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數控車床自動上下（xià）料機械（xiè）手結構設計

2022-7-4 來源：博格華納燃油係統（煙台）有限公（gōng）司（sī）作者：潘寧 PAN Ning

摘要：本（běn）課題針對於數控車床而設計了結構圓柱（zhù）坐標型（xíng）的自動上（shàng）下料機械手，通過對機械手的傳（chuán）動機構，驅動係統、液壓係（xì）統（tǒng）以及控製係統進行了（le）理論分析和計算。同時對機械手整體結構進行了（le）詳細的設計，主要包括機（jī）械手的機身機座，機械手手臂，機械手手爪等部分。並分析了數（shù）控車床自動上下料（liào）機械手的操作流程，主（zhǔ）要采用液壓（yā）缸、步進電機等元（yuán）件實現機械手的運動部分。

關（guān）鍵詞：數控車床（chuáng）；機械（xiè）手；傳動機構；液壓係統；驅動係統

1、數控車床自動上（shàng）下料機械手的設計方案

1.1 機械手結構的設計

工業機器（qì）人的結（jié）構形式主要包括直角坐標型機器人、圓柱坐標型機器人、球坐標（biāo）型機器（qì）人、關節（jiē）型坐標（biāo）機器人四種。其對應的特點如表 1。

表 1 工（gōng）業機器人結構類型

1.2 數控（kòng）車（chē）床自動上（shàng）下（xià）料機械手手部設計

1.2.1 機械手手部的設計要求本課題機械手手（shǒu）爪開閉範圍需夠大。在機械手工作時，其中一個手（shǒu）爪張開夾緊角度的最大變（biàn）化量為開（kāi）閉範圍。手爪開閉（bì）範（fàn）圍的要求與工件的形狀以及尺寸等因素都有（yǒu）關聯（lián）。通常情況下，機械手手爪的開閉範圍越大越好。

1.2.2 手爪結構的采用方案結合具體（tǐ）的工作要求，綜上所述，本課題采用的是齒輪齒條式。通過活塞往返帶動齒條（tiáo）完成手爪張開或夾緊的動作。

1.3 數控車床自動上下料機械手（shǒu）腕部設（shè）計

機械手手腕主要功能是可以使被夾持工件的方（fāng）位產（chǎn）生變化，此時機械手手腕（wàn）需做回轉（zhuǎn）運動，即隻（zhī）存在一個回轉自由度。結（jié）合本課題，本設計手腕不加自由度以便於機械手結（jié）構簡單，操作簡單。

1.4 數控車床自動上下料機械手（shǒu）手臂設計

考慮到操縱器在（zài）工作中的（de）穩定性和安全（quán）性，將兩個平行的導（dǎo）向杆添加到該對象的水平框架中，使其與運動活塞杆截麵形成等腰三角形結（jié）構，以保證其結構更加穩定牢靠。垂直（zhí）手臂添加四個（gè）導杆其截麵為正四邊形（xíng），每個導杆

都選用空心結構以保證機械手整體重量。添加此導杆結構主（zhǔ）要（yào）原因是可以（yǐ）保證機械手整體穩定。

2、數控車床自動上下（xià）料機械手驅（qū）動係統設計

2.1 驅動係統采用方案

具體到本設（shè）計（jì），綜合考慮以上因素，本課題機械手機座為回轉運動，采用步（bù）進電機驅動最優，機（jī）械手水平手臂和垂直手臂選用液壓驅動最優。

2.2 數控車床自動上下料機（jī）械（xiè）手傳動設計（jì）

本課題中（zhōng）機械手手臂（bì）運動（dòng）均采用液壓驅動。故該部分不采用傳動結構，即簡化了機械手（shǒu）結構，也有利於提高機械手整（zhěng）體的精度。本課（kè）題機械（xiè）手機座部分選擇（zé）了電機驅動，則（zé）需要通過傳動機構進行減速。經分析比較（jiào），本（běn）課題選

擇圓柱齒輪傳動。

2.3 數控車（chē）床自動上下料機械手定位與穩定（dìng）性設計

2.3.1 影（yǐng）響定位精度及平衡的因素定位方式、速度（dù）、剛度、運動件（jiàn）重量以及驅動源等因素對機械手整體的平衡以及穩定都會（huì）產生一定影響。如定位方式選擇機（jī）械擋塊定位，其擋塊的強度以及（jí）與擋塊碰撞時速度的大小等（děng）都有關聯。速（sù）度對定位精度也有較（jiào）大影響如，速度過快或過慢都會影響最終精度，所以控製其速度可（kě）以適當減小最後的精度（dù）誤差。

剛度對（duì）機械手整體結構的影響在於如接觸剛度較低，易振動，此時定位精度一般較低。

運動（dòng）件重量對定位精度的影響在（zài）於如運動件重量變大時，定位精度（dù）會相應減小，機械手整體以及被夾持工件均屬於運動件。合理控製運（yùn）動件本重量以及機械手工（gōng）作時被夾持工件重量是必（bì）要的（de）。

驅動源包括液壓、氣壓、電壓、油溫等（děng）。驅動源產生變化時，重複定位精度會隨之產生變化。所以（yǐ）穩壓及控製油溫是重要的（de）。結合上述因素，本設計最終采用的定位方式為機（jī）械擋（dǎng）塊定位。

2.3.2 平衡機構（gòu）分類彈簧平衡（héng）機構，活塞推杆平衡機構，配重平衡（héng）機構三類為目前工業機器人常用的三種平（píng）衡機（jī）構的形式（shì）。

