基于机床自身驱动装卸料机械手的数控机床研究及应用

陈宇 郭芳

摘要：机床自身驱动的装卸料机械手的数控机床是借助数控机床自身三轴移动配合料仓和自动化夹具实现工件的自动装卸料的自动化机床。自备机械手数控机床主要由及机床本体、料仓、机械手夹持机构等部分组成。较普通上卸料机构具有操作和结构简单、制造成本低且应用广泛。

关键词：数控机床;工件装卸;机械手;

一、背景介绍：

一般数控机床的装卸料机构为手动上卸料和机械手上卸料，机床本身不具备上卸料功能。随着工业自动化的发展机械手的应用也将会越来越广泛，机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，作业的准确性和环境中完成作业的能力是工业机械手机器人的一个重要分支，数控机床的进给速度由原来的10米、12米提升到现在的120米以上，大大提高了零件的加工效率，這样人工装卸工件时的劳动强度却来越大，人工操作已经远远不能满足高速高效的需求。机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，配置有独立的控制系统或依附于机床设备本身的控制系统，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件。机械手本身具有独立的可进行两维或三维空间移动的手臂和零件夹持部分组成，最终实现能将加工工件的自动装卸过程。现行的机械手均为机床外置设备，多数为桁架机械手、折臂机械手以及工业机器人。机械手采购、使用成本较高，机械手上各零部件的加工、装配精度及复杂程度也很高。因而使机械手被中小型生产企业拒之门外，依然还是采用劳动强度较大的人工上卸料。鉴于此我们研制了一种制造和使用成本极低的自备机械手的数控机床。

二、该自备机械手数控机床具体结构如下：

如图1 所示机床由底座部分1、立柱部分2、工作台部分3、刀库部分4、主轴箱部分5、电气部分6、机械手部分7、防护部分8、料仓9 组成。底座部分1 位于机床最底端，用于支撑机床业余各部分，底座上安装有直线导轨、滚珠丝杠、伺服电机，用于实现工作台部分3 的Y方向移动。立柱部分2 置于底座之上安装有直线导轨、滚珠丝杠、伺服电机，用于实现主轴箱部分5 的Z方向移动。工作台部分3 安装在底座导轨上方，由十字导轨滑座、工作台等零件，十字导轨滑座上安装有直线导轨、滚珠丝杠、伺服电机，用于实现工作台的X方向移动。主轴箱部分5 安装在立柱部分2 的导轨上，主轴箱部分5 上安装有主轴、主电机等部件。防护部分6 置于机床导轨上方和机床外侧，用于机床导轨的防护和加工时产生的铁削、切削液的防护。机械手部分7 由导杆气缸10（或液压缸）和气动卡爪11（或液压卡爪）组成，导杆气缸10安装在主轴箱的下面，可以推动气动卡爪11沿机床Y方向。气动卡爪11用来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仓9 或料仓12。

三、自备机械手数控机床的具体实施方式：

该机床实现自动上卸料分为两种方式，第一种为置于机床防护外部的料仓9 的装卸料。第二种为置于机床工作台上的内部料仓12的装卸料。

1、实现机床外部料仓9 的自备机械手装卸工件的过程为：主轴箱部分5 带动机械手部分7 移动至料仓9 第一层工件的高度，气动卡爪11的卡爪张开并由导杆气缸10推动向前移动至第一层工件处，气动卡爪11的卡爪闭合，抓取零件。导杆气缸10的活塞杆带动气动卡爪11和零件缩回至主轴箱部分5 的下方，工作台沿机床X向和Y向移动，使工件处于在工作台上相应的装夹位置的上方，主轴箱部分5 带动气动卡爪11沿机床Z向移动，使工件放置在机床工作台上，然后用于定位和装夹零件的夹具夹紧，开始加工零件。零件加工完成后，工作台部分3 带动工件沿机床X向和Y向移动至气动卡爪11的下方，主轴箱部分5 带动机械手部分7 沿机床Z向移动至气动卡爪11需要求夹紧位置，气动卡爪11加紧工件，主轴箱部分5 带动气动卡爪11沿机床Z向移动至料仓第一层工件的高度位置，导杆气缸10工作，将工件推送至料仓，气动卡爪11松开工件，导杆气缸10的活塞杆缩回。主轴箱部分带动机械手部分7 沿机床Z方向向下移动至料仓9 的第二层工件高度，气动卡爪11的卡爪张开并由导杆气缸10推动向前移动至第一层工件处，气动卡爪11的卡爪闭合，抓取零件。依次循环加工，实现批量工件的自动加工过程。

2、实现机床工作台上的内部料仓12的自备机械手装卸工件的过程为：首先将气爪更改成垂直安装形式，机床工作台部分沿机床X向和Y向移动，使工件13处于机械手7 的下方，气动卡爪11的卡爪张开并由主轴箱部分5 带动沿机床Z向移动至工件13的装夹位置，气动卡爪11的卡爪闭合，抓取工件13。机床工作台部分5 沿机床X向和Y向移动，使工件13处于在工作台的装夹位置下方，主轴箱部分带动气动卡爪11和工件13沿机床Z向向下移动将工件13放置在工作台上的加工位置处，然后用于定位和装夹零件的夹具夹紧，开始加工工件。工件加工完成后，工作台部分3 带动工件13沿机床X向和Y向移动至气动卡爪11的下方，主轴箱部分5 带动气动卡爪11沿机床Z向向下移动至气动卡爪11需要求夹紧位置，气动卡爪11加紧工件，主轴箱部分5 带动气动卡爪11沿机床Z向向上移动，工作台部分3 带动工件13沿机床X向和Y向移动，将工件13置于料仓12的上方，主轴箱部分5 带动气动卡爪11沿机床Z向向下移动至工件13的初始位置，气动卡爪11松开工件。主轴箱部分5 带动气动卡爪11沿机床Z向向上移动至安全位置，工作台部分3 带动料仓沿机床X向和Y向移动使工件14置于气动卡爪下方，气动卡爪11的卡爪张开并由主轴箱部分5 带动沿机床Z向移动至工件14的装夹位置，气动卡爪11的卡爪闭合，抓取工件14。依次循环加工，实现批量工件的自动加工过程。

结语：数控机床自身驱动的机械手结构研究和应用主要是借助于数控机床本身的三个移动轴实现零件的装卸过程。该结构的应用极大地降低了机床自动化的制造成本低，加工制造简单方便，零件定位精度高，用户可在较普通数控机床增加极少的成本基础上获得具有自动上卸料功能的数控机床，同时大大降低了操作工装卸工件的劳动强度和机床停机时间。通过更换不同形式的气爪可以完成广泛零件的装卸过程。