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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.