試論機床機械手的設計與結構

佟延平 田守仁

摘要：在生產制造行業內，機床越來越普遍，而機床也向著自動化邁進，無論是控制還是其他系統，而在自動化機床中，機械手的應用也越來越普遍，對于機械手設計上要保證機床設備本身與機械手的柔性連接，保證工件的正常輸送和機床的自動化加工。

關鍵詞：數控機床；一體化；機械手設計

工業機械手是在自動化生產過程中使用的一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。實踐證明，工業機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化水平。因此，機械手在機械行業中得到了越來越廣泛的研究和應用，因此，對機械手的相關結構設計及控制的研究具有重要的意義。

一、機械手與機床的一體化設計

機床機械手相關的最新研究成果主要有：針對缸套類產品自動生產線的機械手的運動學設計、對自動上下料機械手進行運動學分析及軌跡仿真、提出采用無因次設計空間的方法研究工作空間、PLC控制系統的設計、自由度平面機械手位置域同步控制規律的提出、串聯機構運動學反解的D-H四元數方法的建立等。研究所針對的機械手都是獨立地放置在機床與工件物流生產線之間，缺點是占用空間大、需要與機床進行協調控制編程等。為了改進上述不足，逐步實現機床專用機械手的附件化和標準化，本文設計的機床機械手主要與數控車床組合成自動化生產線，實現加工過程的自動化、無人化。根據工件輸送帶和機床三角卡盤的空間位置，規劃末端抓手的運動路徑，設計各段路徑的運行時間，進而應用AD-AMS軟件進行一個完整工作周期的動力學仿真，給出機械手大臂、小臂和抓手的轉角、轉動角速度和角加速度的變化曲線以及在最大負載時3個關節處理論所需驅動力矩的動態變化曲線。

二、機械手機械結構的設計

（一）手部結構設計。

手部是機械手直接抓取和緊握工件的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端.機械手的結構形式不像人手，它的手指沒有形狀，只有自身的運動將工件抓住，因此手部結構形式必須根據它的使用場合和被夾緊工件的形狀、尺寸、重量、材質以及抓取部位的不同而設計相應的結構。本次設計中所夾持的工件形狀為圓柱形，因此采用夾鉗式手指。它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸、盤、套類零件，并可自動定心。一般情況下，夾鉗式手部多采用兩個手指。手指尾部采用滑槽杠桿式傳力機構，其主要原因在于，在對手部進行受力分析時較其他形式的傳力機構簡單，當滑槽內的銷釘沿直線運動時，手指可繞轉動副回轉實現夾緊和放松。

（二）手部夾緊力計算。

手部夾緊力FN可按下式進行計算：

FN≥k1k2k3G，

式中，k1為安全系數，由機械手的工藝及設計要求確定，通常取1.2～2.0，這里取1.5；k2為動載系數，主要考慮慣性力的影響，k2=1+a/g.a為運載工件時重力方向的最大上升加速度，g為重力加速度；k3為方位系數，手指豎直，工件水平放置時，取0.9～1.1；G為被夾持工件所受重力。經代入相關參數計算得：

FN=83.2N

（三）手指驅動力的計算。

手指驅動力的計算中，先由手指受力分析圖得出手指驅動力和手指夾緊力之間的關系。

因為∠AOO2=∠BOO1=90°

所以∠AOC=∠CO1O=38.5°

又因為∑Fx=0 F1=F2

所以F1=F/2cosα

又因為∑MO1（F）=0

所以F1=FNbcosα/a F=cos2αFN2b/a

式中，a為手指的回轉支點到對稱中心線的距離（mm）；α為工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點連線間的夾角，F為第一液壓缸所受的負載。將FN代入上式得：

F=132.68N

當驅動力F一定時，α角增大，則握力FN也隨之增加，但α角過大會導致拉桿的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使結構加大，因此建議α取30°～40°，在本次設計中α=38.5°，取值合理。考慮手爪的機械效率，取η=0.95，所以實際負載為F=132.68/0.95=140N

三、機械手臂部的設計及實現

機械手臂部是機械手的主要握持部件.它的作用是支承手部（包括工件）、滑塊及液壓缸，并帶動它們在空間運動.當手臂旋轉時改變工件在豎直平面內的方位；當手臂伸縮時改變工件在豎直平面或水平面內的方位.手臂在工作中既直接承受手部、工件及液壓缸的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故其受力復雜.因而，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機械手的工作性能.為提高剛度，應盡可能縮短臂桿的懸伸長度.在本次設計中為了增加臂部的剛度，在臂部設計了兩個吊耳，由驅動手臂旋轉的液壓缸活塞桿支承.此活塞桿既可驅動手臂旋轉，又增加了臂部的剛性，一舉兩得.為實現工件的伸縮運動，設置滑塊在手臂內滑動，手指安裝在滑塊上的方式，藍色的是機械手臂，綠色的是滑塊。滑塊由紫色液壓缸驅動再通過活塞桿驅動使其運動。

四、結束語

隨著國內不斷地發展，勞動力成本的不斷提升，機床在自動化行業歡迎程度也隨之提高， 但同時也要將機床的配套設施提高上去， 尤其對于生產大批零件， 機械手也變得尤為重要。本文設計了一種液壓驅動的機床機械手，分析比較了兩種設計方案并選擇較為合理的一種。在此基礎上，通過詳細分析與計算，完成了該機械手的結構設計，通過仿真模擬應用這種機床自動上料機械手的功能，可以縮短產品的加工時間，提高勞動生產率，因此，這對實際的生產應用具有一定的參考價值。

參考文獻：

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