数控机床上下料机械手结构设计探析

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摘要：近年来我国科技水平的不断提升，自动化已经作为取代人力作为行业发展的主要方向，我国制造业呈现出迅速发展态势，急需优化自动化相关机械结构从而提升生产效率。分析数控机床上下料机械手的项目优势，从手爪、手腕、提升和横移、传动等方面完成机械结构设计，总结数控机床上下料机械手机械结构在设计中的要点，为有关技术人员提供借鉴。

关键词：数控机床；上下料机械手；机械结构

0引言

机械手设计作为上下料开工过程中关键技术环节之一，与数控机床的运转效率及运行质量均密切相关，因此设计数控机床上下料机械手过程中，应当对机械结构的运行特点充分掌握，设计好上下料机械手机械结构的设计流程，在机床运行中可以保证每一个机械结构的紧凑性、合适性[1]。上下料机械手结构设计作为实现数控机床模块化、智能化、科学化运行的重要前提，可以综合分析相关数据，并且机械手作为现代化操作方式之一，通过PC机终端控制机械操作运维的具体方向，能够对数控机床的整体效率、水平有效提升[2]。不仅如此机械手还拥有功能集成性，通过加强系统性能管控达到最优化。除此之外也可以整合有关数据，对数控机床实现标准化网络化控制，在整体机械设备中数控机床的上下料机械手操控传感器十分关键，能够在数控机床运行中不断优化速度参数，并且在装配焊接中集中处理管控，大大提升了设备仿真最终效果，也优化了机械结构运行效果[3]。本文对数控机床上下料机械手的机械结构设计展开研究，对提高数控机床的机械化水平具有现实意义。

1数控机床上下料机械手现状

我国目前在有关数控机床机械手领域的相关研究中，侧重于对机械手动态特征的综合分析管控，深度解析了机械模型的整体运维机制，可以在提升工作效率的同时优化机械结构运行水平。首先，数控机床的上下料机械手，作为机床项目重构、模块化技术发展基础，能够对综合处理相关数据信息[4]；其次上下料机械手可以通过PC（个人计算机）端远程控制机械结构的开放型控制运维方向，从而降低操作难度但又提高了操作水平。再加上与现代社会网络化发展趋势下，结合标准化、网络化态势，基于较强集成度能够实现了最优化系统安全性能。最后在上下料机械手设备中，具有较大的传感器设备优势，可以升级数控机床的传感器及速度参数，尤其对于转配、焊接方向可以实现综合管控，很大程度优化了数控机床的动态化仿真特效性能[5]。

2设计数控机床上下料机械手项目优势

在实际应用中，技术人员需要与具体管控模型和项目需求相结合做到集中控制，因为数控机床拥有很大的技术优势，在项目实施中可以很大程度提升工作效率，加快机械手项目的整体工作进度，保障设备的较强负载力。除此之外也基于技术特征，在数控机床实际运行中所受较强负载力，相应的也就减少了数控机床的系统故障率[6]。在处理实际工程项目中，需要与实际需求相结合，构建完善系统化管控参数，确保在实施过程中能够与项目工程安全相贴合，保证每一道项目工序的完整性，切换应用结构动态化处理，维护工程项目的实际运行效率。技术人员在操控数控机床设备时，通过时效性管理建议可以推进整个机械项目管控操作中，保证真实有效的技术结构。在使用机械智能化设备中，更需要有关部门运行推送机制对整体运维流程切实维护，来保障实际服务结构参数间的契合度。

3上下料机械手的机械结构设计

3.1手爪设计

手爪是用于对工件进行抓取，保证夹持力度，根据工件需要抓取的位置和特征，一般分为三指手爪和两指手爪，分别应用于盘类和轴类零件的抓取，对于异形件或者箱体件则可以设计专用手爪。在手爪结构设计中，手爪作为作业操作的主要装置，包括诸多种类以差异化操作作业为依据，包括了搬运手爪、加工手爪、测量手爪等[7]。机械手爪需要将机械作业为依据完成设计，应当在满足机械作业基础之上，充分发挥手爪的小体积、轻质量、紧凑型结构、较强通用性这一特点，方便安装维修及远程PC端控制。根据加工工艺要求，手爪手指的行程设计也需要注意兼顾毛坯和成品的抓取，水平上料时还需要考虑是否需要应用弹料机构。与实际工况相结合，工件为轴类件，本次设计采用了气动抓手，手指部分应用聚氨酯材料，增加摩擦力的同时能很好地保持工件的表面质量。手指的V形块也可以对工件进行自定心，保证上料时精度一致性。

