數控機床下料手機械結構設計分析

朱澤琿

摘要：筆者通過對數控機床下料機械手整體結構設計分析，以及機械手各基本部件的優化設計來提高整個機械手的控制精度、響應速度等，為我國工業發展實現自動化生產奠定一定的理論基礎。

關鍵詞：數控機床；下料手；機械結構；設計

引言

目前我國多數工廠生產線上各種數控機床中工件裝填主要依靠人力來完成，使得普通職工勞動強度很大，不僅嚴重影響工廠的生產效率，并且裝填工件也易對工人生命健康構成一定威脅，數控機床上人工裝填工件的生產方式已經無法滿足現代機械行業全自動、高效率生產的發展趨勢。為提高生產效率、提高生產過程的安全性與自動化，根據數控機床的機械結構與機械連接技術設計出一臺機床上的下料機械手，取代人力勞動以實現數控機床生產的無人化與自動化。

1.數控機床下料機械手結構設計

直角坐標結構、圓柱坐標結構、球狀坐標結構以及關節結構是現代工業生產中數控機床上下料機械手的主要四種結構設計形式。圓柱坐標結構的下料機械手的空間運動主要是以一個機械臂的回轉運動、機械臂伸縮以及支撐柱的升降兩個直線運動來實現上下料工作的，這種結構的機械手工作中的自由度數是3，而且機械手主要是圓柱形狀的工作區間，并且機械手的基本結構組成較為簡單，而且能夠實現較高的工作精度，常用于數控機床上工件的搬運工作；根據數控機床上機械手安裝形式以及工作要求，主要采用的結構形式是圓柱坐標式，不僅具有較大的工作區間以及較高的工作精度，完全能夠設計要求。

2.機械手各部件的設計

2.1下料機械手手爪結構設計

下料機械手手爪主要是用來完成工件裝卸任務的，根據機床以及具體工作方式的不同，可以將機械手劃分為搬運類、加工類以及測量類三種。機械手手爪結構設計的第一原則是滿足工作要求，在滿足工作要求的前提下手爪的結構設計還要具有結構簡單、連接部件少、通用性好等一般特點，除此之外機械手設計也需要考慮一下方面：便于安裝與維修，并能夠與現代智能計算機控制系統相互兼容。機械臂手爪的結構大多采用杠桿式的連接結構，通過活塞的推壓作用實現各結構聯動，使手爪作出加緊或者放松的動作，杠桿式結構能夠最大限度的放大作用力，能夠應對較大的工作負載。

2.2下料機械手手腕結構設計

下料手機械手手腕結構是連接手爪與手臂的關鍵部件，是整個機械手構件完成指定動作的最尾端，能夠很好地配合手臂并控制手爪完成特定的工作需要，手腕作為連接部件因此設計在滿足工作要求的前提下也需要遵照體積小巧、結構緊湊的原則。手腕活動的自由度主要是根據機床機械手具體的工作內容所決定的，一般情況下機械手手腕的部件靈活性與運動性主要是由該結構的自由度數所決定的，自由度數增加，手腕結構的靈活性增強，對各種構件的搬運操作的運動路線的選擇性更多，但是自由度增加注定會使腕部結構更加復雜，設計與制造成本也會大大增加，同時為保證機械臂工作時能夠很好地實現各種力的傳遞并保持連貫性，結構的連接需要保持具有足夠的強度與剛度。另一方面為保持運動過程中具有足夠高的精度，應你盡量降低手腕部件各關節聯動的復雜程度，并充分利用構件的剛度性質為機構的運動設置硬限位，避免機械手超限運動對操作人員造成傷害或者機械手自身損壞，通過對大量實際機床機械手機構設計的考察與分析，為保證數控機床下料手操作精度與安全性，并本著結構簡單，結構緊湊的設計原則，在保證做也要求的前提下，大多設計為3各自由度，完全能夠實現下料手的各種復雜工作要求。

2.3機械手機械傳動機構的設計

機械手的傳動構件設計特點是影響機械手控制難度、操作精度以及響應速度的關鍵因素，因此機械手傳動機構的設計應滿足體積小、重量輕、結構緊湊、構造簡單等特點，在保證機械手能夠完成基本操作任務的前提下，以盡量減少反向空回運動以提高結構運動控制精度，而且還要對各連接結構間的鏈傳動的配合方式作進一步的優化設計，以提高機械手傳動系統的剛度，增加系統的使用壽命。大部分下料機械手的傳動機構主要以螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動等幾種基本傳動形式。為充分考慮系統傳動與運動精度要求，盡量降低個傳動構件間的配合傳動誤差，同時保證傳動過程中具有較大的扭矩，普遍采用以及傳動此輪作為傳動基本構件，同時該齒輪要保證具有足夠高的強度、硬度以及制造精度。

3.機械手手臂平衡機構設計

一般情況下關節式下料機械手平衡機構的主要作用就是最大限度地降低驅動器的負載并提高系統對各種控制命令的響應速度。生產實際中普遍采用彈簧式平衡機構，它具有平衡效果優良、結構簡單、制造成本較低、便于拆卸和維修等特點。機械手設計的關鍵環節就是通過對機械手主要構件、傳動機構、連接機構、平衡機構等各機構進行優化設計、調整布局形式與配合方式、是整個系統達到平衡運動的效果，同時彈簧式平衡機構能夠針對這一問題進行平衡優化已達到要求。

4.結語

總而言之，各機械機構作為機械手最為重要的組成部分，同時也是機械手控制精度、工作負載、響應速度等主要影響因素，因此機械手各部件的優化設計對實現機械手工作效率最大化具有非常重要的意義。

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