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)探討

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)探討摘要：改革開放以來，中國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和綜合國(guó)力實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。工廠的卸裝生產(chǎn)線也由原來的人工操作發(fā)展成為機(jī)械化操作，大大解放了生產(chǎn)力。但機(jī)械化操作水平還達(dá)不到人們的期望和要求，所以現(xiàn)代化的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)線被研究人員設(shè)計(jì)出來并投入使用。數(shù)控機(jī)床最大的優(yōu)點(diǎn)就是智能化和無人化，本文針對(duì)其上下料機(jī)械手展開討論。主要闡述數(shù)控化機(jī)械手的現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及零件設(shè)計(jì)要點(diǎn)等，希望為有關(guān)工作人員提供一定的參考。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；現(xiàn)狀；上下料機(jī)械手；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；零件設(shè)計(jì)引言：時(shí)代在進(jìn)步，科技也在不斷發(fā)展。科學(xué)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到大量普及，人們對(duì)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化和安全化程度已不再滿足于傳統(tǒng)最基本的要求。數(shù)控機(jī)床作為我國(guó)最先運(yùn)用于生產(chǎn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，為生產(chǎn)帶來便利的同時(shí)也為企業(yè)創(chuàng)造出巨大利潤(rùn)。但數(shù)控機(jī)械手目前還處于初期發(fā)展階段，還存在著很多不足之處急需改進(jìn)。我們應(yīng)該在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上加快自動(dòng)化生產(chǎn)線的研究和改進(jìn)。對(duì)機(jī)械手目前狀況的大致介紹在這個(gè)階段，中國(guó)正處于蓬勃發(fā)展的重要時(shí)期，支持各項(xiàng)科研事業(yè)。特別是對(duì)于全自動(dòng)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)線，國(guó)家對(duì)機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)支持力度不斷增大。中國(guó)現(xiàn)有裝卸機(jī)械手的概述主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，從機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度來看，中國(guó)的機(jī)器人設(shè)計(jì)正朝著模塊化和靈活的架構(gòu)發(fā)展。其次，上下料機(jī)械系統(tǒng)的中樞控制系統(tǒng)PC機(jī)的改進(jìn)和完善也被重視起來，中樞控制相當(dāng)于人類的大腦，控制著各個(gè)分支工作的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此必須避免其發(fā)生故障。PC機(jī)的完善會(huì)使上下料更加順暢，機(jī)械手裝夾物品精度提高，工業(yè)生產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)化和集成化程度也大大增加。同時(shí)機(jī)械架構(gòu)的模塊化功能也能得到非常好的發(fā)揮和體現(xiàn)。中央控制系統(tǒng)的加強(qiáng)，使得數(shù)控機(jī)床的安全程度和可靠程度提升到更高的層次，對(duì)機(jī)械手的定期檢查和維護(hù)工作也變得簡(jiǎn)單快捷。同時(shí)現(xiàn)階段，中國(guó)對(duì)傳感系統(tǒng)的研究和改進(jìn)也正在迅速發(fā)展。無論是何種機(jī)械設(shè)備，沒有了傳感系統(tǒng)就像是一個(gè)人沒有了直覺，就無法對(duì)外界的一系列活動(dòng)做出反應(yīng)，因此，傳感系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)備中起著其他系統(tǒng)無法替代的作用。目前，傳感系統(tǒng)主要包括速度、位置、視覺、聽覺、和觸覺傳感等，全方位的運(yùn)用使得機(jī)械手更加靈敏化和智能化，其精度也大大提高。最后，機(jī)械手還應(yīng)用于機(jī)械零部件的裝配以及零件的焊接，其發(fā)展的目標(biāo)也由傳統(tǒng)的零散人工化轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)化及智能化?？傊?，我國(guó)目前的機(jī)械發(fā)展水平空白還較大，需要加快研究和發(fā)展。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)介紹我國(guó)目前有四種主要類型的機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)：笛卡爾坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。圓柱坐標(biāo)操縱器需要依靠一個(gè)回旋運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)直線型運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)其空間動(dòng)作。相對(duì)而言，該類機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，常用于生產(chǎn)線運(yùn)輸作業(yè)。機(jī)械手手臂的伸縮和立柱升降是線性的，另一個(gè)是手臂的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，所以自由度的數(shù)量是3。綜上所述，為了滿足數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)要求，我們選用圓柱坐標(biāo)機(jī)械設(shè)備，因?yàn)閳A柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作，精度高，工作范圍比較大［2］。當(dāng)然，在坐標(biāo)系的選用上也需要根據(jù)數(shù)控機(jī)床的實(shí)際情況而定，當(dāng)數(shù)控機(jī)床發(fā)生變化圓柱坐標(biāo)系不再適用時(shí)。工作人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況酌情選擇其他坐標(biāo)系。機(jī)器人部件的設(shè)計(jì)和注意事項(xiàng)手爪的設(shè)計(jì)和相關(guān)注意事項(xiàng)夾具是用于執(zhí)行操作和工作的裝置。機(jī)械設(shè)備手爪必須根據(jù)設(shè)備的操作要求設(shè)計(jì)。