摘要：機(jī)械制造自動(dòng)化是制造業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的目標(biāo)之一，采用自動(dòng)化技術(shù)不僅可以大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，使企業(yè)適應(yīng)市場(chǎng)，提高競(jìng)爭(zhēng)力。本文對(duì)機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，同時(shí)對(duì)機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，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，分析了數(shù)控車(chē)床自動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)部分。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車(chē)床;機(jī)械手;傳動(dòng)機(jī)構(gòu);液壓系統(tǒng)

Structure Design of Automatic Loading and Unloading Manipulator for NC Lathe

YANG Liang

Abstract： In this paper an automatic loading and unloading manipulator with cylindrical coordinate structure is designed for NC lathe. The transmission mechanism， driving system， hydraulic system and control system of the manipulator are theoretically analyzed and calculated. At the same time， the overall structure of the manipulator is designed in detail， mainly including the body， base， arm and claw of the manipulator. The operation flow of the automatic loading and unloading manipulator of NC lathe is analyzed， the moving part of the manipulator is realized by hydraulic cylinder， stepping motor and other components.

Key Words： CNC lathe; Manipulator; Transmission mechanism; Hydraulic system

為了提高性能水平和科技進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人得到了更廣泛的應(yīng)用，并向高速方向發(fā)展，精度高、重量輕、負(fù)載重、彈性高、可靠性高。在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器人廣泛應(yīng)用于焊接、拆卸、鋪設(shè)、加工、包裝等工作。同時(shí)，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，它們自19世紀(jì)50年代問(wèn)世后發(fā)展迅速，占發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)床總產(chǎn)量的很大一部分。通過(guò)批量生產(chǎn)擴(kuò)大了這一應(yīng)用領(lǐng)域。目前，一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如日本、西班牙和美國(guó)，在數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)下，實(shí)現(xiàn)了工件加工過(guò)程的靈活自動(dòng)化。機(jī)械手在機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，作為夾具和抽運(yùn)加工制品，屬于工業(yè)機(jī)器人之一。隨著我國(guó)機(jī)械制造和自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)械制造領(lǐng)域的研發(fā)越來(lái)越受到重視。機(jī)械手可以代替在特定工作場(chǎng)所具有特殊要求的工作，如在危險(xiǎn)的環(huán)境中工作及周期性重復(fù)無(wú)聊的工作。機(jī)械手可以代替人做出色的工作，機(jī)器人技術(shù)可以減少輕工業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)，同時(shí)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。正因?yàn)闄C(jī)械手應(yīng)用廣泛，對(duì)機(jī)械手研發(fā)也具有十分重要的意義。但目前我國(guó)研制工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)相比于國(guó)外還有待提高，機(jī)械手的研制與生產(chǎn)直接影響到我國(guó)機(jī)械化，自動(dòng)化的發(fā)展。因此，本文數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手的研究有很大意義。

1 研究目的及意義

在大多數(shù)中國(guó)工廠(chǎng)的生產(chǎn)線(xiàn)上，數(shù)控機(jī)床的裝卸工作仍然是手工完成的，它們的性能很低，更大的勞動(dòng)強(qiáng)度和一些危險(xiǎn)性的工作已經(jīng)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展的需要。為了提高工作效率，應(yīng)降低成本，把生產(chǎn)線(xiàn)發(fā)展成靈活的生產(chǎn)體系，滿(mǎn)足現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的要求，考慮到具體的生產(chǎn)技術(shù)，結(jié)合機(jī)床實(shí)際結(jié)構(gòu)，采用機(jī)器人技術(shù)，需要將材料下的機(jī)器人手柄人工設(shè)計(jì)更換為臺(tái)面，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)械手可以代替人做反復(fù)、枯燥的危險(xiǎn)工作，減少了人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。因此，機(jī)械手在機(jī)械工業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，可以運(yùn)輸和加工工件，可以用來(lái)裝配零件，特別是自動(dòng)化數(shù)字控制機(jī)床和組合機(jī)床。

