浅议数控机床上下料机械手的机械结构设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

我国大多数1 厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大，生产效率低，而且具有-定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业 自动化生产的要求，本文针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计了-台上下料机械手，代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。

2 机械手的结构设计T业机械手的结构形式主要有 4种：直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构。

圆柱坐标机械手的空间运动是用 1个回转运动及 2个直线运动来实现的，其工作空间是圆柱状的。这种机械手构造 比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。图 1为机械手模拟工作布局图，根据实际操作的需要 ，该机械手在工作中需要 3种运动，其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动，另-个为手臂的回转运动，因此其自由度数目为 3。综合考虑，应选择圆柱坐标式机械手，其结构简单，工作范围相对较大，且有较高的精度，能满足设计要求。

1-件运输托柱图 1 机械手模拟工作布局图3 机械手各部件的设计3.1 机械手手爪结构设计手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用手爪等。机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要具有体积孝重量轻、结构紧凑、通用性强等特点，同时要便于安装和维修 ，易于实现计算机控制。

结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式手爪。连杆杠杆式手爪在活塞的推力作用下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧(放松)运动。由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力，其通常与弹簧联合使用。手爪的具体结构形式如140图2 机械手末端执行手爪结构图3.2 机械手手腕结构设计机械手手腕是机械手操作机的最末端，与手爪相连接，它与机械手手臂配合 ，使手爪作空间运动，完成所需要的作业动作。因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。根据作业需要，设计机械手手腕的 自由度。-般情况下，自由度数 目愈多，腕部的灵活性愈高，对作业的适应能力也愈强。但 自由度的增加，必然会使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。因此，手腕的自由度数应根据实际作业要求来确定。

为保证工作时力的传递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。要设有可靠的传动间隙调整机构，以减姓回间隙，提高传动精度。手腕各关节轴转动要有限位开关 ，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。

通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全性和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个 自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕(手臂、手爪连接梁)结构如图3所示。

水 液压缸吏承板图 3 手臂、手爪连接结构3.3 机械手手臂结构设计机械手手臂在工作时要承受-定的载荷，且其运动本身具有-定的速度，其工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度、手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应满足其工作空间要求。同时，为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量；为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手手臂相对其关节回转轴应旧能在重量上平衡；还要旧能使机械手手臂各关节轴相互平行，相互垂直的轴则要旧能相交于-点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。

由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件重量、机械手动态性能及运动的稳定性、安全性和较高的刚度要求，因此选择液压驱动方式。液压驱动方式是利用液压系统进行控制，传动刚度大；可实现连续位置控制。其通过液压缸直接驱动，液压缸既是驱动元件 ，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件。液压缸可实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。因控制和具体工作的要求，机械手手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的直径来提高刚度，是不能满足系统刚度要求的。所以，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了2个导杆，与活塞杆-起构成等边三角形的截面形式，尽量提高其刚度；大臂增设了 4个导杆，呈正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。增设导杆能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，较好地解决了结构稳定性的问题。

3.4 机械手的机械传动机构设计由于传动部件直接影响着机械手的精度、稳定性和快速响应能力，因此，在设计机械手的传动机构时要力求结构紧凑、重量轻、体积小，以提高机械手的运动速度及控制精度。同时在传动链及运动副中采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差，还要考虑尽量消除爬行现象，增加系统寿命；尽量缩短传动链，提高传动与支承刚度；选用最佳传动比、适当的阻尼比。

常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、链传动、同步带传动等。因为选用了液压缸作为机械手的手臂，它既是关节结构，又是动力单元，因此不需要中间传动机构，既简化了结构，又提高了精度。其腰座的回转采用步进电动机驱动，而电动机不能作为直接驱动元件，因此为取得较大的转矩，经分snejt yu enx 主坌堑雾 -析比较 ，选择圆柱齿轮传动。为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差 ，同时大大增大扭矩，以大幅降低电机转速，使机械手的运动平稳，动态性能好，这里只使用-级齿轮传动，采用大的传动 比，齿轮采用高强度、高硬度的材料 ，高精度加工制造。

3.5 机械手手臂的平衡机构设计关节机械手手臂-般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，缩短启动时间。弹簧平衡机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，应用广泛。本机械手采用圆柱坐标式结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构 ，使得手臂本身旧能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满意，则设置弹簧平衡机构进行平衡。

4 结语总之，机械手的机械结构是机械手的重要构成部分，它决定着机械手的工作性能、用途以及经济性，因此机械手机械结构的合理设计对于最大限度发挥机械手的工作效能有着重要意义。