數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　摘要：本課題針對(duì)于數(shù)控車床而設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)型的自動(dòng)上下料機(jī)械手，通過(guò)對(duì)機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算。同時(shí)對(duì)機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，主要包括機(jī)械手的機(jī)身機(jī)座，機(jī)械手手臂，機(jī)械手手爪等部分。并分析了數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手的操作流程，主要采用液壓缸、步進(jìn)電機(jī)等元件實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)部分。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)控車床;機(jī)械手;傳動(dòng)機(jī)構(gòu);液壓系統(tǒng);驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　潘寧 內(nèi)燃機(jī)與配件 2021-11-29

　　1 數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案

　　1.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要包括直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人、關(guān)節(jié)型坐標(biāo)機(jī)器人四種[8]。其對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)如表 1。

　　1.2 數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手手部設(shè)計(jì)

　　1.2.1 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)要求

　　本課題機(jī)械手手爪開閉范圍需夠大。在機(jī)械手工作時(shí)，其中一個(gè)手爪張開夾緊角度的最大變化量為開閉范圍。手爪開閉范圍的要求與工件的形狀以及尺寸等因素都有關(guān)聯(lián)。通常情況下，機(jī)械手手爪的開閉范圍越大越好。

　　1.2.2 手爪結(jié)構(gòu)的采用方案

　　結(jié)合具體的工作要求，綜上所述，本課題采用的是齒輪齒條式。通過(guò)活塞往返帶動(dòng)齒條完成手爪張開或夾緊的動(dòng)作。

　　1.3 數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)

　　機(jī)械手手腕主要功能是可以使被夾持工件的方位產(chǎn)生變化，此時(shí)機(jī)械手手腕需做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即只存在一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度。結(jié)合本課題，本設(shè)計(jì)手腕不加自由度以便于機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單。

　　1.4 數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手手臂設(shè)計(jì)

　　考慮到操縱器在工作中的穩(wěn)定性和安全性，將兩個(gè)平行的導(dǎo)向桿添加到該對(duì)象的水平框架中，使其與運(yùn)動(dòng)活塞桿截面形成等腰三角形結(jié)構(gòu)，以保證其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定牢靠。垂直手臂添加四個(gè)導(dǎo)桿其截面為正四邊形，每個(gè)導(dǎo)桿都選用空心結(jié)構(gòu)以保證機(jī)械手整體重量。添加此導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)主要原因是可以保證機(jī)械手整體穩(wěn)定。

　　2 數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方案

　　具體到本設(shè)計(jì)，綜合考慮以上因素，本課題機(jī)械手機(jī)座為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)最優(yōu)，機(jī)械手水平手臂和垂直手臂選用液壓驅(qū)動(dòng)最優(yōu)。

　　2.2 數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手傳動(dòng)設(shè)計(jì)

　　本課題中機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)均采用液壓驅(qū)動(dòng)。故該部分不采用傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，即簡(jiǎn)化了機(jī)械手結(jié)構(gòu)，也有利于提高機(jī)械手整體的精度。本課題機(jī)械手機(jī)座部分選擇了電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則需要通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速。經(jīng)分析比較，本課題選擇圓柱齒輪傳動(dòng)。

　　2.3 數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手定位與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

　　2.3.1 影響定位精度及平衡的因素 定位方式、速度、剛度、運(yùn)動(dòng)件重量以及驅(qū)動(dòng)源等因素對(duì)機(jī)械手整體的平衡以及穩(wěn)定都會(huì)產(chǎn)生一定影響。如定位方式選擇機(jī)械擋塊定位，其擋塊的強(qiáng)度以及與擋塊碰撞時(shí)速度的大小等都有關(guān)聯(lián)。速度對(duì)定位精度也有較大影響如，速度過(guò)快或過(guò)慢都會(huì)影響最終精度，所以控制其速度可以適當(dāng)減小最后的精度誤差。

　　剛度對(duì)機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的影響在于如接觸剛度較低，易振動(dòng)，此時(shí)定位精度一般較低。運(yùn)動(dòng)件重量對(duì)定位精度的影響在于如運(yùn)動(dòng)件重量變大時(shí)，定位精度會(huì)相應(yīng)減小，機(jī)械手整體以及被夾持工件均屬于運(yùn)動(dòng)件。合理控制運(yùn)動(dòng)件本重量以及機(jī)械手工作時(shí)被夾持工件重量是必要的。驅(qū)動(dòng)源包括液壓、氣壓、電壓、油溫等。驅(qū)動(dòng)源產(chǎn)生變化時(shí)，重復(fù)定位精度會(huì)隨之產(chǎn)生變化。所以穩(wěn)壓及控制油溫是重要的。結(jié)合上述因素，本設(shè)計(jì)最終采用的定位方式為機(jī)械擋塊定位。

　　2.3.2 平衡機(jī)構(gòu)分類 彈簧平衡機(jī)構(gòu)，活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)，配重平衡機(jī)構(gòu)三類為目前工業(yè)機(jī)器人常用的三種平衡機(jī)構(gòu)的形式[12]。彈簧平衡機(jī)構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)分為液壓和氣動(dòng)兩種，兩種均具有較好的阻尼作用，但液壓平衡系統(tǒng)體積較小，氣動(dòng)平衡系統(tǒng)體積較大?；钊狡胶庀到y(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格較高，裝卸及維修難度也較高，但是平衡效果較好。一般用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場(chǎng)合[13]。配重平衡機(jī)構(gòu)平衡效果一般，但其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，較為穩(wěn)定。

