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數控機床機械手機械結構設計

2021-7-5 來源：天津龍創恒盛實業有限公司作（zuò）者：李天寶（bǎo）　習雲飛

摘要：機械手設計在數控機床中起著較為重要的作用（yòng），其好（hǎo）壞（huài）直接（jiē）決定數控機床（chuáng）的工作效率以及工作質量，因（yīn）此必須設計好機械手，使其在數控機床的（de）運轉中能夠發揮作用，使機床（chuáng）的運行更加流暢，提高機床運行的（de）整體協調性。基於此，對數控（kòng）機床（chuáng）機械手的各結構進行分析，著重闡述機械手的手爪、手臂、手腕以及其傳動結構的設計，介紹機械手各個部件設計的具（jù）體流程，使相關工作人員能夠更好地掌握機械手的結構設計。

關鍵（jiàn）詞：數控；機床；機械手；機械結構

1、機（jī）械手的設計及其發展意義

現如今，我國大（dà）部分的工廠在數控機床工作中，仍是由人工進行機床上工件的裝卸，不僅工作強度（dù）過（guò）大，而且工作效率較低（dī），還無法保障工人們的安全。因此，為了提（tí）高數控機床的運行效率，替代人工操作，降低（dī）生產的成本，就需要利用機械手來實（shí）現。隨著科學技術的不斷發展，自動化技術正在不斷代替人工，例如機械手在工作時能夠有效地將係統和自動化融合在一起，大大縮減數控（kòng）機床的運行時間，從（cóng）而有效（xiào）提高其工作效率。

2、機械（xiè）手各部件的（de）設計分析

2.1機械（xiè）手爪的結構設計

機械手爪的主要作（zuò）用為裝卸數控機床工件，機械手爪的類型較多，根據機械手爪的工作方式（shì）不同，可分為（wéi）搬運（yùn）式、加工式、測算式手爪，實際應用中應根據數控機床操作過（guò）程（chéng）中（zhōng）的要求，選擇合適的機械手來完成相關的操作。此外，根據具體的工作環（huán）境，在滿足數控機床要求（qiú）的前提下，設計機械爪式要盡量小巧、輕盈，還要有緊湊的結構（gòu）以及較強的（de）通用性。設計機械（xiè）手爪時，一是要考慮在數控機床的工作過程中機械手爪出現問題（tí）時，相關工作人員能夠輕鬆地進行維修；二是要（yào）符合相關的流程（chéng）；三是要考慮到設計過程中的成本。故根（gēn）據以上的要求，在設（shè）計機械手爪式可設計杠杆（gǎn）式手爪，利用活塞的推力作用，使各（gè）結構完成聯（lián）動，從而使手爪做出放鬆和夾緊的動作。其在工（gōng）作過程中會出現比較（jiào）大的夾緊力，可能會產生一定的危險，所以機械（xiè）手爪（zhǎo）一般與彈簧結合起來使用。

2.2 機械手腕的（de）結構設計

機械手（shǒu）腕位於機（jī）械手操作（zuò）機的最末端，其主要作用為連接機械手臂與機械手爪（zhǎo）。機械手腕應體積小、重量輕，設計時根據機（jī）械手實際的工作內容來確定（dìng）機械手腕（wàn）活動的自由度。一般來講，機械手腕的自由度數越多則機械手腕越靈活，但在提高（gāo）機械手腕的自由度數目的同時，工（gōng）作成本也會隨之大大提高，機械手腕的工作結構也會變得更為複雜，工作人員對（duì）機械手腕的控製也會更加困難，所以在設計（jì）機械手腕的自由度時，要根據相應的工（gōng）作情況來加以（yǐ）確定。在工作中，機械手腕應有一（yī）定的剛度以及強度，這樣（yàng）才能使（shǐ）工作順利進行。此外，機械手腕在工作時，如果超出其工作上限，機械手腕很（hěn）容易損壞，所以在實際工作時應在機械手腕各個關節轉動的地方設置限位開關。為了在工作中保證數控機床的精確度，在設計機（jī）械手腕時要（yào）降低（dī）機械手腕關節連接的複雜程度，既要符合工作需求，同時還要保障工人的安全以及任務的可靠性，在具體的工作中，機械手腕保持在 3 個自由度完全能夠保證工作的進行。

2.3機（jī）械手手（shǒu）臂的結構設計

在實際的工作中，機（jī）械手臂會保持一定的運行速度進行工作，並且機械手手臂工作空間的形狀大小（xiǎo）與（yǔ）其手臂長度及關節（jiē）都有著密切的聯（lián）係，所以（yǐ）在設計機械手臂時，應考慮其在工作空間上存（cún）在的（de）問題。在確保機械手手（shǒu）臂具有一定（dìng）的強度與剛度的同時，減輕機械手手臂的重量，這樣才能使機（jī）械手（shǒu）手臂在工作時具有較快的（de）運動（dòng）速度，並且操作也會更加方便。此外，為了更好地（dì）控製機械手，在設計

機械手手臂時，應令其各個關節都保持平行，同時在設計時要盡可能地在機械手手臂的材料上減輕機械手手臂的重量，這樣才有利於機械手手臂對機械手的控製。此外，在不同的工作環境中，機械手（shǒu）手臂還對（duì）自身的控製具有一定（dìng）的要求，因為機（jī）械手手臂大多為直（zhí）線式，並且又具有很大的剛度，所以工作人員在進行相關工作時，一定要注意安全，可以利用液壓進行驅動的方式降低機（jī）械（xiè）手手臂的控製難度，同時在管（guǎn）理控製時，盡量不要人工操作，而是使用計算機來進行管理控製。在實際的工作中，機械手（shǒu）手臂的結構不能過大，所以不能通過增大液壓缸（gāng）直徑的方式來提高機械手臂的剛度，為了達到工作的需求可（kě）以在（zài）其大臂處增加幾個導（dǎo）杆，製作導杆時，需采用空（kōng）心結（jié）構，這樣可以較好地減小機械手手臂的重量，並且還可以提高（gāo）機械手在運動時的運動剛度與穩定性，從而解決機（jī）械手在結構上存在的問題。

