機械手設(shè)計作為上下料開工過程中關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一，與數(shù)控機床的運轉(zhuǎn)效率及運行質(zhì)量均密切相關(guān)，因此設(shè)計數(shù)控機床上下料機械手過程中，應(yīng)當對機械結(jié)構(gòu)的運行特點充分掌握，設(shè)計好上下料機械手機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程，在機床運行中可以保證每一個機械結(jié)構(gòu)的緊湊性、合適性[1]。上下料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計作為實現(xiàn)數(shù)控機床模塊化、智能化、科學化運行的重要前提，可以綜合分析相關(guān)數(shù)據(jù)，并且機械手作為現(xiàn)代化操作方式之一，通過PC機終端控制機械操作運維的具體方向，能夠?qū)��?shù)控機床的整體效率、水平有效提升[2]。不僅如此機械手還擁有功能集成性，通過加強系統(tǒng)性能管控達到最優(yōu)化。除此之外也可以整合有關(guān)數(shù)據(jù)，對數(shù)控機床實現(xiàn)標準化網(wǎng)絡(luò)化控制，在整體機械設(shè)備中數(shù)控機床的上下料機械手操控傳感器十分關(guān)鍵，能夠在數(shù)控機床運行中不斷優(yōu)化速度參數(shù)，并且在裝配焊接中集中處理管控，大大提升了設(shè)備仿真最終效果，也優(yōu)化了機械結(jié)構(gòu)運行效果[3]。本文對數(shù)控機床上下料機械手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計展開研究，對提高數(shù)控機床的機械化水平具有現(xiàn)實意義。

　　1數(shù)控機床上下料機械手現(xiàn)狀

　　我國目前在有關(guān)數(shù)控機床機械手領(lǐng)域的相關(guān)研究中，側(cè)重于對機械手動態(tài)特征的綜合分析管控，深度解析了機械模型的整體運維機制，可以在提升工作效率的同時優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)運行水平。首先，數(shù)控機床的上下料機械手，作為機床項目重構(gòu)、模塊化技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)，能夠?qū)�綜合處理相關(guān)數(shù)據(jù)信息[4];其次上下料機械手可以通過PC(個人計算機)端遠程控制機械結(jié)構(gòu)的開放型控制運維方向，從而降低操作難度但又提高了操作水平。再加上與現(xiàn)代社會網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢下，結(jié)合標準化、網(wǎng)絡(luò)化態(tài)勢，基于較強集成度能夠?qū)崿F(xiàn)了最優(yōu)化系統(tǒng)安全性能。最后在上下料機械手設(shè)備中，具有較大的傳感器設(shè)備優(yōu)勢，可以升級數(shù)控機床的傳感器及速度參數(shù)，尤其對于轉(zhuǎn)配、焊接方向可以實現(xiàn)綜合管控，很大程度優(yōu)化了數(shù)控機床的動態(tài)化仿真特效性能[5]。

　　2設(shè)計數(shù)控機床上下料機械手項目優(yōu)勢

　　在實際應(yīng)用中，技術(shù)人員需要與具體管控模型和項目需求相結(jié)合做到集中控制，因為數(shù)控機床擁有很大的技術(shù)優(yōu)勢，在項目實施中可以很大程度提升工作效率，加快機械手項目的整體工作進度，保障設(shè)備的較強負載力。除此之外也基于技術(shù)特征，在數(shù)控機床實際運行中所受較強負載力，相應(yīng)的也就減少了數(shù)控機床的系統(tǒng)故障率[6]。在處理實際工程項目中，需要與實際需求相結(jié)合，構(gòu)建完善系統(tǒng)化管控參數(shù)，確保在實施過程中能夠與項目工程安全相貼合，保證每一道項目工序的完整性，切換應(yīng)用結(jié)構(gòu)動態(tài)化處理，維護工程項目的實際運行效率。技術(shù)人員在操控數(shù)控機床設(shè)備時，通過時效性管理建議可以推進整個機械項目管控操作中，保證真實有效的技術(shù)結(jié)構(gòu)。在使用機械智能化設(shè)備中，更需要有關(guān)部門運行推送機制對整體運維流程切實維護，來保障實際服務(wù)結(jié)構(gòu)參數(shù)間的契合度。

