（天津國際鐵工焊接裝備有限公司，天津 300385）

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)

史桂福

（天津國際鐵工焊接裝備有限公司，天津 300385）

機(jī)械手設(shè)計(jì)是上下料開工中最為重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，直接關(guān)系著數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行質(zhì)量和數(shù)控機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)的效率。所以，在數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)中，必須掌握機(jī)械的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)好上下料機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，充分的融合到機(jī)床運(yùn)行中，使各個(gè)架構(gòu)之間更加緊湊，節(jié)約工件輸送裝置。本文通過對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，闡述了上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)的具體流程。

數(shù)控機(jī)床；上下料機(jī)械手；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手發(fā)展意義

首先，上下料機(jī)械手是數(shù)控機(jī)床科學(xué)化、模塊化和可重構(gòu)化項(xiàng)目發(fā)展的前提條件，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析和進(jìn)行綜合處理。其次，數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手是一種現(xiàn)代化的操作手段，它主要是PC 機(jī)開放型控制器的運(yùn)維方向，可以有效的提高機(jī)床整體的操作效率和水平。同時(shí)，它具有較強(qiáng)的集成性，能夠加強(qiáng)系統(tǒng)安全性能的管理和控制，從而達(dá)到最優(yōu)效果。另外，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化控制。最后，數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)備中的傳感器在整體設(shè)備中發(fā)揮著重要的作用，使得相對(duì)應(yīng)的速度參數(shù)得到了不斷的優(yōu)化，而在焊接和裝配方向能夠?qū)崿F(xiàn)集中處理和綜合管理控制，更加提升了設(shè)備的仿真效果和動(dòng)態(tài)運(yùn)行的優(yōu)化。

2 機(jī)械手的主要優(yōu)勢(shì)和運(yùn)用

數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手具有很多優(yōu)勢(shì)，在機(jī)械運(yùn)行中起到關(guān)鍵的作用。機(jī)械手在實(shí)施過程中，具有較快的速度，工作效率高，具有很強(qiáng)的負(fù)載能力。同時(shí)，在進(jìn)行移位時(shí)，也具有很好的精準(zhǔn)性，在很大程度上減低了故障發(fā)生率，其優(yōu)勢(shì)非常明顯。當(dāng)前，機(jī)械手已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別在DK050機(jī)床上的成功應(yīng)用，大大提高了數(shù)控機(jī)床的工作效率，也是數(shù)控機(jī)床柔性輸送方面的巨大創(chuàng)新。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械手將會(huì)得到不斷的完善和發(fā)展，并更加廣泛的應(yīng)用到制造業(yè)中，在最短的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)造出最大的工作效率，有利于企業(yè)獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。

3 上下機(jī)械手手爪架構(gòu)的流程設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手存在多種類型，在實(shí)際操作中，必須根據(jù)數(shù)控機(jī)床實(shí)際作業(yè)和裝置情況進(jìn)行嚴(yán)格選擇，針對(duì)不同的操作要求，選擇與之相適應(yīng)的機(jī)械手。最為常見的機(jī)械手包括三種，分別為測(cè)量式手抓，搬用式手抓和加工式手抓，這幾種機(jī)械手存在很多差異，也有自己相應(yīng)的用途。在機(jī)械式手抓設(shè)計(jì)和使用中必須符合每種樣式具體的使用要求，遵循相應(yīng)的原則進(jìn)行施工，在符合它運(yùn)轉(zhuǎn)和作用具體要求下進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和開發(fā)，如圖1。

圖1 機(jī)械手末端執(zhí)行手抓結(jié)構(gòu)圖

為了減少它和萬能手抓出現(xiàn)矛盾，必須將設(shè)計(jì)建立在工業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)之上，并將機(jī)械手的設(shè)計(jì)作為整體工作的重點(diǎn)，不斷對(duì)它的工作職能進(jìn)行完善和得到充分的發(fā)揮。同時(shí)，機(jī)械手抓架構(gòu)不僅要有特殊的用途，也要具有其他手抓都具有的特征，從而滿足各種機(jī)械手的需要。另外，需要安裝一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口來配合末端執(zhí)行器的正常工作，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行過程的標(biāo)準(zhǔn)化。而搬用式手抓屬于夾持裝置，它存在多種類型，它主要是用來抓取和搬運(yùn)物體。加工式手抓屬于機(jī)械手上的一種附加設(shè)備，它的機(jī)身存在焊槍和鐵刀等工具，它的功能是進(jìn)行加工作業(yè)。在上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)，必須弄清楚它的用途，與實(shí)際機(jī)床作業(yè)內(nèi)容相結(jié)合，充分發(fā)揮它的作用，提高工作效率。

