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浅议数控机床上下料机械手设计的流程

作者：李强 王贲

来源：《中国科技纵横》2012年第04期

摘要：沈阳机床有丰富的实际设计经验，对新产品研发、专用机械设备气、液自动化工装夹具、自动化生产线各类模具各刃具、机械各非标机械设计、自动化装备的设计都有较高的设计水平。文章针对数控机床上下料机械手设计的流程进行了阐述和分析。 关键词：数控机床 机械行业 设计流程

全自动机械手是一种可编程的智能型自动化设备，是应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统。它具有一些对外部信息进行反馈的能力，诸如力觉、触觉、视觉等。 全自动机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势，运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

1、发展现状和趋势

目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：(1)机械结构向模块化、可重构化发展；(2)工业机械手控制系统向基于PLC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便；(3)机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展；(4)关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；(5)焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

总的来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器、先进的控制算法、复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。 2、机械手手爪结构设计

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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、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。机械手手爪设计有如下要求：(1)机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑；(2)机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益；(3)机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口(如法兰)，使末端执行器实现标准化。 3、具体设计方案的实施

由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件的重量较大(质量达30KG)，以及机械手的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，通过液压缸的直接驱动，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，而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。

同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的直径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。 4、工艺过程与控制要求

机械手的动作有腰座的旋转、垂直手臂的升降、水平手臂的伸缩及手爪的夹紧与松开。手臂垂直升降和水平伸缩由液压实现驱动；手爪的夹紧与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现；腰座旋转通过步进电动机与齿轮来实现。实现执行手爪夹紧与放松的柱塞缸，由单线圈的电磁阀(夹紧电磁阀)来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，手爪闭合。当机械手旋转到机床上方，并准备下降进行上下料工作时，为了确保安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才允许机械手下降进行作业，同时，从工件料架上抓取工件时，也要先判断料架上有无工件可取。

本设计通过对机械设计制造理论知识及实践进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。机械手采用可编程序控制器控制，可以实行手动调整、手动及自动控制；系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低；PLC有较高的灵活性，当机械手工艺

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流程改变时，只要对I／0点的接线稍作修改，或对I／0重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。 参考文献

[1]胡学林.可编程控制器(基础篇).北京:电子工业出版社,2003． [2]胡学林.可编程控制器(实训篇).北京:电子工业出版社,2004．

[3]孙兵,赵斌,施永康.基于PLC的机械手混合驱动控制.液压与气动.2005,(3):37～39．