數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上料機(jī)械手設(shè)計(jì)

戴賢新

摘 要：現(xiàn)代工業(yè)在科學(xué)技術(shù)日新月異快速發(fā)展的今天，已取得了很大的進(jìn)步，而為了早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0，在當(dāng)今工業(yè)制造體系中，原來由人工完成任務(wù)逐漸被機(jī)械裝置所取代，這種情況使得機(jī)械手得以大范圍使用。本文涉及一款圓柱型機(jī)械手的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于普通數(shù)控車床，機(jī)械手在電液混合驅(qū)動(dòng)方式的作用下完成車床的自動(dòng)上料、下料動(dòng)作。本文主要內(nèi)容在于對(duì)機(jī)械手的相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)并闡述了其運(yùn)動(dòng)控制方式。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；電液混合驅(qū)動(dòng)；PLC

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手參數(shù)的擬定

本文所涉及到的機(jī)械手主要是為了運(yùn)用在常見的數(shù)控車床中，目的是為了從事上料以及下料的工作。在對(duì)各種類型的車床資料進(jìn)行分析以后，可以基本上確定本次機(jī)械手設(shè)定所采用的一些相關(guān)參數(shù)。

這款機(jī)械手所需要的主要材料是圓形的棒料，手爪所需要的夾取直徑在2分米和6分米之間，工件長度的取值范圍是大于等于2米，小于等于8米，它能夠承受的最大重量是50斤。機(jī)械手的首部中心距離地面的距離至少要大于8米，它能夠升降的高度為3米，工作的范圍可以在距離地面的8米到11米之間。如果工作高度提高了，這時(shí)候可以采用增加去底的方式。如果機(jī)械手在升降過程中，其運(yùn)動(dòng)的速度大于每秒2米，這時(shí)候的運(yùn)動(dòng)就不大穩(wěn)定。機(jī)械手的手臂能夠伸縮在4米的范圍以內(nèi)，速度不高于每秒2米，最常用的控制系統(tǒng)是通過PLC來進(jìn)行控制的，它的優(yōu)點(diǎn)是性能比較穩(wěn)定。這款機(jī)械手雖然設(shè)計(jì)相對(duì)來說比較簡單，但是它卻能夠符合大部分?jǐn)?shù)控車床的要求。

1.2 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型

全球范圍以內(nèi)，存在著不同型號(hào)的工業(yè)機(jī)械手，他們的特點(diǎn)也各不相同。針對(duì)不同工作的要求，可以使用不同型號(hào)的機(jī)械手，通常我們有四種常用的機(jī)械手用于數(shù)控車床中：直角坐標(biāo)機(jī)械手，關(guān)節(jié)機(jī)械手，球坐標(biāo)機(jī)械手，圓柱坐標(biāo)機(jī)械手。

每一種機(jī)械手都有自己的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，有可能他們?cè)谀骋环矫娴膽?yīng)用特別有效，但是在另外一方面的應(yīng)用就可能完全不滿足要求。根據(jù)機(jī)械手的特點(diǎn)，再結(jié)合數(shù)控車床的要求，最后決定使用第四種類型的機(jī)械手。此類機(jī)械手既可以回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也可以直線運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方式不單一，在上料以及下料的活動(dòng)過程中，有比較靈活的優(yōu)勢，同時(shí)也達(dá)到了一定程度的剛度需求，也滿足負(fù)載要求。

1.3 驅(qū)動(dòng)方案的選擇

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控車床的靈魂，它直接決定機(jī)械手的工作。不同的機(jī)械手擁有不同的驅(qū)動(dòng)方式，一般有三種類型，液壓，氣動(dòng)，電機(jī)。在盡可能保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性及靈活性前提下，本設(shè)計(jì)擬采用電液混合驅(qū)動(dòng)作為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。該選用的驅(qū)動(dòng)方式同時(shí)包含了液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了整合以達(dá)到最優(yōu)效果。根據(jù)機(jī)械手中相關(guān)運(yùn)動(dòng)的特性及驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)和可適用的應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該種驅(qū)動(dòng)方式使得機(jī)械手動(dòng)作快速靈敏，且能進(jìn)行高精度驅(qū)動(dòng)；另外本設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)控制，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可靠性高。

2 控制器設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手的控制器設(shè)計(jì)

就機(jī)械手的具體控制，其控制模式有自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式。使用哪一種模式，就需要使用者據(jù)實(shí)情進(jìn)行選擇了。如若選擇自動(dòng)模式，下排的“上升、前伸、松開、逆轉(zhuǎn)、下降”等十個(gè)按鈕都無需按動(dòng)。

圖1中我們可以看到，設(shè)計(jì)出來的控制器，其控制方式的簡單明了的，其可實(shí)現(xiàn)的效果的一目了然的，并且其強(qiáng)大的功能還能最大限度的避免錯(cuò)誤控制的出現(xiàn)。

2.2 PLC的外部接線

要想完全的將PLC的接線方法進(jìn)行熟練的掌握。就必須對(duì)其構(gòu)成做到了如指掌。由上圖可知，PLC和一般的繼電器式的控制系統(tǒng)的及其類似的。其輸入、出端都是由相應(yīng)的器件組成的，例如常用的一些開關(guān)、傳感器、繼電器等等。而在控制部分，PLC的具體功能是根據(jù)用戶設(shè)置的程序來具體控制的。

在本設(shè)計(jì)中，使用的PLC是西門子S7-200，來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手臂的控制的。在輸入的這側(cè)，一共有4個(gè)開關(guān)（行程）對(duì)車床上、下料的機(jī)械手臂，通過控制水平、垂直液壓缸的位置達(dá)到目的。還設(shè)計(jì)了8個(gè)手動(dòng)控制功能按鈕，其自動(dòng)、手動(dòng)模式是通過SA1/2間的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)的。在輸出這側(cè)，控制液壓電池閥的結(jié)構(gòu)液壓缸都連接起來了的。并加裝了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，其位于電機(jī)和PLC中間。另外，出于安全考慮同時(shí)設(shè)計(jì)了緊急停車鍵（外部接線圖見2）。

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