　　3上下料機械手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　3.1手爪設(shè)計

　　手爪是用于對工件進行抓取，保證夾持力度，根據(jù)工件需要抓取的位置和特征，一般分為三指手爪和兩指手爪，分別應(yīng)用于盤類和軸類零件的抓取，對于異形件或者箱體件則可以設(shè)計專用手爪。在手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計中，手爪作為作業(yè)操作的主要裝置，包括諸多種類以差異化操作作業(yè)為依據(jù)，包括了搬運手爪、加工手爪、測量手爪等[7]。機械手爪需要將機械作業(yè)為依據(jù)完成設(shè)計，應(yīng)當在滿足機械作業(yè)基礎(chǔ)之上，充分發(fā)揮手爪的小體積、輕質(zhì)量、緊湊型結(jié)構(gòu)、較強通用性這一特點，方便安裝維修及遠程PC端控制。根據(jù)加工工藝要求，手爪手指的行程設(shè)計也需要注意兼顧毛坯和成品的抓取，水平上料時還需要考慮是否需要應(yīng)用彈料機構(gòu)。與實際工況相結(jié)合，工件為軸類件，本次設(shè)計采用了氣動抓手，手指部分應(yīng)用聚氨酯材料，增加摩擦力的同時能很好地保持工件的表面質(zhì)量。手指的V形塊也可以對工件進行自定心，保證上料時精度一致性。

　　3.2手腕設(shè)計

　　在機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計中手腕作為操作機末端設(shè)備，連接手爪配合機械手手臂，能夠保證手爪相連，配合機械手手臂完成所需作業(yè)空間。所以在設(shè)計手腕時需要盡可能保證結(jié)構(gòu)組件的輕盈緊湊，與機械結(jié)構(gòu)作業(yè)所需相結(jié)合，合理設(shè)計手腕結(jié)構(gòu)自由度[8]。手腕部分聯(lián)接兩個爪手分別用于下料和上料，可以在換料過程中節(jié)省換料時間。手腕設(shè)立有緩沖機構(gòu)，設(shè)計硬限位，能夠有效預(yù)防超限所致機械損壞。分析上下料作業(yè)時，對數(shù)控機床的加工形式充分考慮，在滿足系統(tǒng)設(shè)計工藝需求的基礎(chǔ)之上，提升整體安全可靠性，不斷降低機械手的結(jié)構(gòu)控制難度，簡化機械結(jié)構(gòu)在不增加自由度基礎(chǔ)上，根據(jù)這3個自由度即可實現(xiàn)充足的機床上下料。本次設(shè)計采用了氣缸帶動活塞桿圍繞旋轉(zhuǎn)軸，將直線運動轉(zhuǎn)化成直角運動，完成抓手水平與豎直的翻轉(zhuǎn)。

　　3.3提升和橫移部分設(shè)計

　　為了達到一定的載荷承受標準，再加上自身運動中因為存在一定速度，機械結(jié)構(gòu)尺寸和形狀，密切相關(guān)機械手工作范圍，所以在設(shè)計提升與橫移機構(gòu)尺寸時需要滿足工作空間需求。并且為了對機械手的運動控制精度、速度充分提升，還需要在確保機械手達到充足剛度、強度條件下，通過材料、結(jié)構(gòu)等方面盡可能減輕手臂重量。因為手臂機械結(jié)構(gòu)在實際運動中作為直線運動，有一定的搬運質(zhì)量，運動安全穩(wěn)定性與機械手的運動性能及剛度要求較高，所以本文設(shè)計選擇了鋁型材作為提升機構(gòu)主體，方鋼型材作為橫移部分的結(jié)構(gòu)主體，提升和橫移部分均采用直線導(dǎo)軌作為直線運動副。

