数控车床自动上下料机械手结构设计

摘要：机械制造自动化是制造业长期发展的目标之一，采用自动化技术不仅可以大大降低劳动强度，而且可以提高产品质量，使企业适应市场，提高竞争力。本文对机械手的传动机构，驱动系统、液压系统及控制系统进行了理论分析和计算，同时对机械手整体结构进行了详细的设计，主要包括机械手的机身机座、机械手手臂、机械手手爪等部分，分析了数控车床自动上下料机械手的操作流程，主要采用液压缸、步进电机等元件实现机械手的运动部分。

关键词：数控车床;机械手;传动机构;液压系统

Structure Design of Automatic Loading and Unloading Manipulator for NC Lathe

YANG Liang

Abstract： In this paper an automatic loading and unloading manipulator with cylindrical coordinate structure is designed for NC lathe. The transmission mechanism， driving system， hydraulic system and control system of the manipulator are theoretically analyzed and calculated. At the same time， the overall structure of the manipulator is designed in detail， mainly including the body， base， arm and claw of the manipulator. The operation flow of the automatic loading and unloading manipulator of NC lathe is analyzed， the moving part of the manipulator is realized by hydraulic cylinder， stepping motor and other components.

Key Words： CNC lathe; Manipulator; Transmission mechanism; Hydraulic system

為了提高性能水平和科技进步，工业机器人得到了更广泛的应用，并向高速方向发展，精度高、重量轻、负载重、弹性高、可靠性高。在工业生产中，机器人广泛应用于焊接、拆卸、铺设、加工、包装等工作。同时，数控机床在机械工程领域得到了广泛的应用，它们自19世纪50年代问世后发展迅速，占发达国家机床总产量的很大一部分。通过批量生产扩大了这一应用领域。目前，一些发达国家，如日本、西班牙和美国，在数控机床控制系统下，实现了工件加工过程的灵活自动化。机械手在机械自动化生产过程中，作为夹具和抽运加工制品，属于工业机器人之一。随着我国机械制造和自动化的发展，工业机械制造领域的研发越来越受到重视。机械手可以代替在特定工作场所具有特殊要求的工作，如在危险的环境中工作及周期性重复无聊的工作。机械手可以代替人做出色的工作，机器人技术可以减少轻工业的劳动强度和危险，同时提高劳动生产率。正因为机械手应用广泛，对机械手研发也具有十分重要的意义。但目前我国研制工业机器人的技术相比于国外还有待提高，机械手的研制与生产直接影响到我国机械化，自动化的发展。因此，本文数控车床自动上下料机械手的研究有很大意义。

1 研究目的及意义

在大多数中国工厂的生产线上，数控机床的装卸工作仍然是手工完成的，它们的性能很低，更大的劳动强度和一些危险性的工作已经不能满足生产自动化发展的需要。为了提高工作效率，应降低成本，把生产线发展成灵活的生产体系，满足现代机械工业生产自动化的要求，考虑到具体的生产技术，结合机床实际结构，采用机器人技术，需要将材料下的机器人手柄人工设计更换为台面，以提高劳动生产率。机械手可以代替人做反复、枯燥的危险工作，减少了人的劳动强度，提高工作效率。因此，机械手在机械工业中得到了越来越广泛的应用，可以运输和加工工件，可以用来装配零件，特别是自动化数字控制机床和组合机床。

本文研究的数控车床自动上下料机械手属于工业机械手的一种，工业机械手是机械制造自动化的产物。机械手可以像人的手一样行动，模仿人工作的方式，按要求完成工作。例如，在某些危险的环境、重复或周期性地的工作可以由机械手代替人类成功完成，这样既可以提高劳动生产率，同时，降低劳动强度和危险性。此外，工业机械手可以适应人类无法工作的环境如温差极大的车间或深水及具有放射性的环境，更能显示其优越性。正因如此，机械手在得到了广泛的应用，机械手有着广阔的发展前途。

本文研究的机械手与数控车床相结合形成生产线，使其可以完成工件的夹持，翻转与运送等一系列加工过程。本文的研究主要为了满足数控车床以及加工工厂的工件的装卸，从而可以实现在减轻工人劳动强度与节约加工时间的同时，还可以提高工件的生产效率与生产力。

