潘寧 PAN Ning

摘要：本課題針對于數(shù)控車床而設(shè)計了結(jié)構(gòu)圓柱坐標型的自動上下料機械手，通過對機械手的傳動機構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)進行了理論分析和計算。同時對機械手整體結(jié)構(gòu)進行了詳細的設(shè)計，主要包括機械手的機身機座，機械手手臂，機械手手爪等部分。并分析了數(shù)控車床自動上下料機械手的操作流程，主要采用液壓缸、步進電機等元件實現(xiàn)機械手的運動部分。

Abstract： The automatic cylindrical manipulator is designed for CNC lathe， including the drive system， hydraulic system and control system.At the same time， the overall structure of the manipulator is detailed designed， mainly including the robot fuselage seat， manipulator arm， robot hand claws and other parts.The operation process of automatic CNC lathe is analyzed， mainly using hydraulic cylinder， stepping motor and other components to realize the manipulator movement part.

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床;機械手;傳動機構(gòu);液壓系統(tǒng);驅(qū)動系統(tǒng)

Key words： CNC lathe;manipulator;drive mechanism;hydraulic system;drive system

中圖分類號：TG506.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   文章編號：1674-957X（2021）22-0083-02

1? 數(shù)控車床自動上下料機械手的設(shè)計方案

1.1 機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計

工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式主要包括直角坐標型機器人、圓柱坐標型機器人、球坐標型機器人、關(guān)節(jié)型坐標機器人四種[8]。其對應(yīng)的特點如表1。

1.2 數(shù)控車床自動上下料機械手手部設(shè)計

1.2.1 機械手手部的設(shè)計要求? 本課題機械手手爪開閉范圍需夠大。在機械手工作時，其中一個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。通過活塞往返帶動齒條完成手爪張開或夾緊的動作。

1.3 數(shù)控車床自動上下料機械手腕部設(shè)計

機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，此時機械手手腕需做回轉(zhuǎn)運動，即只存在一個回轉(zhuǎn)自由度。結(jié)合本課題，本設(shè)計手腕不加自由度以便于機械手結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單。

1.4 數(shù)控車床自動上下料機械手手臂設(shè)計

考慮到操縱器在工作中的穩(wěn)定性和安全性，將兩個平行的導向桿添加到該對象的水平框架中，使其與運動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。垂直手臂添加四個導桿其截面為正四邊形，每個導桿都選用空心結(jié)構(gòu)以保證機械手整體重量。添加此導桿結(jié)構(gòu)主要原因是可以保證機械手整體穩(wěn)定。

2? 數(shù)控車床自動上下料機械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)采用方案

具體到本設(shè)計，綜合考慮以上因素，本課題機械手機座為回轉(zhuǎn)運動，采用步進電機驅(qū)動最優(yōu)，機械手水平手臂和垂直手臂選用液壓驅(qū)動最優(yōu)。

2.2 數(shù)控車床自動上下料機械手傳動設(shè)計

本課題中機械手手臂運動均采用液壓驅(qū)動。故該部分不采用傳動結(jié)構(gòu)，即簡化了機械手結(jié)構(gòu)，也有利于提高機械手整體的精度。本課題機械手機座部分選擇了電機驅(qū)動，則需要通過傳動機構(gòu)進行減速。經(jīng)分析比較，本課題選擇圓柱齒輪傳動。

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

2.3.1 影響定位精度及平衡的因素? 定位方式、速度、剛度、運動件重量以及驅(qū)動源等因素對機械手整體的平衡以及穩(wěn)定都會產(chǎn)生一定影響。如定位方式選擇機械擋塊定位，其擋塊的強度以及與擋塊碰撞時速度的大小等都有關(guān)聯(lián)。速度對定位精度也有較大影響如，速度過快或過慢都會影響最終精度，所以控制其速度可以適當減小最后的精度誤差。

剛度對機械手整體結(jié)構(gòu)的影響在于如接觸剛度較低，易振動，此時定位精度一般較低。

運動件重量對定位精度的影響在于如運動件重量變大時，定位精度會相應(yīng)減小，機械手整體以及被夾持工件均屬于運動件。合理控制運動件本重量以及機械手工作時被夾持工件重量是必要的。

驅(qū)動源包括液壓、氣壓、電壓、油溫等。驅(qū)動源產(chǎn)生變化時，重復定位精度會隨之產(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)計最終采用的定位方式為機械擋塊定位。

