張茹 閆軼

摘 要：各機械機構(gòu)作為機械手最為重要的組成部分，同時也是影響機械手控制精度、工作負載、響應(yīng)速度等的主要因素，因此機械手各部件的優(yōu)化設(shè)計對實現(xiàn)機械手工作效率最大化具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；下料手；機械結(jié)構(gòu)；設(shè)計

1機械手的概述

機械手主要是以人手臂為原型，然后通過編程設(shè)置機械手的固定動作，機械手在施工期間能通過各個零部件間的配合實現(xiàn)抓取、搬運等動作，是一種能進行自動化操作的設(shè)備。早期的機器人多為機械手機器人，機械手的研發(fā)，能讓人從繁重的勞動中解放出來，特別是在生產(chǎn)強度較高的情況下，機械手不但能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，也能在較大程度上讓工作人員的安全得以保障。使用機械手不僅提高生產(chǎn)能力，還能發(fā)展生產(chǎn)自動化，也可以保障工作期間人員安全，所以機械手在各個領(lǐng)域內(nèi)都能得到切實的應(yīng)用。根據(jù)當前的狀況獲悉，使用PLC或者繼電器控制，能讓機械手的控制方式得以強化?，F(xiàn)在繼電控制由于故障率偏大，所以消耗的功率也很大，在控制方式略顯死板的情況下，傳統(tǒng)的繼電器控制方式已經(jīng)被淘汰；目前只能推行優(yōu)勢化控制，微機控制使用的比較多，這就使整個控制出現(xiàn)抗干擾能力差的局面，后期維修困難，所以采用PLC控制的多為高新技術(shù)或者電子行業(yè)。

PLC控制多是以PLC為依托，將計算機、自動控制和通信技術(shù)三者融為一體。由于自動控制系統(tǒng)之間要相互通用，所以結(jié)構(gòu)就偏于簡單，編程過程也耗時較短，這就體現(xiàn)出PLC的優(yōu)勢，能保證性能的良好和可靠，同時由于抗干擾能力較強，所以維修方便和快捷，這樣的機械手操作最具效果。

2我國數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段高精尖的數(shù)控機床主要應(yīng)用在我國航空、軍工、汽車以及發(fā)電儀器等制造行業(yè)。我國數(shù)控機床技術(shù)擁有幾十年的發(fā)展時間，并且已取得了顯著的成果，目前已經(jīng)掌握了數(shù)控系統(tǒng)、伺服動力、主機研發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)，其中還有一些核心技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化進程。我國是當今社會數(shù)控機床消費量最大的大國，自己研發(fā)的數(shù)控機床的比例逐漸增加，相關(guān)數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的人才團隊也在迅速擴大。不過，現(xiàn)階段自主研發(fā)的數(shù)控機床一些技術(shù)依舊存在諸多的問題，舉例而言：自主研發(fā)的數(shù)控機床在外觀上和進口數(shù)控機床基本一致，作用也不分上下，可是在性能和精度上卻相差較多，進而造成“形”像卻“神”不像的狀況。

3數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)

3.1補償誤差技術(shù)

加工過程中出現(xiàn)的誤差對產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，所以隨著對加工產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提升，對產(chǎn)生誤差的重視程度也越來越高。數(shù)控機床加工所采用的補償誤差技術(shù)，能夠最大程度減小誤差和誤差對產(chǎn)品造成的影響，這需要對產(chǎn)生誤差的原因進行深入研究。床身、立柱、主軸以及各種導軌等是組成數(shù)控機床的重要部分，這幾部分都可能在生產(chǎn)中產(chǎn)生誤差，補差誤差技術(shù)主要體現(xiàn)在誤差建模、誤差測量和誤差補償三個方面。其中最基礎(chǔ)的技術(shù)是誤差建模，這包括誤差元素建模和綜合建模兩項內(nèi)容，其次是誤差測量技術(shù)，這包含直接測量和間接測量，這兩項工作都是為最后的誤差補償技術(shù)創(chuàng)造條件。根據(jù)時間可以將誤差補償技術(shù)分為離線補償和實時補償，前者是以測量的誤差為依據(jù)，在后期進行機床的誤差補償，這只適用于機床產(chǎn)生的穩(wěn)定誤差。如果是因溫度等原因產(chǎn)生的誤差必須進行實時補償，研究補差誤差技術(shù)是讓補償誤差工作更加有效、簡便和準確。

3.2直線電機進給驅(qū)動技術(shù)

無需任何中間轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)電能向直線運動機械能的直接轉(zhuǎn)換，就是直線電機，結(jié)構(gòu)簡單、磨損少、效率高、噪音小以及組合性強是其主要的優(yōu)勢。交流直線電機是當前在高精度數(shù)字機床上普遍應(yīng)用的設(shè)備，這種設(shè)備有直線感應(yīng)電機和永磁直線同步電機兩種，直線感應(yīng)電機成本較低，并且受到外界干擾影響的程度較低，同時也可以抗電磁干擾；永磁直線同步電機同時具備直線電機和永磁電機的優(yōu)勢，響應(yīng)速度更快、體積更小、推力能量更大，所以是當前高精度直線進給系統(tǒng)的首選。