2.4機械傳（chuán）動結構的設計

機械手在運行過程中，其精度（dù）、穩定性以（yǐ）及（jí）響應能力都受機械傳動部件的影響。在具體工作中，機械手需要有一定的運動（dòng）速度和（hé）控製精（jīng）度，所以在設計機械手傳動結構時，應保持其小巧輕便，同時具有較為緊湊的結構（gòu），從而保持機械手在工作時具（jù）有一定（dìng）的響應（yīng）速度。此外，為了降低反向空回過程中產生的誤差，應盡可（kě）能地在其工作時使用間歇調整的機構。在日常（cháng）生（shēng）活中，螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動以及同步傳動都較為的（de）常見。在設計機械手手臂時，選取液壓缸作為設計材料，可以簡化（huà）機械手的結構，提高機械手的精度，不再需要使用中間的（de）傳動機構。在設計機械手腰座（zuò）的回轉時，因為采用了不僅電動機進（jìn）行驅動，但直接的驅動元件不能使用電動機，所以在經過實際操作的（de）

一係列對比之後，發現圓柱（zhù）齒輪傳動（dòng）較為符（fú）合條件。在機械手工作（zuò）的過程中（zhōng）要有較為高的控製精確度，所以應使電（diàn）機的轉動速度（dù）盡可能降（jiàng）低，使機械手在工作過程中能夠保持較為平穩的（de）運轉（zhuǎn）。在（zài）選擇（zé）齒輪（lún）進行傳動時，要選用一級齒輪，以及傳動較大強度較高，並且硬度較大的（de）材料製（zhì）造機械手的機（jī）械傳動。

2.5機械手手臂（bì）的平衡結構設計

機械手在實際工作（zuò）中（zhōng），機械手手臂的平衡結構發揮著掌控運行（háng）速度以（yǐ）及使驅動器負載的作（zuò）用。平衡裝置（zhì）不僅可以使驅動器的負（fù）載降低，並且還能大大減少啟動（dòng）時間。在實際工作中，彈簧平衡機構結構較為簡單，且造價成本較低，維修起來也十分方便，所以在機（jī）械手手臂的平衡設計時常應用彈簧式的平衡（héng）機構。此外，提高機械手的平（píng）衡機構在設計機械手的過程中起（qǐ）著較為重要的作用。另外，在設計（jì）機械手時，圓柱坐標式的結構應用較為廣泛。在設計整個機械手的過程中，應重點考慮機械手手臂平衡結構的設（shè）計，布局要合理，這樣才能在機械手實際運作時得到（dào）較好的平衡性，使係統在運轉時獲得整體上的平衡。例如，彈（dàn）簧式的（de）平衡機構可以滿足機械手（shǒu）的平衡（héng）要求，從而有效解決機（jī）械手在平衡方麵的問題（tí）。

3、機械手的主要優勢及其運用

機械手在數控機床工作時具有明顯的（de）優勢，其具有較強的負荷能力以及較（jiào）高的工作效率，即使出現故障，也隻是極（jí）少數情況下，極大地（dì）降低係統在運轉過程中的出錯率。隨著社會（huì）的進步與科技的發展，機械（xiè）手在未來也將會得到更大程度的（de）開發（fā）與使用，給施工人員提（tí）供更大的工（gōng）作效益，大幅度減（jiǎn）少他們的施工時間的同時提高其工作質量。機械手的（de）工作效率較高，所以數據機（jī）床在運行時不僅（jǐn）可以有效縮短工作時間（jiān），並且能夠保障其安全性。另外，機械手（shǒu）還可以有效提高數控機床的剛性能力，提升轉機缸（gāng）體的柔性，使數控機床在工作時的運行效率，以及其機械化的水準都得到切實有效的提高。

同時，工作人員在進行有（yǒu）關數控機（jī）床方麵的工作時，需要邊工作邊學習，不斷學習相關的知識，提高自（zì）身的工作能力，使機械手可以充分有效地發揮其自身的作用，將工作效益提高到最大化，使數控機床可以在較低的工作成本上高效地運轉，來獲取較高的經濟效益。總的來說，機械手在數控機床（chuáng）中具有較為重要的作用，外界（jiè）存在的種種因素會（huì）對機械手（shǒu）在實際的工（gōng）作過程中產生一（yī）定的影響，所以在其結構（gòu）性的設計優化的前提（tí）下，優化機械手結構的穩定性，可以使其價值得到有效提高。

4、結語

在數控機床的運行過（guò）程中，機械手可以有效提（tí）高數控機（jī）床在操作時的安全性（xìng），在保證數據機床能夠穩定運轉的同時，還要使機械手與數控機床有效地結合在一起，這（zhè）樣不僅可（kě）以使其在（zài）柔性（xìng）方麵的（de）優勢得到提（tí）高，並且還極大地減少其工作時間，使工作效率得（dé）到有效（xiào）的提高（gāo）。因此，合理地對機（jī）械手的機械（xiè）機構進行設計，不僅（jǐn）可以提高機械手的（de）工作性能及其工作效率，還能獲得（dé）較大（dà）的經濟效益，使機械手在具體的工作中發揮其應有的作用及（jí）價值。

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