　　2.3.3 平衡機(jī)構(gòu)采用方案 本課題選擇通過(guò)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以保證手臂本身達(dá)到平衡。因在設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)以及整個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)和布局的過(guò)程中已著重考慮了機(jī)械手手臂的平衡問(wèn)題，為使機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故不采用平衡機(jī)構(gòu)。

　　3 理性分析計(jì)算以及主要參數(shù)確定

　　3.1 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本課題的液壓系統(tǒng)選擇定量泵供油，為了保證液壓油無(wú)雜質(zhì)摻進(jìn)，選擇在油泵入口添加粗過(guò)濾器，在其的出口安裝精過(guò)濾器凈化。本課題的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，其中包括垂直手臂的升降，水平手臂的伸縮，以及機(jī)械手手爪的張開閉合三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

　　3.2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)確定 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)包括壓力和流量。壓力取決于外載荷，流量決定于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。機(jī)械手手爪、水平手臂、垂直手臂液壓缸參數(shù)見表 2、表 3 以及表 4。

　　3.3 電機(jī)選型 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮各種因素，通過(guò) 查 閱 《機(jī) 械 手 冊(cè)》， 最 終 本 課 題 選 用 型 號(hào) 為 110BYG550B-SAKRMA-0301 的步進(jìn)電機(jī)，此電機(jī)轉(zhuǎn)矩較高，振動(dòng)較低，綜合性能較好。該電機(jī)技術(shù)參數(shù)見表 5。

　　4 數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　4.1 機(jī)械手的工作流程本文機(jī)械手工作方式包含四種，經(jīng)歸納整理依次是：復(fù)位、自動(dòng)、手動(dòng)、半自動(dòng)，前文已有詳細(xì)介紹，四者均有其獨(dú)特特征。

　　復(fù)位操作重點(diǎn)面向任務(wù)執(zhí)行前或故障解決后，不但把現(xiàn)下所有工作準(zhǔn)確移到原點(diǎn)，而且屬于各部件運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)。自動(dòng)即機(jī)械手先獲得生產(chǎn)線指令，再由總控制臺(tái)操作下執(zhí)行具體任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)保持聯(lián)線情況下，工作開關(guān)必須到達(dá)“自動(dòng)”處，這種情況下，所得指令信號(hào)由自動(dòng)生產(chǎn)線提供。機(jī)械操作階段不可避免因某方面情況造成故障發(fā)生，或調(diào)試階段均依賴手動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，屬于不可或缺重要方式。“手動(dòng)”位系統(tǒng)保持離線模式，僅僅接收控制面板下達(dá)指令，無(wú)法獲得其余信號(hào)。機(jī)械實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)前，所有部位均處于原位待命，一旦選擇手動(dòng)相關(guān)按鍵，就會(huì)執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作，若想停止操作，只需重新選擇一次。此時(shí)只能接收急停信號(hào)，換言之，其余信號(hào)全部無(wú)效。

　　4.2 數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手操作面板

　　本 課 題 理 想 操作面板如圖 1 所示。工作方式分為手動(dòng)與自動(dòng)。自動(dòng)：機(jī)械手獲得生產(chǎn)線指令后，利用總控制臺(tái)開始作業(yè)?；诳刂泼姘逶O(shè)置成開關(guān)在“自動(dòng)”位情況下，系統(tǒng)保持聯(lián)動(dòng)模式，僅接收自動(dòng)生產(chǎn)線指令信號(hào)。手動(dòng)：具體用在總控制臺(tái)發(fā)生故障、進(jìn)行調(diào)試或其余一些必須手動(dòng)執(zhí)行情況下。設(shè)置成“手動(dòng)”位，系統(tǒng)保持離線模式，無(wú)法接收自動(dòng)生產(chǎn)線信號(hào)，僅僅接收控制面板指令。開啟這種方式，而且所有部位保持原位，所有電機(jī)保持停機(jī)后，由控制面板選擇升/降、前/后移、夾/放按鍵，可開始對(duì)應(yīng)動(dòng)作，然后繼續(xù)選擇對(duì)應(yīng)按鍵，就能結(jié)束動(dòng)作。再者，只有急停信號(hào)有效，其余信號(hào)將全部無(wú)效。

　　5 結(jié)論

　　本文針對(duì)機(jī)械手設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題展開研究，給出一些優(yōu)化方案，包括：系統(tǒng)抗干擾能力的提升，讀、寫、事件響應(yīng)時(shí)間的精準(zhǔn)控制問(wèn)題等。伴隨科技的進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展勢(shì)必朝更專業(yè)化、復(fù)雜化、可重構(gòu)化的角度發(fā)展，表現(xiàn)出更強(qiáng)的靈活性和更多元的控制方式。因此， PLC 控制還將有眾多問(wèn)題亟等解決，整體來(lái)講，數(shù)控上下料手臂在機(jī)械手開發(fā)中還有著極大的提升空間。