浅议数控机床上下料机械手的机械结构设计

杨立斌

摘要：人工装卸生产线上数控机床工件不仅生产效率低下，还存在着一些危险性，已经完全不能满足社会生产的需求。因此，运用于数控机床生产线上的新型的上下料机械手被设计出来，使数控机床加工过程的自动化和无人化目标得以实现，并使其生产效率和生产安全系数都得到一个大幅度的提高，此外，还有效的降低了生产成本。本文就将对数控机床上下料机械手的机械结构设计进行一个较为全面细致的介绍。

关键词：数控机床；上下料机械手；机械结构设计

随着科技的发展，社会对于生产活动的生产效率和生产过程的安全性都提出了更高的要求。机械手在数控机床上的有效应用，不仅大大的提高了生产效率和生产活动的安全性，同时还形成了一条完全自动化和无人化的生产线。对于机械手的结构设计的研究和应用一直以来也是人们关注的重点。

一、数控机床机械手发展现状

在我国，人们越来越重视对于新技术的研究和开发，对于数控机床机械手的机械结构设计的研究力度也在不断的加大。现阶段我国的数控机床机械手的发展现状大致可以总结为以下四点：

第一，现阶段我国的机械架构正在向模块化和可重构化发展；第二，作为机械手体系发展的一个主要方向，PC机的开放型控制器的研发也在不断研究和革新中，其发展也将使数控机床的机械手得到进一步完善，不断的向网络化和标准化发展，并强化器件集成度，使架构设计更为精巧，模块化架构也得以很好的应用，这些进展也将使数控机床的机械手体系的安全性和可靠性得到大幅度的提升，也会使机械手的维修和防护变得更为的便捷易操作；第三，是对机械手的传感器进行了完善和更新，传感器对于机械手整个体系而言十分的重要，当下，除了运用传统的速度传感器、位置传感器，先进的视觉传感器、听觉传感器、触觉传感器也被引进机械手整个体系当中，使机械手的智能化程度越来越高；第四，是机械手装配、焊接方面的发展，模块化、系统化和标准化是其发展和推进的方向。

二、机械手的结构设计

工业机械手的结构形式主要有4种：直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构。

圆柱坐标机械手需要依靠1个回转运动及2个直线运动来实现它的空间运动，圆柱状的工作空间是其主要的特点。相对而言，这种机械手构造简单、精确度较高，经常被用来做搬运之用。图1为机械手模拟工作布局图，该机械手可以根据实际操作的需要进行3种不同的运动，其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动，另一个为手臂的回转运动，因此其自由度数目为3。综合考虑，为满足数控机床的设计要求，我们选择圆柱坐标式机械手，原因在于圆柱坐标机械手结构简单，精确度较高，且工作范围相对较大。

三、机械手各部件的设计

（一）机械手手爪结构设计

手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用手爪等。机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要具有体积小、重量轻、结构紧凑、通用性强等特点，同时要便于安装和维修，易于实现计算机控制。结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式手爪。连杆杠杆式手爪在活塞的推力作用下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动。由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力，其通常与弹簧联合使用。手爪的具体结构形式如图1所示。

图1 机械手末端执行手爪结构图

（二）机械手手腕结构设计

机械手手腕是机械手操作机的最末端，与手爪相连接，它与机械手手臂配合，使手爪作空间运动，完成所需要的作业动作。因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。一根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。一般情况下，自由度数目愈多，腕部的灵活性愈高，对作业的适应能力也愈强。但自由度的增加，必然会使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。因此，手腕的自由度数应根据实际作业要求来确定。为保证工作时力的傳递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全性和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂、手爪连接梁）结构如图2所示。

图2：手腕（手臂、手爪连接梁）结构

（三）机械手手臂结构设计

机械手手臂在工作时要承受一定的载荷，且其运动本身具有一定的速度，其工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度、手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应满足其工作空间要求。同时，为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量；为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡；还要尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行，相互垂直的轴则要尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件重量、机械手动态性能及运动的稳定性、安全性和较高的刚度要求，因此选择液压驱动方式。液压驱动方式是利用液压系统进行控制，传动刚度大！可实现连续位置控制。其通过液压缸直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件。液压缸可实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。因控制和具体工作的要求，机械手手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的直径来提高刚度，是不能满足系统刚度要求的。所以，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了2个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量提高其刚度；大臂增设了4个导杆，呈正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。增设导杆能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，较好地解决了结构稳定性的问题。

（四）机械手手臂的平衡机构设计

关节机械手手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，缩短启动时间。弹簧平衡机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，应用广泛。本机械手采用圆柱坐标式结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满意，则设置弹簧平衡机构进行平衡。

结束语

保作为机械手的重要组成部分，机械手的机械结构的设计对于机械手的工作性能、用途和经济性都有不同程度的影响。因此必须重视机械手的机械结构的设计工作，并进行深入的研究，确保能够更为科学合理的对机械手进行结构设计。

参考文献：

[1] 吕鹏飞.浅议数控机床上下料机械手的机械结构设计[J].机电信息，2013.

[2] 王学良.机械手上下料控制系统关键技术研究[D].江南大学，2012.