基于機床自身驅動裝卸料機械手的數控機床研究及應用

陳宇 郭芳

摘要：機床自身驅動的裝卸料機械手的數控機床是借助數控機床自身三軸移動配合料倉和自動化夾具實現工件的自動裝卸料的自動化機床。自備機械手數控機床主要由及機床本體、料倉、機械手夾持機構等部分組成。較普通上卸料機構具有操作和結構簡單、制造成本低且應用廣泛。

關鍵詞：數控機床;工件裝卸;機械手;

一、背景介紹：

一般數控機床的裝卸料機構為手動上卸料和機械手上卸料，機床本身不具備上卸料功能。隨著工業自動化的發展機械手的應用也將會越來越廣泛，機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動生產設備，作業的準確性和環境中完成作業的能力是工業機械手機器人的一個重要分支，數控機床的進給速度由原來的10米、12米提升到現在的120米以上，大大提高了零件的加工效率，這樣人工裝卸工件時的勞動強度卻來越大，人工操作已經遠遠不能滿足高速高效的需求。機械手按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式。特點是可以通過編程來完成各種預期的作業，構造和性能上兼有人和機械手機器各自的優點。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，配置有獨立的控制系統或依附于機床設備本身的控制系統，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件。機械手本身具有獨立的可進行兩維或三維空間移動的手臂和零件夾持部分組成，最終實現能將加工工件的自動裝卸過程。現行的機械手均為機床外置設備，多數為桁架機械手、折臂機械手以及工業機器人。機械手采購、使用成本較高，機械手上各零部件的加工、裝配精度及復雜程度也很高。因而使機械手被中小型生產企業拒之門外，依然還是采用勞動強度較大的人工上卸料。鑒于此我們研制了一種制造和使用成本極低的自備機械手的數控機床。

二、該自備機械手數控機床具體結構如下：

如圖1 所示機床由底座部分1、立柱部分2、工作臺部分3、刀庫部分4、主軸箱部分5、電氣部分6、機械手部分7、防護部分8、料倉9 組成。底座部分1 位于機床最底端，用于支撐機床業余各部分，底座上安裝有直線導軌、滾珠絲杠、伺服電機，用于實現工作臺部分3 的Y方向移動。立柱部分2 置于底座之上安裝有直線導軌、滾珠絲杠、伺服電機，用于實現主軸箱部分5 的Z方向移動。工作臺部分3 安裝在底座導軌上方，由十字導軌滑座、工作臺等零件，十字導軌滑座上安裝有直線導軌、滾珠絲杠、伺服電機，用于實現工作臺的X方向移動。主軸箱部分5 安裝在立柱部分2 的導軌上，主軸箱部分5 上安裝有主軸、主電機等部件。防護部分6 置于機床導軌上方和機床外側，用于機床導軌的防護和加工時產生的鐵削、切削液的防護。機械手部分7 由導桿氣缸10（或液壓缸）和氣動卡爪11（或液壓卡爪）組成，導桿氣缸10安裝在主軸箱的下面，可以推動氣動卡爪11沿機床Y方向。氣動卡爪11用來抓取未加工零件放置到加工位置和抓取加工后的零件放置回料倉9 或料倉12。

三、自備機械手數控機床的具體實施方式：

該機床實現自動上卸料分為兩種方式，第一種為置于機床防護外部的料倉9 的裝卸料。第二種為置于機床工作臺上的內部料倉12的裝卸料。

1、實現機床外部料倉9 的自備機械手裝卸工件的過程為：主軸箱部分5 帶動機械手部分7 移動至料倉9 第一層工件的高度，氣動卡爪11的卡爪張開并由導桿氣缸10推動向前移動至第一層工件處，氣動卡爪11的卡爪閉合，抓取零件。導桿氣缸10的活塞桿帶動氣動卡爪11和零件縮回至主軸箱部分5 的下方，工作臺沿機床X向和Y向移動，使工件處于在工作臺上相應的裝夾位置的上方，主軸箱部分5 帶動氣動卡爪11沿機床Z向移動，使工件放置在機床工作臺上，然后用于定位和裝夾零件的夾具夾緊，開始加工零件。零件加工完成后，工作臺部分3 帶動工件沿機床X向和Y向移動至氣動卡爪11的下方，主軸箱部分5 帶動機械手部分7 沿機床Z向移動至氣動卡爪11需要求夾緊位置，氣動卡爪11加緊工件，主軸箱部分5 帶動氣動卡爪11沿機床Z向移動至料倉第一層工件的高度位置，導桿氣缸10工作，將工件推送至料倉，氣動卡爪11松開工件，導桿氣缸10的活塞桿縮回。主軸箱部分帶動機械手部分7 沿機床Z方向向下移動至料倉9 的第二層工件高度，氣動卡爪11的卡爪張開并由導桿氣缸10推動向前移動至第一層工件處，氣動卡爪11的卡爪閉合，抓取零件。依次循環加工，實現批量工件的自動加工過程。

2、實現機床工作臺上的內部料倉12的自備機械手裝卸工件的過程為：首先將氣爪更改成垂直安裝形式，機床工作臺部分沿機床X向和Y向移動，使工件13處于機械手7 的下方，氣動卡爪11的卡爪張開并由主軸箱部分5 帶動沿機床Z向移動至工件13的裝夾位置，氣動卡爪11的卡爪閉合，抓取工件13。機床工作臺部分5 沿機床X向和Y向移動，使工件13處于在工作臺的裝夾位置下方，主軸箱部分帶動氣動卡爪11和工件13沿機床Z向向下移動將工件13放置在工作臺上的加工位置處，然后用于定位和裝夾零件的夾具夾緊，開始加工工件。工件加工完成后，工作臺部分3 帶動工件13沿機床X向和Y向移動至氣動卡爪11的下方，主軸箱部分5 帶動氣動卡爪11沿機床Z向向下移動至氣動卡爪11需要求夾緊位置，氣動卡爪11加緊工件，主軸箱部分5 帶動氣動卡爪11沿機床Z向向上移動，工作臺部分3 帶動工件13沿機床X向和Y向移動，將工件13置于料倉12的上方，主軸箱部分5 帶動氣動卡爪11沿機床Z向向下移動至工件13的初始位置，氣動卡爪11松開工件。主軸箱部分5 帶動氣動卡爪11沿機床Z向向上移動至安全位置，工作臺部分3 帶動料倉沿機床X向和Y向移動使工件14置于氣動卡爪下方，氣動卡爪11的卡爪張開并由主軸箱部分5 帶動沿機床Z向移動至工件14的裝夾位置，氣動卡爪11的卡爪閉合，抓取工件14。依次循環加工，實現批量工件的自動加工過程。

結語：數控機床自身驅動的機械手結構研究和應用主要是借助于數控機床本身的三個移動軸實現零件的裝卸過程。該結構的應用極大地降低了機床自動化的制造成本低，加工制造簡單方便，零件定位精度高，用戶可在較普通數控機床增加極少的成本基礎上獲得具有自動上卸料功能的數控機床，同時大大降低了操作工裝卸工件的勞動強度和機床停機時間。通過更換不同形式的氣爪可以完成廣泛零件的裝卸過程。