　　3.4傳動部分設(shè)計

　　因為傳動部件對機械手穩(wěn)定性、精度及快速向應(yīng)力有必然聯(lián)系，在機械傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，嚴格控制結(jié)構(gòu)體積保證緊湊度，從而提升機械手結(jié)構(gòu)的控制精度、運動速度。在設(shè)計傳動副和傳動鏈時需要考慮運用間隙調(diào)整機構(gòu)，減小反向空間所致運動誤差，還要盡量消除傳動爬行情況，來延長系統(tǒng)的使用期限，盡可能縮減傳動鏈，最優(yōu)化傳動比，保證傳動組件適當阻尼比。目前在機械手機械結(jié)構(gòu)傳動設(shè)計中，以齒輪、齒條、同步帶比較常用。本文設(shè)計采用齒輪齒條傳動形式，現(xiàn)以提升部分的傳動機構(gòu)為例，進行設(shè)計計算及校核。技術(shù)指標有：提升軸移動部件重量W=50kg，快移速度v=120m/min、加速時間0.1s，加速度a=20m/s2;提升軸為豎直使用。3.4.1預(yù)選電機。預(yù)選電機的功率為1.3kW，額定扭矩8.34N·m，最大扭矩23.3N·m，額定轉(zhuǎn)速n額定為1500r/min，最高轉(zhuǎn)速n最高為3000r/min，轉(zhuǎn)動慣量為22×10-4kg·m2。3.4.2預(yù)選減速機。減速比i為3，轉(zhuǎn)動慣量J1為0.61×10-4kg·m2，額定輸出扭矩為130N·m，η=97%。3.4.3預(yù)選齒輪齒條。斜齒m=2，Z=25，β=19°31′42″，D0=mz/cosβ，齒條配合最大扭矩T2tabelle為477N·m。3.4.5慣量校核(1)傳動部分折算到齒輪軸上的轉(zhuǎn)動慣量J=W×(D0/2)2/g=0.0352kg·m2。(2)傳動部分折算電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量。其中：J系統(tǒng)=J/i2=39.13×10-4kg·m2;J減速機=0.61×10-4kg·m2;J齒輪=MD2×10-6/8/i2=0.47×10-4kg·m2;則J總=J系統(tǒng)+J減速機+J齒輪=40.21×10-4kg·m2。電機轉(zhuǎn)動慣量J電機=22×10-4kg·m2，轉(zhuǎn)動慣量比J總/J電機=1.828，所以減速機i=3即可滿足要求。3.4.6力矩校核。加速力矩Ta=J總×n×2π/60T=4.55N·m摩擦力Ff=μF+S(n)F=Gtg20°+4×0.05C=21.33N。其中，F(xiàn)包括齒輪分力對導(dǎo)軌產(chǎn)生的力Gtg20°，滑塊預(yù)緊力4×0.05C，導(dǎo)軌摩擦因數(shù)0.04，S為刮油片阻力×4(n)。摩擦力矩Tf=Ff×R/i/η=0.236N·m，(η為效率，一般采用80%)。重力矩TG=W×10×R/i/η=5.53N·m。啟動力矩TM=Ta+Tf+TG=10.316N·mT2erf，滿足設(shè)計要求。齒輪最大轉(zhuǎn)速n=v×1000/(π×D0)=720r/min，電機需要最大轉(zhuǎn)速N=n×i=2160r/min

