數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

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摘要：近年來我國科技水平的不斷提升，自動(dòng)化已經(jīng)作為取代人力作為行業(yè)發(fā)展的主要方向，我國制造業(yè)呈現(xiàn)出迅速發(fā)展態(tài)勢(shì)，急需優(yōu)化自動(dòng)化相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)從而提升生產(chǎn)效率。分析數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的項(xiàng)目優(yōu)勢(shì)，從手爪、手腕、提升和橫移、傳動(dòng)等方面完成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總結(jié)數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)，為有關(guān)技術(shù)人員提供借鑒。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；上下料機(jī)械手；機(jī)械結(jié)構(gòu)

0引言

機(jī)械手設(shè)計(jì)作為上下料開工過程中關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一，與數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)效率及運(yùn)行質(zhì)量均密切相關(guān)，因此設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)行特點(diǎn)充分掌握，設(shè)計(jì)好上下料機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，在機(jī)床運(yùn)行中可以保證每一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊性、合適性[1]。上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床模塊化、智能化、科學(xué)化運(yùn)行的重要前提，可以綜合分析相關(guān)數(shù)據(jù)，并且機(jī)械手作為現(xiàn)代化操作方式之一，通過PC機(jī)終端控制機(jī)械操作運(yùn)維的具體方向，能夠?qū)?shù)控機(jī)床的整體效率、水平有效提升[2]。不僅如此機(jī)械手還擁有功能集成性，通過加強(qiáng)系統(tǒng)性能管控達(dá)到最優(yōu)化。除此之外也可以整合有關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)化控制，在整體機(jī)械設(shè)備中數(shù)控機(jī)床的上下料機(jī)械手操控傳感器十分關(guān)鍵，能夠在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中不斷優(yōu)化速度參數(shù)，并且在裝配焊接中集中處理管控，大大提升了設(shè)備仿真最終效果，也優(yōu)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行效果[3]。本文對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開研究，對(duì)提高數(shù)控機(jī)床的機(jī)械化水平具有現(xiàn)實(shí)意義。

1數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手現(xiàn)狀

我國目前在有關(guān)數(shù)控機(jī)床機(jī)械手領(lǐng)域的相關(guān)研究中，側(cè)重于對(duì)機(jī)械手動(dòng)態(tài)特征的綜合分析管控，深度解析了機(jī)械模型的整體運(yùn)維機(jī)制，可以在提升工作效率的同時(shí)優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行水平。首先，數(shù)控機(jī)床的上下料機(jī)械手，作為機(jī)床項(xiàng)目重構(gòu)、模塊化技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)，能夠?qū)C合處理相關(guān)數(shù)據(jù)信息[4]；其次上下料機(jī)械手可以通過PC（個(gè)人計(jì)算機(jī)）端遠(yuǎn)程控制機(jī)械結(jié)構(gòu)的開放型控制運(yùn)維方向，從而降低操作難度但又提高了操作水平。再加上與現(xiàn)代社會(huì)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)下，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化態(tài)勢(shì)，基于較強(qiáng)集成度能夠?qū)崿F(xiàn)了最優(yōu)化系統(tǒng)安全性能。最后在上下料機(jī)械手設(shè)備中，具有較大的傳感器設(shè)備優(yōu)勢(shì)，可以升級(jí)數(shù)控機(jī)床的傳感器及速度參數(shù)，尤其對(duì)于轉(zhuǎn)配、焊接方向可以實(shí)現(xiàn)綜合管控，很大程度優(yōu)化了數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)化仿真特效性能[5]。

2設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手項(xiàng)目優(yōu)勢(shì)

在實(shí)際應(yīng)用中，技術(shù)人員需要與具體管控模型和項(xiàng)目需求相結(jié)合做到集中控制，因?yàn)閿?shù)控機(jī)床擁有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在項(xiàng)目實(shí)施中可以很大程度提升工作效率，加快機(jī)械手項(xiàng)目的整體工作進(jìn)度，保障設(shè)備的較強(qiáng)負(fù)載力。除此之外也基于技術(shù)特征，在數(shù)控機(jī)床實(shí)際運(yùn)行中所受較強(qiáng)負(fù)載力，相應(yīng)的也就減少了數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)故障率[6]。在處理實(shí)際工程項(xiàng)目中，需要與實(shí)際需求相結(jié)合，構(gòu)建完善系統(tǒng)化管控參數(shù)，確保在實(shí)施過程中能夠與項(xiàng)目工程安全相貼合，保證每一道項(xiàng)目工序的完整性，切換應(yīng)用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)化處理，維護(hù)工程項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行效率。技術(shù)人員在操控?cái)?shù)控機(jī)床設(shè)備時(shí)，通過時(shí)效性管理建議可以推進(jìn)整個(gè)機(jī)械項(xiàng)目管控操作中，保證真實(shí)有效的技術(shù)結(jié)構(gòu)。在使用機(jī)械智能化設(shè)備中，更需要有關(guān)部門運(yùn)行推送機(jī)制對(duì)整體運(yùn)維流程切實(shí)維護(hù)，來保障實(shí)際服務(wù)結(jié)構(gòu)參數(shù)間的契合度。

