數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)的流程

白 平，薛 佟

沈陽第一機(jī)床廠，遼寧沈陽 110041

在數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)和整體布局上，輸送技術(shù)對其有著直接性的影響。在缸體加工過程中，發(fā)動機(jī)缸體的三軸孔加工是一項(xiàng)十分重要的程序和環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)在很大程度上確保了三軸孔在加工過程中的精確度；在缸體的縱向上，應(yīng)當(dāng)配置若干個(gè)固定的導(dǎo)向設(shè)施，用于支撐鏜桿；傳統(tǒng)意義上的三軸孔鏜床，其架構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)存在防護(hù)難度大、輸送速度較慢等諸多問題，在很大程度上給數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)節(jié)拍造成了影響。為了解決上述困難，大連機(jī)床企業(yè)首次研究并設(shè)計(jì)了空中布局的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手，這不僅強(qiáng)化了數(shù)控機(jī)床的剛性，同時(shí)也解決了數(shù)控機(jī)床在排屑過程中所面臨的一系列難題，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)缸體在輸送過程中所表現(xiàn)出的柔性；通過對伺服驅(qū)動技術(shù)，在很大程度上減少了輸送機(jī)床在輸送過程中的時(shí)間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了工序的分解，致使數(shù)控機(jī)床的節(jié)拍從原來的6min下降到現(xiàn)在的3.2min；在一定意義上達(dá)到了用戶在節(jié)拍方面的一些要求，與此同時(shí)，在很大程度上也提高了數(shù)控機(jī)床的自動化。

1 機(jī)械手的發(fā)展情形與動態(tài)

從國內(nèi)外所有機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀來看，在現(xiàn)階段，對機(jī)械手的研究和開發(fā)已趨于高潮，機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀與動態(tài)，可以總結(jié)為：第一，模塊化與可重構(gòu)化是現(xiàn)階段機(jī)械架構(gòu)發(fā)展的主要動向；其二，PC機(jī)的開放型控制器是機(jī)械手體系發(fā)展的一個(gè)主要方向，其目的就是為了完善機(jī)械手，使其逐漸走向網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化；器件集成度得以強(qiáng)化，架構(gòu)設(shè)計(jì)玲瓏，同時(shí)運(yùn)用過了模塊化架構(gòu)；在很大程度上強(qiáng)化了機(jī)械手體系的安全性和可靠性，同時(shí)也滿足機(jī)械手在維修和防護(hù)方面的一些便捷性；第三，傳感器在機(jī)械手中發(fā)揮了十分重要的作用，不僅運(yùn)用了傳統(tǒng)的速度傳感器、位置傳感器等，同時(shí)也引進(jìn)了先進(jìn)的視覺傳感器、觸覺傳感器和聽覺傳感器，促使機(jī)械手逐漸向智能化方向發(fā)展和推進(jìn)；第四，裝配、焊接等機(jī)械產(chǎn)品逐漸向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化及系列化方向推進(jìn)和發(fā)展，及系統(tǒng)動態(tài)的仿真等。

2 機(jī)械手手爪架構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

機(jī)械手手爪的類型較多，其主要用于作業(yè)的操作和裝置，按照不同的作業(yè)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??；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機(jī)械手附加設(shè)備，其主要用于對作業(yè)的加工；所謂測量式手爪，即為附有傳感器的一種附加設(shè)備，其主要用于對作業(yè)的檢驗(yàn)和測量。在機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)遵循以下幾個(gè)方面的要求：其一，根據(jù)機(jī)械手作業(yè)的具體要求對機(jī)械手手爪進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)；其二，機(jī)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(gòu)設(shè)計(jì)比較繁瑣，有時(shí)還會出現(xiàn)無法實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象，以工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，將重點(diǎn)應(yīng)放在對各類專用的、工作效率較高的機(jī)械手的研究和設(shè)計(jì)上，確保工業(yè)機(jī)械手的所有工作性能的實(shí)現(xiàn)和健全，在這里，我們不贊成通過一個(gè)萬能手來完成所有工作，應(yīng)當(dāng)考慮機(jī)械手在設(shè)計(jì)過程中所發(fā)揮的一些經(jīng)濟(jì)效益；其三，確保手爪的通用性。所謂機(jī)械手爪的通用性，即為通過數(shù)量有限的手爪來適應(yīng)不同要求的機(jī)械手，這就給末端執(zhí)行器提出了一定的要求，即要求其末端配置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口，保證末端執(zhí)行器能夠標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)用。