2.3.2 平衡機構(gòu)分類? 彈簧平衡機構(gòu)，活塞推桿平衡機構(gòu)，配重平衡機構(gòu)三類為目前工業(yè)機器人常用的三種平衡機構(gòu)的形式[12]。

彈簧平衡機構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、穩(wěn)定性好等特點，應(yīng)用較為廣泛。

活塞推桿平衡機構(gòu)分為液壓和氣動兩種，兩種均具有較好的阻尼作用，但液壓平衡系統(tǒng)體積較小，氣動平衡系統(tǒng)體積較大?；钊狡胶庀到y(tǒng)復雜，價格較高，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合[13]。

配重平衡機構(gòu)平衡效果一般，但其機構(gòu)簡單，較為穩(wěn)定。

2.3.3 平衡機構(gòu)采用方案? 本課題選擇通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)以保證手臂本身達到平衡。因在設(shè)計機械手手臂結(jié)構(gòu)以及整個機械手設(shè)計和布局的過程中已著重考慮了機械手手臂的平衡問題，為使機械手整體結(jié)構(gòu)簡單，故不采用平衡機構(gòu)。

3? 理性分析計算以及主要參數(shù)確定

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

3.2 液壓傳動系統(tǒng)參數(shù)確定? 液壓傳動系統(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)行元件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。機械手手爪、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 電機選型? 根據(jù)計算結(jié)果，綜合考慮各種因素，通過查閱《機械手冊》，最終本課題選用型號為110BYG550B-SAKRMA-0301的步進電機，此電機轉(zhuǎn)矩較高，振動較低，綜合性能較好。該電機技術(shù)參數(shù)見表5。

4? 數(shù)控車床自動上下料機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 機械手的工作流程

本文機械手工作方式包含四種，經(jīng)歸納整理依次是：復位、自動、手動、半自動，前文已有詳細介紹，四者均有其獨特特征。

復位操作重點面向任務(wù)執(zhí)行前或故障解決后，不但把現(xiàn)下所有工作準確移到原點，而且屬于各部件運動基準。

自動即機械手先獲得生產(chǎn)線指令，再由總控制臺操作下執(zhí)行具體任務(wù)。控制系統(tǒng)保持聯(lián)線情況下，工作開關(guān)必須到達“自動”處，這種情況下，所得指令信號由自動生產(chǎn)線提供。

機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)試階段均依賴手動方式來實現(xiàn)，屬于不可或缺重要方式?！笆謩印蔽幌到y(tǒng)保持離線模式，僅僅接收控制面板下達指令，無法獲得其余信號。機械實際運轉(zhuǎn)前，所有部位均處于原位待命，一旦選擇手動相關(guān)按鍵，就會執(zhí)行對應(yīng)操作，若想停止操作，只需重新選擇一次。此時只能接收急停信號，換言之，其余信號全部無效。

4.2 數(shù)控車床自動上下料機械手操作面板

本課題理想操作面板如圖1所示。工作方式分為手動與自動。

自動：機械手獲得生產(chǎn)線指令后，利用總控制臺開始作業(yè)?；诳刂泼姘逶O(shè)置成開關(guān)在“自動”位情況下，系統(tǒng)保持聯(lián)動模式，僅接收自動生產(chǎn)線指令信號。

手動：具體用在總控制臺發(fā)生故障、進行調(diào)試或其余一些必須手動執(zhí)行情況下。設(shè)置成“手動”位，系統(tǒng)保持離線模式，無法接收自動生產(chǎn)線信號，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，所有電機保持停機后，由控制面板選擇升/降、前/后移、夾/放按鍵，可開始對應(yīng)動作，然后繼續(xù)選擇對應(yīng)按鍵，就能結(jié)束動作。再者，只有急停信號有效，其余信號將全部無效。

5? 結(jié)論

本文針對機械手設(shè)計過程中的關(guān)鍵問題展開研究，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)時間的精準控制問題等。伴隨科技的進一步發(fā)展，機械手技術(shù)的發(fā)展勢必朝更專業(yè)化、復雜化、可重構(gòu)化的角度發(fā)展，表現(xiàn)出更強的靈活性和更多元的控制方式。因此，PLC控制還將有眾多問題亟等解決，整體來講，數(shù)控上下料手臂在機械手開發(fā)中還有著極大的提升空間。

參考文獻：

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