淺議數控機床上下料機械手設計的流程

摘要：機械手在機械行業中的運用已經成為一種必然的趨勢，同時這種運用將得到前所未有的發揮，機械手能夠成功的運用于機械零件的組裝和加工工件的裝卸與搬運，尤其體現于組合機床以及自動化數控機床上的運用和創新。文章針對數控機床上下料機械手設計的流程進行了闡述和分析。

關鍵詞：數控機床; 設計流程;機械行業

隨著工業自動化程度的提高，工業現場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產以及輕工業生產中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費時費力，又影響效率。為此，我們把上下料機械手作為我們研究的課題。我國在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。

1 機械手的優勢和應用

機械手實施方案具有速度快、工作效率高、負載能力強、移位精度高及故障出現頻率低等諸多方面的優點。機械手在DK050機床上的成功運用，是數控機床柔性輸送方面的一大創新。在今后的數控機床的生產過程中，機械手的開發和運用將會得到前所未有的發揮，同時為廣大用戶提供了極大地方便，能夠產生較大的生產效益和經濟效益。

2 機械手手爪架構的設計

機械手手爪的類型較多，其主要用于作業的操作和裝置，按照不同的作業方法和操作，可以將手爪分為測量式手爪、加工式手爪及搬用式手爪等。所謂搬用式手爪，即為多種類型的夾持裝置，其主要用于對物體的搬用和抓取；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機械手附加設備，其主要用于對作業的加工；所謂測量式手爪，即為附有傳感器的一種附加設備，其主要用于對作業的檢驗和測量。在機械手手爪的設計過程中，應當遵循以下幾個方面的要求：其一，根據機械手作業的具體要求對機械手手爪進行相應的設計和開發；其二，機械手手爪的專用性和萬能型之間存在一定的矛盾。萬能手的架構設計比較繁瑣，有時還會出現無法實現的現象，以工業的實際應用為出發點，將重點應放在對各類專用的、工作效率較高的機械手的研究和設計上，確保工業機械手的所有工作性能的實現和健全，在這里，我們不贊成通過一個萬能手來完成所有工作，應當考慮機械手在設計過程中所發揮的一些經濟效益；其三，確保手爪的通用性。所謂機械手爪的通用性，即為通過數量有限的手爪來適應不同要求的機械手，這就給末端執行器提出了一定的要求，即要求其末端配置一個標準的機械接口，保證末端執行器能夠標準化運用。

3 控制方式的設計及流程分析

3.1 控制方式和要求。 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。

3.2 工藝流程與設計。 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。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／0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。

4 結束語

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：機械結構向模塊化、可重構化發展；工業機械手控制系統向基于PLC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；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；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；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。

參考文獻

［1］ 胡學林．可編程控制器(基礎篇)．北京：電子工業出版社。2003．

［2］ 孫兵，趙斌，施永康．基于PLC的機械手混合驅動控制．液壓與氣動．20O5，(3)：37～39．