數(shù)控車床自動上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
2022-7-4 來源： 博格華納燃油系統(tǒng)（煙臺）有限公司 作者：潘寧 PAN Ning
摘要：本課題針對于數(shù)控車床而設(shè)計了結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)型的自動上下料機(jī)械手，通過對機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和計算。同時對機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，主要包括機(jī)械手的機(jī)身機(jī)座，機(jī)械手手臂，機(jī)械手手爪等部分。并分析了數(shù)控車床自動上下料機(jī)械手的操作流程，主要采用液壓缸、步進(jìn)電機(jī)等元件實現(xiàn)機(jī)械手的運動部分。
關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；機(jī)械手；傳動機(jī)構(gòu)；液壓系統(tǒng)；驅(qū)動系統(tǒng)
1、數(shù)控車床自動上下料機(jī)械手的設(shè)計方案
1.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計
工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要包括直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人、關(guān)節(jié)型坐標(biāo)機(jī)器人四種。其對應(yīng)的特點如表 1。
表 1 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)類型
1.2 數(shù)控車床自動上下料機(jī)械手手部設(shè)計
1.2.1 機(jī)械手手部的設(shè)計要求 本課題機(jī)械手手爪開閉范圍需夠大。在機(jī)械手工作時，其中一個手爪張開夾緊角度的最大變化量為開閉范圍。手爪開閉范圍的要求與工件的形狀以及尺寸等因素都有關(guān)聯(lián)。通常情況下，機(jī)械手手爪的開閉范圍越大越好。
1.2.2 手爪結(jié)構(gòu)的采用方案 結(jié)合具體的工作要求，綜上所述，本課題采用的是齒輪齒條式。通過活塞往返帶動齒條完成手爪張開或夾緊的動作。
1.3 數(shù)控車床自動上下料機(jī)械手腕部設(shè)計
機(jī)械手手腕主要功能是可以使被夾持工件的方位產(chǎn)生變化，此時機(jī)械手手腕需做回轉(zhuǎn)運動，即只存在一個回轉(zhuǎn)自由度。結(jié)合本課題，本設(shè)計手腕不加自由度以便于機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單。
1.4 數(shù)控車床自動上下料機(jī)械手手臂設(shè)計
考慮到操縱器在工作中的穩(wěn)定性和安全性，將兩個平行的導(dǎo)向桿添加到該對象的水平框架中，使其與運動活塞桿截面形成等腰三角形結(jié)構(gòu)，以保證其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定牢靠。垂直手臂添加四個導(dǎo)桿其截面為正四邊形，每個導(dǎo)桿
都選用空心結(jié)構(gòu)以保證機(jī)械手整體重量。添加此導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)主要原因是可以保證機(jī)械手整體穩(wěn)定。
2、數(shù)控車床自動上下料機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計
2.1 驅(qū)動系統(tǒng)采用方案
具體到本設(shè)計，綜合考慮以上因素，本課題機(jī)械手機(jī)座為回轉(zhuǎn)運動，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動最優(yōu)，機(jī)械手水平手臂和垂直手臂選用液壓驅(qū)動最優(yōu)。
2.2 數(shù)控車床自動上下料機(jī)械手傳動設(shè)計
本課題中機(jī)械手手臂運動均采用液壓驅(qū)動。故該部分不采用傳動結(jié)構(gòu)，即簡化了機(jī)械手結(jié)構(gòu)，也有利于提高機(jī)械手整體的精度。本課題機(jī)械手機(jī)座部分選擇了電機(jī)驅(qū)動，則需要通過傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速。經(jīng)分析比較，本課題選
擇圓柱齒輪傳動。
2.3 數(shù)控車床自動上下料機(jī)械手定位與穩(wěn)定性設(shè)計
2.3.1 影響定位精度及平衡的因素 定位方式、速度、剛度、運動件重量以及驅(qū)動源等因素對機(jī)械手整體的平衡以及穩(wěn)定都會產(chǎn)生一定影響。如定位方式選擇機(jī)械擋塊定位，其擋塊的強(qiáng)度以及與擋塊碰撞時速度的大小等都有關(guān)聯(lián)。速度對定位精度也有較大影響如，速度過快或過慢都會影響最終精度，所以控制其速度可以適當(dāng)減小最后的精度誤差。
剛度對機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的影響在于如接觸剛度較低，易振動，此時定位精度一般較低。
運動件重量對定位精度的影響在于如運動件重量變大時，定位精度會相應(yīng)減小，機(jī)械手整體以及被夾持工件均屬于運動件。合理控制運動件本重量以及機(jī)械手工作時被夾持工件重量是必要的。
驅(qū)動源包括液壓、氣壓、電壓、油溫等。驅(qū)動源產(chǎn)生變化時，重復(fù)定位精度會隨之產(chǎn)生變化。所以穩(wěn)壓及控制油溫是重要的。結(jié)合上述因素，本設(shè)計最終采用的定位方式為機(jī)械擋塊定位。