3.2手腕设计

在机械手结构设计中手腕作为操作机末端设备，连接手爪配合机械手手臂，能够保证手爪相连，配合机械手手臂完成所需作业空间。所以在设计手腕时需要尽可能保证结构组件的轻盈紧凑，与机械结构作业所需相结合，合理设计手腕结构自由度[8]。手腕部分联接两个爪手分别用于下料和上料，可以在换料过程中节省换料时间。手腕设立有缓冲机构，设计硬限位，能够有效预防超限所致机械损坏。分析上下料作业时，对数控机床的加工形式充分考虑，在满足系统设计工艺需求的基础之上，提升整体安全可靠性，不断降低机械手的结构控制难度，简化机械结构在不增加自由度基础上，根据这3个自由度即可实现充足的机床上下料。本次设计采用了气缸带动活塞杆围绕旋转轴，将直线运动转化成直角运动，完成抓手水平与竖直的翻转。

3.3提升和横移部分设计

为了达到一定的载荷承受标准，再加上自身运动中因为存在一定速度，机械结构尺寸和形状，密切相关机械手工作范围，所以在设计提升与横移机构尺寸时需要满足工作空间需求。并且为了对机械手的运动控制精度、速度充分提升，还需要在确保机械手达到充足刚度、强度条件下，通过材料、结构等方面尽可能减轻手臂重量。因为手臂机械结构在实际运动中作为直线运动，有一定的搬运质量，运动安全稳定性与机械手的运动性能及刚度要求较高，所以本文设计选择了铝型材作为提升机构主体，方钢型材作为横移部分的结构主体，提升和横移部分均采用直线导轨作为直线运动副。

3.4传动部分设计

因为传动部件对机械手稳定性、精度及快速向应力有必然联系，在机械传动结构设计过程中，严格控制结构体积保证紧凑度，从而提升机械手结构的控制精度、运动速度。在设计传动副和传动链时需要考虑运用间隙调整机构，减小反向空间所致运动误差，还要尽量消除传动爬行情况，来延长系统的使用期限，尽可能缩减传动链，最优化传动比，保证传动组件适当阻尼比。目前在机械手机械结构传动设计中，以齿轮、齿条、同步带比较常用。本文设计采用齿轮齿条传动形式，现以提升部分的传动机构为例，进行设计计算及校核。技术指标有：提升轴移动部件重量W=50kg，快移速度v=120m/min、加速时间0.1s，加速度a=20m/s2；提升轴为竖直使用。3.4.1预选电机。预选电机的功率为1.3kW，额定扭矩8.34N·m，最大扭矩23.3N·m，额定转速n额定为1500r/min，最高转速n最高为3000r/min，转动惯量为22×10-4kg·m2。3.4.2预选减速机。减速比i为3，转动惯量J1为0.61×10-4kg·m2，额定输出扭矩为130N·m，η=97%。3.4.3预选齿轮齿条。斜齿m=2，Z=25，β=19°31′42″，D0=mz/cosβ，齿条配合最大扭矩T2tabelle为477N·m。3.4.5惯量校核（1）传动部分折算到齿轮轴上的转动惯量J=W×（D0/2）2/g=0.0352kg·m2。（2）传动部分折算电机轴上的转动惯量。其中：J系统=J/i2=39.13×10-4kg·m2；J减速机=0.61×10-4kg·m2；J齿轮=MD2×10-6/8/i2=0.47×10-4kg·m2；则J总=J系统+J减速机+J齿轮=40.21×10-4kg·m2。电机转动惯量J电机=22×10-4kg·m2，转动惯量比J总/J电机=1.828，所以减速机i=3即可满足要求。3.4.6力矩校核。加速力矩Ta=J总×n×2π/60T=4.55N·m摩擦力Ff=μF+S（n）F=Gtg20°+4×0.05C=21.33N。其中，F包括齿轮分力对导轨产生的力Gtg20°，滑块预紧力4×0.05C，导轨摩擦因数0.04，S为刮油片阻力×4（n）。摩擦力矩Tf=Ff×R/i/η=0.236N·m，（η为效率，一般采用80%）。重力矩TG=W×10×R/i/η=5.53N·m。启动力矩TM=Ta+Tf+TG=10.316N·m＜T电机最大扭矩=23.3N·m。快速力矩T=Tf+TG=5.766N·m＜T电机额定扭矩=8.34N·m。静态扭矩T静=TG-Tf=5.306N·m＜0.7×T电机额定扭矩=16.31N·m。因此，静态下载荷扭矩未超出静态扭矩的70%，电机不会明显发热，选择是合理的。减速机和电机通过校核选择也是合理的。3.4.7齿轮齿条校核。齿轮所需切向力Fu=m×g+m×a=1500N，齿轮所需提升扭矩T2erf=Fu×D0/2000=39.81N·m，则理论计算齿轮所需提升力矩T2zul=T2tabelle/（KA×SB×fn）=265N·m（负载系数KA=2，安全系数SB=1.2，fn=1）。因为T2zul>T2erf，满足设计要求。齿轮最大转速n=v×1000/（π×D0）=720r/min，电机需要最大转速N=n×i=2160r/min<n最高=3000r/min，所以电机转速也满足设计需求。

