數(shù)控機床送料機械手的通用系統(tǒng)設計方案

摘要：本文主要介紹了機床上下料的概念、組成和分類，國內(nèi)外的發(fā)展狀況，機械手的自由度和坐標形式、運動。對機床上下料機械手進行總體方案設計，首先確定機械手的坐標形式為直角坐標型，接著確定了機械手的驅動裝置為電氣驅動，然后確定了機械手的主要技術參數(shù)。

關鍵詞：機械手;機床送料;氣動;步進電機

一、工業(yè)機械手的選擇

1.1 機械手的概述

工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。

1.2 機械手的發(fā)展

（1）重復高精度

精度是指機械手達到指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復次數(shù)多，機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要，如果一個機械手定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復運行機械手來測定。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，機械手的重復精度將越來越高，它的應用領域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。

（2）模塊化

有的公司把帶有系列導向驅動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手動作自如。模塊化機械手使同一機械手可能應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用范圍，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。

（3）節(jié)能化

為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術的進步，新型材料的出現(xiàn)，構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。

（4）機電一體化

由“可編程控制器—傳感器—液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重要方面;發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制液壓元件，使液壓技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制” ;節(jié)省配線的復合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。

二、機械手的總體設計方案

2.1 機械手的手部結構方案設計

為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式弧形手部;當工件是方體時，使用半工字形狀的手部機構。

2.2 機械手的手腕結構方案設計

考慮到機械手的自由度，同時由于被抓取工件是小型方塊，因此，手腕設計成固定形式，并與手部設計成一個整體。

2.3 機械手的手臂結構方案設計

按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有一個自由度，即手臂的伸縮運動。通過齒輪齒條傳動帶動手部左右移動。

2.4 機械手的腰座結構方案設計

腰座回轉的驅動形式要么是電機通過減速機構來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因為電機方式控制的精度能夠很高，而且結構緊湊，不用設計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件。考慮到腰座是機械手的第一個回轉關節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅動來實現(xiàn)腰部的回轉運動。一般電機都不能直接驅動，考慮到轉速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時為了減小機械手的整體結構，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。

2.5 機械手的驅動方案設計

驅動機構是裝配機器人的重要組成部分， 裝配機器人的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。氣動機械手因為結構簡單、成本低廉、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。直流電機控制速度比較容易，且轉矩較大，可以實現(xiàn)運動空間內(nèi)的往返運動。直流電機便于調速，且具有較好的機械特性，所以很早就用于機床主傳動系統(tǒng)， 以實現(xiàn)無級調速。但一般的直流電動機轉動慣量過大， 而且輸出轉矩相對過小， 動態(tài)特性較差， 尤其在低速運轉條件下更為突出， 因此不是很理想的伺服電機。

2.6 機械手的控制方案設計

考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器（PLC）——西門子S7-200系列對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。

三、結論

機械自動化作為工業(yè)發(fā)展的一個方向，它有著廣闊的市場，屬于實際需要去研制的一種項目。機械手能模仿人體上肢的某些動作，就需要有一定的靈敏度，對設計的要求較高。通過這次設計，提高了我分析和解決問題的能力，擴寬和深化了學過的知識，掌握了設計的一般程序規(guī)范和方法，培養(yǎng)了我們正確使用機身材料、國家標準、圖冊等工具書的能力。

參考文獻

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[4]陳恩偉.機器人動態(tài)特性及動力學參數(shù)辨識研究.合肥：合肥工業(yè)大學出版社，2008

作者簡介：曲輝，身份證號：21022119750321059X

性別：男，籍貫：遼寧省大連市，學歷：專科，學校：蘭州鐵道學院，研究方向：機械

（蘭州鐵道學院）