3上下料機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1手爪設(shè)計(jì)

手爪是用于對(duì)工件進(jìn)行抓取，保證夾持力度，根據(jù)工件需要抓取的位置和特征，一般分為三指手爪和兩指手爪，分別應(yīng)用于盤類和軸類零件的抓取，對(duì)于異形件或者箱體件則可以設(shè)計(jì)專用手爪。在手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，手爪作為作業(yè)操作的主要裝置，包括諸多種類以差異化操作作業(yè)為依據(jù)，包括了搬運(yùn)手爪、加工手爪、測(cè)量手爪等[7]。機(jī)械手爪需要將機(jī)械作業(yè)為依據(jù)完成設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)在滿足機(jī)械作業(yè)基礎(chǔ)之上，充分發(fā)揮手爪的小體積、輕質(zhì)量、緊湊型結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)通用性這一特點(diǎn)，方便安裝維修及遠(yuǎn)程PC端控制。根據(jù)加工工藝要求，手爪手指的行程設(shè)計(jì)也需要注意兼顧毛坯和成品的抓取，水平上料時(shí)還需要考慮是否需要應(yīng)用彈料機(jī)構(gòu)。與實(shí)際工況相結(jié)合，工件為軸類件，本次設(shè)計(jì)采用了氣動(dòng)抓手，手指部分應(yīng)用聚氨酯材料，增加摩擦力的同時(shí)能很好地保持工件的表面質(zhì)量。手指的V形塊也可以對(duì)工件進(jìn)行自定心，保證上料時(shí)精度一致性。

3.2手腕設(shè)計(jì)

在機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中手腕作為操作機(jī)末端設(shè)備，連接手爪配合機(jī)械手手臂，能夠保證手爪相連，配合機(jī)械手手臂完成所需作業(yè)空間。所以在設(shè)計(jì)手腕時(shí)需要盡可能保證結(jié)構(gòu)組件的輕盈緊湊，與機(jī)械結(jié)構(gòu)作業(yè)所需相結(jié)合，合理設(shè)計(jì)手腕結(jié)構(gòu)自由度[8]。手腕部分聯(lián)接兩個(gè)爪手分別用于下料和上料，可以在換料過程中節(jié)省換料時(shí)間。手腕設(shè)立有緩沖機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)硬限位，能夠有效預(yù)防超限所致機(jī)械損壞。分析上下料作業(yè)時(shí)，對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工形式充分考慮，在滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝需求的基礎(chǔ)之上，提升整體安全可靠性，不斷降低機(jī)械手的結(jié)構(gòu)控制難度，簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)在不增加自由度基礎(chǔ)上，根據(jù)這3個(gè)自由度即可實(shí)現(xiàn)充足的機(jī)床上下料。本次設(shè)計(jì)采用了氣缸帶動(dòng)活塞桿圍繞旋轉(zhuǎn)軸，將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直角運(yùn)動(dòng)，完成抓手水平與豎直的翻轉(zhuǎn)。

3.3提升和橫移部分設(shè)計(jì)

為了達(dá)到一定的載荷承受標(biāo)準(zhǔn)，再加上自身運(yùn)動(dòng)中因?yàn)榇嬖谝欢ㄋ俣?，機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸和形狀，密切相關(guān)機(jī)械手工作范圍，所以在設(shè)計(jì)提升與橫移機(jī)構(gòu)尺寸時(shí)需要滿足工作空間需求。并且為了對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制精度、速度充分提升，還需要在確保機(jī)械手達(dá)到充足剛度、強(qiáng)度條件下，通過材料、結(jié)構(gòu)等方面盡可能減輕手臂重量。因?yàn)槭直蹤C(jī)械結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中作為直線運(yùn)動(dòng)，有一定的搬運(yùn)質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)安全穩(wěn)定性與機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能及剛度要求較高，所以本文設(shè)計(jì)選擇了鋁型材作為提升機(jī)構(gòu)主體，方鋼型材作為橫移部分的結(jié)構(gòu)主體，提升和橫移部分均采用直線導(dǎo)軌作為直線運(yùn)動(dòng)副。