3.3五軸聯(lián)動技術(shù)

五軸聯(lián)動數(shù)控機床是當前高檔數(shù)控機床的主要類型，也是航天航空等諸多重工業(yè)加工精密儀器時應(yīng)用的主要工具?！?+2”是五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)模式，可以實現(xiàn)X、Y、Z三軸與另外兩軸的同時運動和回轉(zhuǎn)。歐美和日本是進口五軸聯(lián)動數(shù)控機床的代表國家，其數(shù)控技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，由于國外技術(shù)封鎖和國內(nèi)缺乏工業(yè)基礎(chǔ)的原因，我國現(xiàn)在整體的數(shù)控技術(shù)水平較為落后，不過對五軸聯(lián)動數(shù)控機床的研究腳步從未停止。

4機械手各部件的設(shè)計

4.1下料機械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計

下料機械手手爪主要是用來完成工件裝卸任務(wù)的，根據(jù)機床以及具體工作方式的不同，可以將機械手劃分為搬運類、加工類以及測量類三種。機械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一原則是滿足工作要求，還要具有結(jié)構(gòu)簡單、連接部件少、通用性好等一般特點。除此之外機械手設(shè)計也需要考慮安裝與維修便利性，以及與現(xiàn)代智能計算機控制系統(tǒng)的兼容性。機械臂手爪的結(jié)構(gòu)大多采用杠桿式的連接結(jié)構(gòu)，通過活塞的推壓作用實現(xiàn)各結(jié)構(gòu)聯(lián)動，使手爪作出加緊或者放松的動作，杠桿式結(jié)構(gòu)能夠最大限度的放大作用力，應(yīng)對較大的工作負載。

4.2下料機械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計

下料機械手手腕結(jié)構(gòu)是連接手爪與手臂的關(guān)鍵部件，是整個機械手構(gòu)件完成指定動作的最尾端，需要能夠很好地配合手臂并控制手爪完成特定的工作。手腕作為連接部件在滿足工作要求的前提下也需要遵照體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計原則。手腕活動的自由度主要是根據(jù)機床機械手具體的工作內(nèi)容所決定的，一般情況下機械手手腕的部件靈活性與運動性主要是由該結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)所決定的，自由度數(shù)增加，手腕結(jié)構(gòu)的靈活性增強，對各種構(gòu)件的搬運操作的運動路線的選擇性更多，但是自由度增加同時會使腕部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，設(shè)計與制造成本也會大大增加。同時為保證機械臂工作時能夠很好地實現(xiàn)各種力的傳遞并保持連貫性，結(jié)構(gòu)的連接需要保持具有足夠的強度與剛度。為保持運動過程中具有足夠高的精度，應(yīng)該盡量降低手腕部件各關(guān)節(jié)聯(lián)動的復(fù)雜程度，并充分利用構(gòu)件的剛度性質(zhì)為機構(gòu)的運動設(shè)置硬限位，避免機械手超限運動對操作人員造成傷害或者機械手自身損壞。通過對大量實際機床機械手機構(gòu)設(shè)計的考察與分析，為保證數(shù)控機床下料手操作精度與安全性，并本著結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計原則，在保證作業(yè)要求的前提下，大多設(shè)計為3個自由度，完全能夠?qū)崿F(xiàn)下料手的各種復(fù)雜工作要求。

4.3機械手機械傳動機構(gòu)的設(shè)計

機械手的傳動構(gòu)件設(shè)計特點是影響機械手控制難度、操作精度以及響應(yīng)速度的關(guān)鍵因素，因此機械手傳動機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)滿足體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡單等特點，在保證機械手能夠完成基本操作任務(wù)的前提下，盡量減少反向空回運動以提高結(jié)構(gòu)運動控制精度，而且還要對各連接結(jié)構(gòu)間的鏈傳動的配合方式作進一步的優(yōu)化設(shè)計，以提高機械手傳動系統(tǒng)的剛度，增加系統(tǒng)的使用壽命。大部分下料機械手的傳動機構(gòu)主要有螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動等幾種形式。為充分考慮系統(tǒng)傳動與運動精度要求，盡量降低各傳動構(gòu)件間的配合傳動誤差，同時保證傳動過程中具有較大的扭矩，普遍采用齒輪傳動作為傳動基本構(gòu)件，同時該齒輪要保證具有足夠高的強度、硬度以及制造精度。

結(jié)語

目前我國多數(shù)工廠生產(chǎn)線上各種數(shù)控機床中工件裝填主要依靠人力來完成，使得普通職工勞動強度很大，不僅嚴重影響工廠的生產(chǎn)效率，還對工人生命健康構(gòu)成一定威脅。數(shù)控機床上人工裝填工件的生產(chǎn)方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代機械行業(yè)全自動、高效率生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。為提高生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)過程的安全性與自動化，需要根據(jù)數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)與機械連接技術(shù)設(shè)計出一臺機床上的下料機械手，取代人力勞動以實現(xiàn)數(shù)控機床生產(chǎn)的無人化與自動化。

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