2 数控车床自动上下料机械手的设计方案

2.1 机械手结构的设计

（1）机械手的结构类型。工业机器人结构主要由直角坐标型机器人，圆柱坐标型机器人，球坐标型机器人，关节型坐标机器人4种组成。

（2）上下料自动驱动数控机床机械手结构实施方案。结构最终选择圆柱坐标，共使用3种运动形式，包括两个直线运动和一个旋转运动。直线运动时手臂上下和伸缩，旋转运动是机械手支架的旋转。选择的优点是机械手活动范围广、精度高、设计简单、携带方便^[1]。

2.2 数控车床自动上下料机械手手部设计

（1）机械手手部的设计要求。机械手手爪与手腕相连接，机械手手爪的种类可分为多种，以保证其可以适应机器人在不同情况下进行不同的工作，如末端执行器用于搬运工件、加工工件和测量工件。当需要搬运工件时，末端执行器通常会选择可夹持类机械手用来夹持被搬运的工件。当加工工件时，末端执行器通常选择喷枪、焊枪等带有加工工具的机器人，以便完成相应工作。例如，需用开展测量，末端执行器需要用来测量及检验工件，此时一般会选择带有测量仪器及传感器的装置。本文中的机械手手爪需要夹持工件搬运运输等操作，属于夹持类机器人末端执行器。

（2）手爪结构的采用方案。工业机器人手爪结构一般分为连杆杠杆式、楔块杠杆式、平行杠杆式、齿轮齿条式、滑槽式5种^[2]。

2.3 数控车床自动上下料机械手腕部设计

机械手腕部为机械手手臂与机械手手爪联结部分，即应安装在手臂末端。机械手腕部重量应适当减小，结构应紧凑，强度和刚度要够，空回间隙应减小以便于增加传动精度。机械手手腕主要功能是可以使被夹持工件的方位产生变化，此时机械手手腕需做回转运动，即只存在一个回转自由度。本设计手腕不加自由度以便于机械手结构简单，操作简单。

2.4 数控车床自动上下料机械手手臂设计

本文中分垂直手臂及水平手臂两种，垂直手臂主要作用为带动机械手手部在空间的升降运动、支撑机械手手腕和机械手手爪，水平手臂作用为带动手部在空间的水平运动。机械手的手臂主要作用就是将机械手手爪送至空间某一点进行工作，机械手手腕及手爪的动静载荷均由手臂承担，而相关手臂自由度较多，所以机械手手臂的受力相对于其他部分更为复杂。手部的位置精度即为机械手手臂的精度。导向装置和定位方式对于机械手最终的精度尤为重要^[3]。

2.5 数控车床自动上下料机械手机身机座设计

机械手机座有腰部和底座两部分。它是机器人的第一个回转关节，机械手手臂的运动及手腕手爪的运动都安装在机械手机座上，故机械手整体的重量均由机座承担。在设计机器人机座结构时，要注意机械手的机座部分底座截面需要足够大以保证机械手整体工作时的稳定，其结构装卸要方便。

2.6 数控车床自动上下料机械手驱动系统设计

2.6.1 驱动系统的分类

（1）液压驱动系统。控制力与控制力距大、易于实现直接驱动等均为液压驱动系统的特点，但其效率较低，不如电机驱动，且液体易泄露，难维修。多适用于承载能力大及需进行防爆工作的装置中。

（2）气压驱动系统。构造简单，装卸简易、成本较低等为气压驱动特征。气动系统的缺点在于难以实现伺服控制，大多数适用于中小负荷及需要程序控制的工业机器人中。

（3）电动驱动系统。电动驱动系统因易操作，低噪音等特点很受欢迎，但是某些电机在要求防爆的工作环境中不可使用，其成本略高。因为此系统优点突出，所以应用较为广泛。

2.6.2 驱动系统采用方案

具体到本设计，综合考虑以上因素，本文机械手机座为回转运动，采用步进电机驱动最优，机械手水平手臂和垂直手臂选用液压驱动最优。

2.7 数控车床自动上下料机械手传动设计

本文中机械手手臂运动均采用液压驱动。故该部分不采用传动结构，既简化了机械手结构，也有利于提高机械手整体的精度。本文机械手机座部分选择了电机驱动，则需要通过传动机构进行减速。经分析比较，本文选择圆柱齿轮传动。