3.4傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)

因?yàn)閭鲃?dòng)部件對(duì)機(jī)械手穩(wěn)定性、精度及快速向應(yīng)力有必然聯(lián)系，在機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)體積保證緊湊度，從而提升機(jī)械手結(jié)構(gòu)的控制精度、運(yùn)動(dòng)速度。在設(shè)計(jì)傳動(dòng)副和傳動(dòng)鏈時(shí)需要考慮運(yùn)用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，減小反向空間所致運(yùn)動(dòng)誤差，還要盡量消除傳動(dòng)爬行情況，來延長系統(tǒng)的使用期限，盡可能縮減傳動(dòng)鏈，最優(yōu)化傳動(dòng)比，保證傳動(dòng)組件適當(dāng)阻尼比。目前在機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，以齒輪、齒條、同步帶比較常用。本文設(shè)計(jì)采用齒輪齒條傳動(dòng)形式，現(xiàn)以提升部分的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算及校核。技術(shù)指標(biāo)有：提升軸移動(dòng)部件重量W=50kg，快移速度v=120m/min、加速時(shí)間0.1s，加速度a=20m/s2；提升軸為豎直使用。3.4.1預(yù)選電機(jī)。預(yù)選電機(jī)的功率為1.3kW，額定扭矩8.34N·m，最大扭矩23.3N·m，額定轉(zhuǎn)速n額定為1500r/min，最高轉(zhuǎn)速n最高為3000r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為22×10-4kg·m2。3.4.2預(yù)選減速機(jī)。減速比i為3，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1為0.61×10-4kg·m2，額定輸出扭矩為130N·m，η=97%。3.4.3預(yù)選齒輪齒條。斜齒m=2，Z=25，β=19°31′42″，D0=mz/cosβ，齒條配合最大扭矩T2tabelle為477N·m。3.4.5慣量校核（1）傳動(dòng)部分折算到齒輪軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=W×（D0/2）2/g=0.0352kg·m2。（2）傳動(dòng)部分折算電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。其中：J系統(tǒng)=J/i2=39.13×10-4kg·m2；J減速機(jī)=0.61×10-4kg·m2；J齒輪=MD2×10-6/8/i2=0.47×10-4kg·m2；則J總=J系統(tǒng)+J減速機(jī)+J齒輪=40.21×10-4kg·m2。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J電機(jī)=22×10-4kg·m2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比J總/J電機(jī)=1.828，所以減速機(jī)i=3即可滿足要求。3.4.6力矩校核。加速力矩Ta=J總×n×2π/60T=4.55N·m摩擦力Ff=μF+S（n）F=Gtg20°+4×0.05C=21.33N。其中，F(xiàn)包括齒輪分力對(duì)導(dǎo)軌產(chǎn)生的力Gtg20°，滑塊預(yù)緊力4×0.05C，導(dǎo)軌摩擦因數(shù)0.04，S為刮油片阻力×4（n）。摩擦力矩Tf=Ff×R/i/η=0.236N·m，（η為效率，一般采用80%）。重力矩TG=W×10×R/i/η=5.53N·m。啟動(dòng)力矩TM=Ta+Tf+TG=10.316N·m＜T電機(jī)最大扭矩=23.3N·m?？焖倭豑=Tf+TG=5.766N·m＜T電機(jī)額定扭矩=8.34N·m。靜態(tài)扭矩T靜=TG-Tf=5.306N·m＜0.7×T電機(jī)額定扭矩=16.31N·m。因此，靜態(tài)下載荷扭矩未超出靜態(tài)扭矩的70%，電機(jī)不會(huì)明顯發(fā)熱，選擇是合理的。減速機(jī)和電機(jī)通過校核選擇也是合理的。3.4.7齒輪齒條校核。齒輪所需切向力Fu=m×g+m×a=1500N，齒輪所需提升扭矩T2erf=Fu×D0/2000=39.81N·m，則理論計(jì)算齒輪所需提升力矩T2zul=T2tabelle/（KA×SB×fn）=265N·m（負(fù)載系數(shù)KA=2，安全系數(shù)SB=1.2，fn=1）。因?yàn)門2zul>T2erf，滿足設(shè)計(jì)要求。齒輪最大轉(zhuǎn)速n=v×1000/（π×D0）=720r/min，電機(jī)需要最大轉(zhuǎn)速N=n×i=2160r/min<n最高=3000r/min，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速也滿足設(shè)計(jì)需求。