彈簧平衡機構有結（jié）構簡單、成本低、穩定性好等特點，應用較為廣泛。

活塞推杆平衡機構分為液壓（yā）和氣動兩種，兩種均具有較好的阻（zǔ）尼作用，但液壓（yā）平衡係統體積較小，氣動平衡係統（tǒng）體積較大（dà）。活塞式平衡係統複雜，價格較高，裝卸及維修難（nán）度也（yě）較高，但（dàn）是平衡效果較好。一般用於配重平衡（héng）、彈（dàn）簧平衡滿足不了工作要求的場合。

配重平衡機構平衡效果一般，但其（qí）機構簡（jiǎn）單，較為（wéi）穩定。

2.3.3 平衡機構采用方案本課題（tí）選擇通過合理設計結構以保證手臂本身（shēn）達到平衡。因（yīn）在設計機械手手臂結構以及整個機械手設計和布局的過程中已著重考慮（lǜ）了機械手手臂的平衡問題，為使（shǐ）機械手整體結構（gòu）簡單（dān），故不采用

平衡機構。

3、理性分析計算以及主要參數確定

3.1 液（yè）壓源（yuán）係統的設（shè）計本（běn）課題（tí）的液壓係統選擇定量（liàng）泵供油，為了保證液壓油無雜質摻進，選擇在油泵入口添加粗過濾器，在其的出口安裝精過濾器淨化。本課題的液（yè）壓傳動係統，其中包括垂直手臂的升降（jiàng），水平手臂（bì）的伸縮，以及機械手（shǒu）手爪的張開閉合（hé）三個執行（háng）機構。

3.2 液（yè）壓傳動係統參數（shù）確（què）定液壓傳（chuán）動係（xì）統的參數包括（kuò）壓力和流量。壓力取決於外（wài）載荷（hé），流量決定於液壓執行元件的運（yùn）動速度和（hé）結構尺寸。機械（xiè）手手爪、水平手臂、垂直手臂液壓缸參數見表 2、表 3 以及表 4。

3.3 電機選型根據計算結果，綜合考慮各種因素，通過查閱《機械手冊》，最終本課題選用型號為110BYG550B-SAKRMA-0301 的步進電機，此電機轉矩較高，振動較低，綜合性能較好。該電機技術參數見表 5。

表 5 電機技術參數

4、數控車床自動上下料機械（xiè）手控製係統設計

4.1 機（jī）械手的工作流程

本文機械手工作方式包含四種，經（jīng）歸納整理依次是：複位、自動、手動、半自動（dòng），前文已有詳細介紹，四者均有其獨特特征。

複位操作重點麵向任務執行前或故（gù）障解決後，不但把現下所有工作準確移到原點，而且屬於各部件運動基準。自動即（jí）機械手先獲得生產線指令，再由（yóu）總控（kòng）製台操作（zuò）下執行具體任務。控製係統保持聯線情況下，工作開關必須到達“自動”處，這種情況下，所得指令（lìng）信號（hào）由自動生產（chǎn）線提供。

機械操作階段不可避免因某方麵情況（kuàng）造成故障發生，或（huò）調試階（jiē）段均依賴手動方（fāng）式來實現，屬（shǔ）於不（bú）可或缺重要方式。“手動（dòng）”位係統保持離線模式，僅僅接收控製麵板下達指令，無法獲得其餘信號。機械實際運轉（zhuǎn）前，所有部位均處於原位待命，一旦選擇手動相關按鍵，就（jiù）會執（zhí）行對應操作，若想停止操作，隻需重（chóng）新選擇一次。此時隻能接收急停（tíng）信號，換言之，其餘信號全部（bù）無效。

4.2 數控車（chē）床自動（dòng）上下料機械手操作麵板本課題理想操作麵板如圖 1 所示。工作（zuò）方式分為（wéi）手動與自動。

圖 1 機械手操作麵板圖

自動：機械手獲得生（shēng）產線指令（lìng）後，利用總控製台開始作業。基於控製麵（miàn）板（bǎn）設置成開關在“自動”位情（qíng）況下，係統保持聯動模式，僅接收（shōu）自動生產線指令信號。手動：具體用在總控製台發生故障、進行調試或其（qí）餘一些必（bì）須手動執行情況下。設置成“手動”位，係統（tǒng）保持離線模式，無法接收自動生產線信號（hào），僅僅接收控（kòng）製麵（miàn）板指令。開啟這（zhè）種方式，而（ér）且所有部位保持原位，所有（yǒu）電機保（bǎo）持停機後，由控（kòng）製麵板（bǎn）選擇升/降、前/後（hòu）移、夾/放按鍵，可開始對應動作，然後繼續選擇對應按鍵，就能結束動作。再者，隻有急停信號有效，其餘信號將全部無效（xiào）。

5、結論

本文（wén）針對（duì）機械手設（shè）計過程中的關鍵問題展（zhǎn）開研究，給出（chū）一些優化方（fāng）案，包括：係統抗（kàng）幹（gàn）擾能力的提升，讀、寫、事件響應時間的精準控製問題等。伴隨科技的進一步發展，機械手技術的發展勢必朝更專業化、複雜化、可重構化的角度發展，表現出（chū）更強的靈（líng）活（huó）性和更多元（yuán）的控製（zhì）方式。因此，PLC 控製還將有眾多問題亟等解決，整體（tǐ）來（lái）講，數控上下料手臂在（zài）機械手開（kāi）發中（zhōng）還有（yǒu）著極大的提升空間。

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