2.8 数控车床自动上下料机械手定位与稳定性设计

（1）影响定位精度及平衡的因素。定位方式、速度、刚度、运动件重量及驱动源等因素对机械手整体的平衡及稳定都会产生一定影响。例如，定位方式选择机械挡块定位，其挡块的强度及与挡块碰撞时速度等都有关联。速度对定位精度也有较大影响如，速度过快或过慢都会影响最终精度，所以控制其速度可以适当减小最后的精度误差。刚度对机械手整体结构的影响在于如接触刚度较低、易振动，此时定位精度一般较低。运动件重量对定位精度的影响在于如运动件重量变大时，定位精度会相应减小，机械手整体及被夹持工件均属于运动件。合理控制运动件重量及机械手工作时被夹持工件重量是必要的。驱动源包括液压、气压、电压、油温等。驱动源产生变化时，重复定位精度会随之产生变化，所以稳压及控制油温是重要的。结合上述因素，本设计最终采用的定位方式为机械挡块定位。

（2）平衡机构分类。弹簧平衡机构、活塞推杆平衡机构、配重平衡机构为目前工业机器人常用的3种平衡机构的形式。弹簧平衡机构成本低、稳定性好，应用较为广泛。活塞推杆平衡机构具有较好的阻尼作用，但气动平衡系统体积较大。活塞式平衡系统复杂，价格较高，装卸及维修难度也较高，但是平衡效果较好。配重平衡机构平衡效果一般，但其机构简单，较为稳定。

（3）平衡机构采用方案。本文为使机械手整体结构简单，故不采用平衡机构^[4]。

3 数控车床自动上下料机械手控制系统设计

本文研究的数控车床自动上下料机械手一个工作周期为第一步为夹紧工件，然后装入车床完成上料，再经车床加工后从卡盘取出工件完成下料。机械手一个工作流程主要包括垂直手臂升降、水平手臂伸缩、机身机座回转及手爪开闭4种运动模式，其中，手臂运动采用液压缸的方式，垂直运动方向通过电磁换向阀改变。水平运动方向采用电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器所组成的回路改变。手爪的开闭采用柱塞缸与齿轮来实现^[5]。

机械手从原点开始，水平手臂前伸到达指定位置后，下降停止的同时，關闭夹子，垂直手臂向上移动达到预定位置，运动停止。机械手机座逆时针旋转，到达旋转90°并停止;垂直臂下降到卡盘中心停止，机械手完成定位，水平臂回收，工件插入卡盘，安装后，夹子被夹紧，机械手的手爪被打开，垂直的手臂向上移动以达到位置，然后上升并停止。机械手机座椅时针旋转90°，当机器回到原来的位置时旋转停止^[6]。

数控车床完成了零件的加工，在操作下料后，90°逆时针方向旋转的机械手机座停止，垂直臂向下移动到指定位置停止，手爪夹具闭合工件。车床卡盘打开，在水平臂前卸下工件，垂直臂向上移动，到达位置后停止。机械手机座顺时针到达后转90°停止。垂直臂向下移动，停止后，手爪张开，将工件置于设定位置后，垂直的手臂继续向上移动，到达位置后停止，手爪闭合，最后机械手水平臂向后滑动到达位置后，停止收缩，机械手手臂返回原点，操作结束。

4 结语

本文的研究具有一定的针对性及明确目标，主要阐述了研究目的及意义及机械手未来的发展趋势，同时本文完成了对于数控车床自动上下料机械手三维造型的设计与机械手传动结构、驱动系统及定位稳定性的设计。

参考文献

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[5] 陈韬，张凯，伍丽娜，等.侧装式垃圾车机械手结构设计与优化分析[J].机械设计与制造工程，2021，50（11）：55-60.

[6] 王睿训，邢建国.烧结机台车栏板间隙密封的机械手系统设计[J].青岛大学学报：工程技术版，2021，36（4）：73-78.

中图分类号：TG659DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2112-5640-4193

作者简介：杨亮（1985—），男，硕士，工程师，研究方向为数控车床。