2.3.2 平衡機(jī)構(gòu)分類 彈簧平衡機(jī)構(gòu)，活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)，配重平衡機(jī)構(gòu)三類為目前工業(yè)機(jī)器人常用的三種平衡機(jī)構(gòu)的形式。
彈簧平衡機(jī)構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、穩(wěn)定性好等特點，應(yīng)用較為廣泛。
活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)分為液壓和氣動兩種，兩種均具有較好的阻尼作用，但液壓平衡系統(tǒng)體積較小，氣動平衡系統(tǒng)體積較大。活塞式平衡系統(tǒng)復(fù)雜，價格較高，裝卸及維修難度也較高，但是平衡效果較好。一般用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。
配重平衡機(jī)構(gòu)平衡效果一般，但其機(jī)構(gòu)簡單，較為穩(wěn)定。
2.3.3 平衡機(jī)構(gòu)采用方案 本課題選擇通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)以保證手臂本身達(dá)到平衡。因在設(shè)計機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)以及整個機(jī)械手設(shè)計和布局的過程中已著重考慮了機(jī)械手手臂的平衡問題，為使機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)簡單，故不采用
平衡機(jī)構(gòu)。
3、理性分析計算以及主要參數(shù)確定
3.1 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計 本課題的液壓系統(tǒng)選擇定量泵供油，為了保證液壓油無雜質(zhì)摻進(jìn)，選擇在油泵入口添加粗過濾器，在其的出口安裝精過濾器凈化。本課題的液壓傳動系統(tǒng)，其中包括垂直手臂的升降，水平手臂的伸縮，以及機(jī)械手手爪的張開閉合三個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
3.2 液壓傳動系統(tǒng)參數(shù)確定 液壓傳動系統(tǒng)的參數(shù)包括壓力和流量。壓力取決于外載荷，流量決定于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。機(jī)械手手爪、水平手臂、垂直手臂液壓缸參數(shù)見表 2、表 3 以及表 4。
3.3 電機(jī)選型 根據(jù)計算結(jié)果，綜合考慮各種因素，通過查閱 《機(jī)械手冊》， 最終本課題選用型號為110BYG550B-SAKRMA-0301 的步進(jìn)電機(jī)，此電機(jī)轉(zhuǎn)矩較高，振動較低，綜合性能較好。該電機(jī)技術(shù)參數(shù)見表 5。
表 5 電機(jī)技術(shù)參數(shù)
4、數(shù)控車床自動上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計
4.1 機(jī)械手的工作流程
本文機(jī)械手工作方式包含四種，經(jīng)歸納整理依次是：復(fù)位、自動、手動、半自動，前文已有詳細(xì)介紹，四者均有其獨特特征。
復(fù)位操作重點面向任務(wù)執(zhí)行前或故障解決后，不但把現(xiàn)下所有工作準(zhǔn)確移到原點，而且屬于各部件運動基準(zhǔn)。自動即機(jī)械手先獲得生產(chǎn)線指令，再由總控制臺操作下執(zhí)行具體任務(wù)。控制系統(tǒng)保持聯(lián)線情況下，工作開關(guān)必須到達(dá)“自動”處，這種情況下，所得指令信號由自動生產(chǎn)線提供。
機(jī)械操作階段不可避免因某方面情況造成故障發(fā)生，或調(diào)試階段均依賴手動方式來實現(xiàn)，屬于不可或缺重要方式。“手動”位系統(tǒng)保持離線模式，僅僅接收控制面板下達(dá)指令，無法獲得其余信號。機(jī)械實際運轉(zhuǎn)前，所有部位均處于原位待命，一旦選擇手動相關(guān)按鍵，就會執(zhí)行對應(yīng)操作，若想停止操作，只需重新選擇一次。此時只能接收急停信號，換言之，其余信號全部無效。
4.2 數(shù)控車床自動上下料機(jī)械手操作面板本課題理想操作面板如圖 1 所示。工作方式分為手動與自動。
圖 1 機(jī)械手操作面板圖
自動：機(jī)械手獲得生產(chǎn)線指令后，利用總控制臺 開始作業(yè)。基于控制面板設(shè)置成開關(guān)在“自動”位情況下，系統(tǒng)保持聯(lián)動模式，僅接收自動生產(chǎn)線指令信號。手動：具體用在總控制臺發(fā)生故障、進(jìn)行調(diào)試或其余一些必須手動執(zhí)行情況下。設(shè)置成“手動”位，系統(tǒng)保持離線模式，無法接收自動生產(chǎn)線信號，僅僅接收控制面板指令。開啟這種方式，而且所有部位保持原位，所有電機(jī)保持停機(jī)后，由控制面板選擇升/降、前/后移、夾/放按鍵，可開始對應(yīng)動作，然后繼續(xù)選擇對應(yīng)按鍵，就能結(jié)束動作。再者，只有急停信號有效，其余信號將全部無效。
5、結(jié)論
本文針對機(jī)械手設(shè)計過程中的關(guān)鍵問題展開研究，給出一些優(yōu)化方案，包括：系統(tǒng)抗干擾能力的提升，讀、寫、事件響應(yīng)時間的精準(zhǔn)控制問題等。伴隨科技的進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展勢必朝更專業(yè)化、復(fù)雜化、可重構(gòu)化的角度發(fā)展，表現(xiàn)出更強(qiáng)的靈活性和更多元的控制方式。因此，PLC 控制還將有眾多問題亟等解決，整體來講，數(shù)控上下料手臂在機(jī)械手開發(fā)中還有著極大的提升空間。
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