3 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案的運(yùn)行

因?yàn)闄C(jī)械手手臂在運(yùn)作過程中表現(xiàn)為直線式，并且考慮到機(jī)械手在剛度、運(yùn)動過程中所表現(xiàn)出的穩(wěn)定性和安全性、動態(tài)性能等方面的一些要求，所以應(yīng)當(dāng)選取液壓驅(qū)動方式，基于液壓缸所表現(xiàn)出的直接性驅(qū)動，液壓缸不僅是執(zhí)行件，同時(shí)也是驅(qū)動件，所以，在設(shè)計(jì)過程中可以取消對執(zhí)行件的設(shè)計(jì)，又由于液壓缸在運(yùn)動過程中表現(xiàn)為直線式，所以，在其控制上的難度較低，便于計(jì)算機(jī)管理和控制。

除此之外，機(jī)械手手臂由于在其具體工作及控制方面的一些要求，所以在機(jī)械手手臂的過程中，應(yīng)當(dāng)控制其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不應(yīng)過大，如果只依賴加大液壓缸的直徑來實(shí)現(xiàn)剛度的提高，那么將無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)剛度的一些要求。所以，在設(shè)計(jì)過程中，額外添加了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，在小臂上安置了兩個(gè)導(dǎo)桿，兩導(dǎo)桿和活塞桿共同形成了一個(gè)等邊三角形，在最大程度上加大了小臂的剛度；在大臂上安置了四個(gè)導(dǎo)桿，四個(gè)導(dǎo)桿構(gòu)成了四邊形，為了最大限度的降低大臂的重量，每個(gè)導(dǎo)桿都引用了空心架構(gòu)。

4 機(jī)械手的優(yōu)勢和應(yīng)用

機(jī)械手實(shí)施方案具有速度快、工作效率高、負(fù)載能力強(qiáng)、移位精度高及故障出現(xiàn)頻率低等諸多方面的優(yōu)點(diǎn)。

機(jī)械手在DK050機(jī)床上的成功運(yùn)用，是數(shù)控機(jī)床柔性輸送方面的一大創(chuàng)新。在今后的數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)過程中，機(jī)械手的開發(fā)和運(yùn)用將會得到前所未有的發(fā)揮，同時(shí)為廣大用戶提供了極大地方便，能夠產(chǎn)生較大的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

機(jī)械手在機(jī)械行業(yè)中的運(yùn)用已經(jīng)成為一種必然的趨勢，同時(shí)這種運(yùn)用將得到前所未有的發(fā)揮，機(jī)械手能夠成功的運(yùn)用于機(jī)械零件的組裝和加工工件的裝卸與搬運(yùn)，尤其體現(xiàn)于組合機(jī)床以及自動化數(shù)控機(jī)床上的運(yùn)用和創(chuàng)新。將機(jī)械手與機(jī)床設(shè)備合為一個(gè)柔性體，在很大程度上能夠節(jié)省工件輸送裝置，架構(gòu)比較緊湊，同時(shí)適應(yīng)能力較強(qiáng)，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上對機(jī)械手進(jìn)行考慮都是有必要的，所以，對數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)是一種必然。

[1]胡學(xué)林.可編程控制器(基礎(chǔ)篇).北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]周正干，李然，負(fù)超.點(diǎn)焊機(jī)器人動態(tài)性能有限元分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，28(5)：266-269.

[3]劉芳，楊慶東，等.高速龍門加工中心GMC3000動態(tài)特性的有限元分析[J].現(xiàn)代制造工程，2007(3)：113-116.

[4]張建潤，盧熹，等.五坐標(biāo)數(shù)控龍門加工中心動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國機(jī)械工程，2005，16(21)：1949-1953.