4 數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

在實(shí)際工作中，數(shù)控機(jī)床存在很多不同的運(yùn)維機(jī)制和技術(shù)特征，這就要求需要有不同種類的上下料機(jī)械手與之相匹配，而技術(shù)人員需要及時(shí)對(duì)操作過程中產(chǎn)生的信息和運(yùn)維特征進(jìn)行收集和分析。而其中，對(duì)于技術(shù)運(yùn)行參數(shù)模型，需要與各種類型機(jī)械手中的差異元件建構(gòu)進(jìn)行不同的處理模型設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)其真正的作用。在整體的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中，必須以數(shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)和工作特征為基礎(chǔ)，不斷加強(qiáng)設(shè)計(jì)流程的完整度，也要加強(qiáng)設(shè)計(jì)維度的有效性，對(duì)于不同的機(jī)械問題實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理，從而達(dá)到運(yùn)維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高效處理結(jié)果。

（1）數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)原則和施工方式，對(duì)它的動(dòng)態(tài)模型和設(shè)計(jì)流程進(jìn)行集中處理，從而滿足相應(yīng)技術(shù)的管理和控制需求，實(shí)現(xiàn)萬能手抓和機(jī)械式手抓既相對(duì)獨(dú)立，又相互合作，促進(jìn)整體的操作流程與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)相適應(yīng)。數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)工作者在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和項(xiàng)目運(yùn)行機(jī)制的基本設(shè)計(jì)為前提，與機(jī)械設(shè)計(jì)過程相結(jié)合，不斷實(shí)現(xiàn)工作職能的優(yōu)化，為設(shè)計(jì)流程提供更多的數(shù)據(jù)信息支持。同時(shí)，在整體的機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)每種要求進(jìn)行細(xì)化分析和處理，并選擇與之相適應(yīng)的機(jī)械接口，詳細(xì)的分析機(jī)械結(jié)構(gòu)的執(zhí)行過程和特征，保證機(jī)械設(shè)備的高效運(yùn)行。首先，搬用式手抓方式，它在夾持物品時(shí)不會(huì)受到限制，能夠及時(shí)的抓取和搬運(yùn)物體，具有很高的實(shí)用價(jià)值。其次，加工式手抓建立在運(yùn)維系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，不斷對(duì)運(yùn)維效果進(jìn)行提升，與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而提高工作效率和整體質(zhì)量。

（2）數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具體應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手不僅要具有完善的設(shè)計(jì)流程，同時(shí)也要滿足實(shí)際運(yùn)行要求，與實(shí)際機(jī)械運(yùn)行相匹配。通常來說，機(jī)械手手臂一般以直線式存在，并存在很強(qiáng)的剛性，這就對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和安全性提出了更高的要求。所以，在實(shí)際數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中，可以選擇液壓驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中管理，依據(jù)液壓缸的直接性驅(qū)動(dòng)特征，對(duì)其進(jìn)行功能執(zhí)行，從而控制操作難度。因此，機(jī)械手手臂在實(shí)際操作中，需要根據(jù)自身的控制要求，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不能只偏重于手臂的長度，如果只靠使用加大液壓缸的直徑來提高手臂的剛度，不足以滿足系統(tǒng)的需要，這就體現(xiàn)出了設(shè)計(jì)中的問題。根據(jù)這種情況，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以通過添加導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，并在小臂上安裝兩個(gè)導(dǎo)桿，使其與活塞桿形成一個(gè)三角形，這就加大了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高小臂的剛度。另外，可以在大臂上安裝四個(gè)導(dǎo)桿，形成一個(gè)四邊形，并要使各個(gè)導(dǎo)桿保持空心的狀態(tài)，以減少大臂的總體重量。而機(jī)械手的手腕是在操作機(jī)的最末端，與手抓相連接的部分，在設(shè)計(jì)時(shí)必須保持手腕的自由度和靈活性。所以，為了保證手腕的傳遞和運(yùn)動(dòng)的連貫性，強(qiáng)度和剛度，必須設(shè)置可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以降低空回間隙，使傳動(dòng)精度有所提高（如圖2）。只有將機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行科學(xué)化的設(shè)計(jì)，并與實(shí)際操作和需要相結(jié)合，充分發(fā)揮出機(jī)械手的作用，從而提高整體的控制效果和工作效率。

圖2 手腕（手臂、手爪連接梁）結(jié)構(gòu)示意圖

在數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)上下料時(shí)，手腕位置通過直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)來完成，一般水平行程為400mm，而垂直的行程為100mm，而回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手部分來完成。這種設(shè)計(jì)使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，更有利于實(shí)際應(yīng)用。

5 結(jié)語

綜上所述，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的，綜合性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)工作。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的使用范圍和運(yùn)行結(jié)構(gòu)也在發(fā)生巨大的變化。對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)，可以有效達(dá)到工作效率和質(zhì)量的雙向優(yōu)化。同時(shí)，工作人員必須不斷提高自身的業(yè)務(wù)能力，根據(jù)數(shù)控機(jī)床的實(shí)際情況，制定穩(wěn)健的運(yùn)行機(jī)制和統(tǒng)籌管理控制計(jì)劃，將先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)融入其中，充分發(fā)揮機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)，使施工工件運(yùn)行時(shí)間達(dá)到最優(yōu)，從而促進(jìn)機(jī)械工藝的科學(xué)化發(fā)展。

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