4機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

也正因數(shù)控機(jī)床實(shí)際運(yùn)行中，擁有多元化運(yùn)維技術(shù)特點(diǎn)，所以在很大程度上確保了機(jī)床機(jī)械手擁有豐富類型，在實(shí)際操作中有關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)做好前期調(diào)查工作，收集整理有關(guān)運(yùn)維特點(diǎn)的相關(guān)信息，避免發(fā)生不必要的問題。在參數(shù)模型構(gòu)建過程中，有關(guān)技術(shù)人員還需要注意與機(jī)械手的不同類差異化特點(diǎn)相結(jié)合，做到不同的機(jī)械手元件可以構(gòu)建差異化模型，使模型充分發(fā)揮作用。在整體設(shè)計(jì)前務(wù)必要考慮安全性，在人為操作區(qū)設(shè)置防護(hù)圍欄，電纜氣管等纜線可根據(jù)實(shí)際情況分布在上方或埋于走線槽下，有電氣柜或電纜經(jīng)過的地方需要貼電氣安全標(biāo)牌，在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械附近需要貼安全警示標(biāo)牌，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要給安全標(biāo)牌和防護(hù)留好充足的空間，在行程極限位置需設(shè)計(jì)硬限位。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中還要充分考慮到數(shù)控機(jī)床開門尺寸是否滿足機(jī)械手的進(jìn)出，內(nèi)部空間是否滿足機(jī)械手腕部的旋轉(zhuǎn)等。在實(shí)際應(yīng)用過程中往往不能一次裝夾完成加工，還需要參考加工工藝考慮是否需要增加翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來進(jìn)行工件的翻面。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械手結(jié)構(gòu)中，技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際需求，強(qiáng)化設(shè)計(jì)流程完整性，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)如下。

4.1動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)機(jī)械手動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)中，應(yīng)當(dāng)始終嚴(yán)格遵循機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，采用正確的結(jié)構(gòu)施工方式，集中處理動(dòng)態(tài)化模型與設(shè)計(jì)流程，這樣能夠滿足技術(shù)管控需求，保證手爪機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的獨(dú)立性，在此基礎(chǔ)上還可以彼此合作，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的具體操作符合標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)上下料機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，還應(yīng)當(dāng)基于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的項(xiàng)目可正常運(yùn)行為前提，結(jié)合設(shè)計(jì)過程為優(yōu)化工作職能提供更充分的數(shù)據(jù)信息支持。在機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，還需要進(jìn)一步細(xì)化每一步設(shè)計(jì)要求，保證選擇相適應(yīng)的機(jī)械接口，并詳細(xì)分析機(jī)械結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中的具體特征，確保其設(shè)備運(yùn)行高效和運(yùn)行質(zhì)量。首先需要通過搬用式手爪設(shè)計(jì)，做到項(xiàng)目運(yùn)行對(duì)工件抓取過程中避免受到各方限制、及時(shí)搬運(yùn)物體，所以實(shí)際操作可行性較大。然后要不斷提升整體運(yùn)維效果，結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，全面提升整體工作質(zhì)量及效率。

4.2方案應(yīng)用

本次設(shè)計(jì)主要是為了解決傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)線中，工件裝卸的工作多數(shù)情況下是人工完成的，勞動(dòng)強(qiáng)度較大、生產(chǎn)效率有限、還存在一定的技術(shù)危險(xiǎn)性。因此，為確保本次設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)化、智能化，提升整體機(jī)械結(jié)構(gòu)操作效率，減小成本投入，發(fā)展生產(chǎn)線為柔性制造系統(tǒng)，順應(yīng)目前現(xiàn)代化機(jī)械行業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)所需。在本文對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅應(yīng)擁有完善設(shè)計(jì)流程，還要在此基礎(chǔ)上滿足基本結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行需求。一般情況下基本結(jié)構(gòu)是直線式手臂結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)剛性較強(qiáng)，在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)安全穩(wěn)定性的要求更高。本文將機(jī)械手與數(shù)控機(jī)床集成于一體，縮小了占地面積。

5結(jié)束語

在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械手結(jié)構(gòu)過程中，數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行范圍同樣有所改變，本文設(shè)計(jì)了手爪、手腕、提升和橫移、傳動(dòng)，并總結(jié)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的要點(diǎn)，真正提高了機(jī)械結(jié)構(gòu)操作質(zhì)量與效率，降低技術(shù)操作難度，發(fā)揮機(jī)械手結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及效用，保障整體安機(jī)械結(jié)構(gòu)安全性。

作者:張文甲 單位:沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研究院