4机械结构设计要点

也正因数控机床实际运行中，拥有多元化运维技术特点，所以在很大程度上确保了机床机械手拥有丰富类型，在实际操作中有关技术人员应当做好前期调查工作，收集整理有关运维特点的相关信息，避免发生不必要的问题。在参数模型构建过程中，有关技术人员还需要注意与机械手的不同类差异化特点相结合，做到不同的机械手元件可以构建差异化模型，使模型充分发挥作用。在整体设计前务必要考虑安全性，在人为操作区设置防护围栏，电缆气管等缆线可根据实际情况分布在上方或埋于走线槽下，有电气柜或电缆经过的地方需要贴电气安全标牌，在持续运转的旋转机械附近需要贴安全警示标牌，结构设计时要给安全标牌和防护留好充足的空间，在行程极限位置需设计硬限位。在结构设计过程中还要充分考虑到数控机床开门尺寸是否满足机械手的进出，内部空间是否满足机械手腕部的旋转等。在实际应用过程中往往不能一次装夹完成加工，还需要参考加工工艺考虑是否需要增加翻转机构来进行工件的翻面。在设计数控机床机械手结构中，技术人员还应当结合实际需求，强化设计流程完整性，机械结构的设计要点总结如下。

4.1动态结构

在设计机械手动态结构中，应当始终严格遵循机械结构设计原则，采用正确的结构施工方式，集中处理动态化模型与设计流程，这样能够满足技术管控需求，保证手爪机械结构之间的独立性，在此基础上还可以彼此合作，保证机械结构的具体操作符合标准。在设计上下料机械手的机械结构时，还应当基于机械结构设计的项目可正常运行为前提，结合设计过程为优化工作职能提供更充分的数据信息支持。在机械手机械结构的设计过程中，还需要进一步细化每一步设计要求，保证选择相适应的机械接口，并详细分析机械结构在运行过程中的具体特征，确保其设备运行高效和运行质量。首先需要通过搬用式手爪设计，做到项目运行对工件抓取过程中避免受到各方限制、及时搬运物体，所以实际操作可行性较大。然后要不断提升整体运维效果，结合机械结构的设计流程，实现动态结构设计，全面提升整体工作质量及效率。

4.2方案应用

本次设计主要是为了解决传统数控机床生产线中，工件装卸的工作多数情况下是人工完成的，劳动强度较大、生产效率有限、还存在一定的技术危险性。因此，为确保本次设计方案的自动化、智能化，提升整体机械结构操作效率，减小成本投入，发展生产线为柔性制造系统，顺应目前现代化机械行业的自动化生产所需。在本文对数控机床上下料机械手的机械结构设计中，不仅应拥有完善设计流程，还要在此基础上满足基本结构的实际运行需求。一般情况下基本结构是直线式手臂结构，这种结构刚性较强，在实际运行中对安全稳定性的要求更高。本文将机械手与数控机床集成于一体，缩小了占地面积。

5结束语

在设计数控机床机械手结构过程中，数控机床的运行范围同样有所改变，本文设计了手爪、手腕、提升和横移、传动，并总结了结构设计过程中的要点，真正提高了机械结构操作质量与效率，降低技术操作难度，发挥机械手结构的技术优势及效用，保障整体安机械结构安全性。

作者:张文甲 单位:沈阳机床（集团）有限责任公司设计研究院