　　4機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

　　也正因數(shù)控機床實際運行中，擁有多元化運維技術(shù)特點，所以在很大程度上確保了機床機械手擁有豐富類型，在實際操作中有關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當做好前期調(diào)查工作，收集整理有關(guān)運維特點的相關(guān)信息，避免發(fā)生不必要的問題。在參數(shù)模型構(gòu)建過程中，有關(guān)技術(shù)人員還需要注意與機械手的不同類差異化特點相結(jié)合，做到不同的機械手元件可以構(gòu)建差異化模型，使模型充分發(fā)揮作用。在整體設(shè)計前務(wù)必要考慮安全性，在人為操作區(qū)設(shè)置防護圍欄，電纜氣管等纜線可根據(jù)實際情況分布在上方或埋于走線槽下，有電氣柜或電纜經(jīng)過的地方需要貼電氣安全標牌，在持續(xù)運轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機械附近需要貼安全警示標牌，結(jié)構(gòu)設(shè)計時要給安全標牌和防護留好充足的空間，在行程極限位置需設(shè)計硬限位。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還要充分考慮到數(shù)控機床開門尺寸是否滿足機械手的進出，內(nèi)部空間是否滿足機械手腕部的旋轉(zhuǎn)等。在實際應(yīng)用過程中往往不能一次裝夾完成加工，還需要參考加工工藝考慮是否需要增加翻轉(zhuǎn)機構(gòu)來進行工件的翻面。在設(shè)計數(shù)控機床機械手結(jié)構(gòu)中，技術(shù)人員還應(yīng)當結(jié)合實際需求，強化設(shè)計流程完整性，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點總結(jié)如下。

　　4.1動態(tài)結(jié)構(gòu)

　　在設(shè)計機械手動態(tài)結(jié)構(gòu)中，應(yīng)當始終嚴格遵循機械結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，采用正確的結(jié)構(gòu)施工方式，集中處理動態(tài)化模型與設(shè)計流程，這樣能夠滿足技術(shù)管控需求，保證手爪機械結(jié)構(gòu)之間的獨立性，在此基礎(chǔ)上還可以彼此合作，保證機械結(jié)構(gòu)的具體操作符合標準。在設(shè)計上下料機械手的機械結(jié)構(gòu)時，還應(yīng)當基于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的項目可正常運行為前提，結(jié)合設(shè)計過程為優(yōu)化工作職能提供更充分的數(shù)據(jù)信息支持。在機械手機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，還需要進一步細化每一步設(shè)計要求，保證選擇相適應(yīng)的機械接口，并詳細分析機械結(jié)構(gòu)在運行過程中的具體特征，確保其設(shè)備運行高效和運行質(zhì)量。首先需要通過搬用式手爪設(shè)計，做到項目運行對工件抓取過程中避免受到各方限制、及時搬運物體，所以實際操作可行性較大。然后要不斷提升整體運維效果，結(jié)合機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程，實現(xiàn)動態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計，全面提升整體工作質(zhì)量及效率。

　　4.2方案應(yīng)用

　　本次設(shè)計主要是為了解決傳統(tǒng)數(shù)控機床生產(chǎn)線中，工件裝卸的工作多數(shù)情況下是人工完成的，勞動強度較大、生產(chǎn)效率有限、還存在一定的技術(shù)危險性。因此，為確保本次設(shè)計方案的自動化、智能化，提升整體機械結(jié)構(gòu)操作效率，減小成本投入，發(fā)展生產(chǎn)線為柔性制造系統(tǒng)，順應(yīng)目前現(xiàn)代化機械行業(yè)的自動化生產(chǎn)所需。在本文對數(shù)控機床上下料機械手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不僅應(yīng)擁有完善設(shè)計流程，還要在此基礎(chǔ)上滿足基本結(jié)構(gòu)的實際運行需求。一般情況下基本結(jié)構(gòu)是直線式手臂結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)剛性較強，在實際運行中對安全穩(wěn)定性的要求更高。本文將機械手與數(shù)控機床集成于一體，縮小了占地面積。

　　5結(jié)束語

　　在設(shè)計數(shù)控機床機械手結(jié)構(gòu)過程中，數(shù)控機床的運行范圍同樣有所改變，本文設(shè)計了手爪、手腕、提升和橫移、傳動，并總結(jié)了結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的要點，真正提高了機械結(jié)構(gòu)操作質(zhì)量與效率，降低技術(shù)操作難度，發(fā)揮機械手結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢及效用，保障整體安機械結(jié)構(gòu)安全性。

　　《試論數(shù)控機床上下料機械手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計》來源：《設(shè)備管理與維修》，作者:張文甲