或柔性制造單元，可以節省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的，因此，進行機械手的研究設計具有重要意義。

一、發展現狀和趨勢

目前，國內外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現狀和大體趨勢如下：①機械結構向模塊化、可重構化發展；②工業機械手控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，結構小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統的可靠性、易操作性，而且維修方便；③機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發展；④關節式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機械手產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機械手開發，柔性仿形復合機構開發，仿形伺服軸軌跡規劃研究，控制系統開發；⑤焊接、搬運、裝配、切割等作業的工業機械手產品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統動態仿真。

總的來說，大體是兩個方向：其一是機械手的智能化，多傳感器、多控制器、先進的控制算法、復雜的機電控制系統；其二是與生產加工相聯系，性價比高，在滿足工作要求的基礎上，追求系統的經濟、簡潔、可靠，大量采用工業控制器，市場化、模塊化的元件。

二、機械手手爪結構設計

手爪是用來進行操作及作業的裝置，其種類很多，根據操作及作業方式的不同，分為搬運用、加工用、測量用等。搬運用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機械手附加裝置，用來進行相應的加工作業；測量用手爪是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業。機械手手爪設計有如下要求：①機械手手爪是根據機械手作業要求來設計的。既根據其應用場合設計手爪，在滿足作業要求的前提下，機械手手爪還要求體積小、重量輕、結構緊湊；②機械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結構上很復雜，甚至很難實現，從工業實際應用出發，應著重開發各種專用的、高效率的機械手手爪，加之以快速更換裝置，以實現機械手的多種作業功能，而不主張用一個萬能的手爪去完成多種作業，以考慮設計的經濟效益；③機械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不同的機械手，這就要求末端執行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執行器實現標準化。

三、具體設計方案的實施

由于機械手手臂運動為直線運動，且考慮到搬運工件的重量較大（質量達30KG），以及機械手的動態性能及運動的穩定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅動方式，通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執行運動件，因此不用再額外設計執行件，而且液壓缸實現直線運動，控制簡單，易于實現計算機的控制。

同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的直徑來增大剛度，是不能滿足系統剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩定性，比較好的解決了結構、穩定性的問題。

四、工藝過程與控制要求

機械手的動作有腰座的旋轉、垂直手臂的升降、水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與松開。手臂垂直升降和水平伸縮由液壓實現驅動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現；腰座旋轉通過步進電動機與齒輪來實現。

其中，液壓缸由相應的電磁閥控制，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，當下降電磁閥通電時，機械手下降；斷電時，機械手下降停止；當上升電磁閥通電時，機械手上升；斷電時，機械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅動器、感應式位移傳感器構成的回路進行調節控制。

實現執行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當線圈不通電時，柱塞缸不工作，當線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。

當機械手旋轉到機床上方，并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在機床停止工作并發出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業，同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。

本設計通過對機械設計制造理論知識及實踐進行整合，完成一個特定功能、滿足特殊要求的數控機床上下料機械手的設計，比較好地體現機械設計制造及其自動化專業畢業生的理論研究水平、實踐動手能力以及專業精神和態度，具有較強的針對性和明確的實施目標，實現了理論和實踐的有機結合。機械手采用可編程序控制器控制，可以實行手動調整、手動及自動控制；系統結構緊湊、工作可靠，設計周期短且造價較低；PLC有較高的靈活性，當機械手工藝流程改變時，只要對I/O點的接線稍作修改，或對I/O重新分配，在控制程序中作簡單修改，補充擴展即可。經過重新編制相應的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。

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