在滿足操作要求的基礎(chǔ)上，機(jī)械手的爪子還必須體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，通用性強(qiáng)。同時(shí)，它易于安裝和維護(hù)，并且易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。結(jié)合具體的工作條件，本設(shè)計(jì)采用連桿式爪結(jié)構(gòu)。連桿杠桿型爪作用在活塞的推力上，連桿和杠桿使夾緊爪夾緊或松弛。由于杠桿的力放大，這種把手可以產(chǎn)生大的夾緊力，該夾緊力通常與彈簧一起使用。手腕的設(shè)計(jì)及相關(guān)注意事項(xiàng)機(jī)器人的手腕是機(jī)械手的末端。因此，手腕設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能小巧輕便。根據(jù)工作需要設(shè)計(jì)機(jī)械手腕部的自由度。通常，自由度的數(shù)量越大，手腕的靈活性越大，并且適應(yīng)工作的能力越大。然而，自由度的增加將不可避免地使手腕的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，控制更困難，并相應(yīng)地增加成本。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際操作要求確定手腕的自由度。為了確保力的傳遞和工作期間的運(yùn)動(dòng)連續(xù)性，腕部結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。應(yīng)提供可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以減少空回程間隙，提高傳動(dòng)精度。手腕的末端通過限位開關(guān)旋轉(zhuǎn)，并設(shè)置硬限制以防止由于過量引起的機(jī)械損傷。通過對(duì)數(shù)控機(jī)床裝卸作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式和手工切削加工的具體要求。在滿足系統(tǒng)要求的前提下提高安全性和可靠性，使機(jī)器人的結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，為了降低控制難度，這種手腕的設(shè)計(jì)并沒有增加自由度，而實(shí)踐證明，這完全可以滿足操作要求。完成機(jī)器裝載和卸載的三個(gè)自由度就足夠了。手臂的設(shè)計(jì)及相關(guān)注意事項(xiàng)機(jī)械設(shè)備工作期間機(jī)器人手臂必須承受一定的負(fù)荷。并且機(jī)械手運(yùn)動(dòng)本身具有一定的速度，且工作空間的形狀和尺寸與機(jī)器人臂的長(zhǎng)度和臂關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)范圍密切相關(guān)。因此，臂的尺寸應(yīng)設(shè)計(jì)成滿足工作空間要求。同時(shí)，為了提高機(jī)械手的速度和控制精度，應(yīng)確保臂具有足夠的強(qiáng)度和剛度。盡量減少結(jié)構(gòu)和材料上臂的重量；為了提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度并減小電機(jī)負(fù)載，機(jī)器人手臂應(yīng)盡可能地相對(duì)于其關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸平衡；還必須使機(jī)器人臂的關(guān)節(jié)軸盡可能彼此平行，并且彼此垂直的軸應(yīng)盡可能地相交。這可以簡(jiǎn)化操縱器的運(yùn)動(dòng)學(xué)并且便于操縱器的控制。由于機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)是線性的，并且考慮到操縱工件的重量，機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性和高剛性要求，因此選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式。液壓驅(qū)動(dòng)模式由液壓系統(tǒng)控制，其特點(diǎn)是傳動(dòng)剛度大可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。它由液壓缸直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)單元又是運(yùn)動(dòng)部件，因此無需設(shè)計(jì)額外的執(zhí)行器。液壓缸可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)控制方便。由于控制和特定的工作要求，機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)不應(yīng)太大。因此，在設(shè)計(jì)中另外增加了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，并且在臂上增加了兩個(gè)導(dǎo)桿，它們與活塞桿形成等邊三角形橫截面，以最大化其剛度。在動(dòng)臂上增加了四個(gè)導(dǎo)桿，它們以規(guī)則的四邊形排列。增加導(dǎo)向桿數(shù)量可以顯著提高機(jī)械手的機(jī)械剛度和穩(wěn)定性，更好地解決結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題。平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)注意事項(xiàng)關(guān)節(jié)操縱臂通常需要平衡裝置以減少驅(qū)動(dòng)器上的負(fù)載并減少啟動(dòng)時(shí)間。彈簧平衡機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作可靠，平衡效果好，易于維護(hù)，使用廣泛。機(jī)械手使用圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的平衡考慮了機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和布局。通過合理地布置和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，臂本身盡可能地平衡。如果在實(shí)際工作中平衡結(jié)果不令人滿意，工作人員可以將彈簧平衡機(jī)構(gòu)設(shè)置為平衡［4］。4結(jié)束語數(shù)控機(jī)床作為我國(guó)科技發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，因其的自動(dòng)化和智能化為企業(yè)創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也方便了人們的生活。然而，由于發(fā)展的初始階段，在需要改進(jìn)的各個(gè)方面仍存在許多缺點(diǎn)。本文主要闡述數(shù)控化機(jī)械手的現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及零件設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望為相關(guān)工作人員提供一定的參考。機(jī)械手的設(shè)計(jì)和不斷改進(jìn)是工業(yè)生產(chǎn)效率提高的前提條件，只有對(duì)機(jī)械手的研究重視起來，才能快速推動(dòng)我國(guó)的工業(yè)化進(jìn)程。參考文獻(xiàn)：柳光濤，鐘