本文研究的數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手屬于工業(yè)機(jī)械手的一種，工業(yè)機(jī)械手是機(jī)械制造自動(dòng)化的產(chǎn)物。機(jī)械手可以像人的手一樣行動(dòng)，模仿人工作的方式，按要求完成工作。例如，在某些危險(xiǎn)的環(huán)境、重復(fù)或周期性地的工作可以由機(jī)械手代替人類(lèi)成功完成，這樣既可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性。此外，工業(yè)機(jī)械手可以適應(yīng)人類(lèi)無(wú)法工作的環(huán)境如溫差極大的車(chē)間或深水及具有放射性的環(huán)境，更能顯示其優(yōu)越性。正因如此，機(jī)械手在得到了廣泛的應(yīng)用，機(jī)械手有著廣闊的發(fā)展前途。

本文研究的機(jī)械手與數(shù)控車(chē)床相結(jié)合形成生產(chǎn)線(xiàn)，使其可以完成工件的夾持，翻轉(zhuǎn)與運(yùn)送等一系列加工過(guò)程。本文的研究主要為了滿(mǎn)足數(shù)控車(chē)床以及加工工廠(chǎng)的工件的裝卸，從而可以實(shí)現(xiàn)在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度與節(jié)約加工時(shí)間的同時(shí)，還可以提高工件的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)力。

2 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案

2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（1）機(jī)械手的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要由直角坐標(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4種組成。

（2）上下料自動(dòng)驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床機(jī)械手結(jié)構(gòu)實(shí)施方案。結(jié)構(gòu)最終選擇圓柱坐標(biāo)，共使用3種運(yùn)動(dòng)形式，包括兩個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)手臂上下和伸縮，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是機(jī)械手支架的旋轉(zhuǎn)。選擇的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械手活動(dòng)范圍廣、精度高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、攜帶方便^[1]。

2.2 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手手部設(shè)計(jì)

（1）機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)要求。機(jī)械手手爪與手腕相連接，機(jī)械手手爪的種類(lèi)可分為多種，以保證其可以適應(yīng)機(jī)器人在不同情況下進(jìn)行不同的工作，如末端執(zhí)行器用于搬運(yùn)工件、加工工件和測(cè)量工件。當(dāng)需要搬運(yùn)工件時(shí)，末端執(zhí)行器通常會(huì)選擇可夾持類(lèi)機(jī)械手用來(lái)夾持被搬運(yùn)的工件。當(dāng)加工工件時(shí)，末端執(zhí)行器通常選擇噴槍、焊槍等帶有加工工具的機(jī)器人，以便完成相應(yīng)工作。例如，需用開(kāi)展測(cè)量，末端執(zhí)行器需要用來(lái)測(cè)量及檢驗(yàn)工件，此時(shí)一般會(huì)選擇帶有測(cè)量?jī)x器及傳感器的裝置。本文中的機(jī)械手手爪需要夾持工件搬運(yùn)運(yùn)輸?shù)炔僮鳎瑢儆趭A持類(lèi)機(jī)器人末端執(zhí)行器。

（2）手爪結(jié)構(gòu)的采用方案。工業(yè)機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)一般分為連桿杠桿式、楔塊杠桿式、平行杠桿式、齒輪齒條式、滑槽式5種^[2]。

2.3 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)

機(jī)械手腕部為機(jī)械手手臂與機(jī)械手手爪聯(lián)結(jié)部分，即應(yīng)安裝在手臂末端。機(jī)械手腕部重量應(yīng)適當(dāng)減小，結(jié)構(gòu)應(yīng)緊湊，強(qiáng)度和剛度要夠，空回間隙應(yīng)減小以便于增加傳動(dòng)精度。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(shí)機(jī)械手手腕需做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即只存在一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度。本設(shè)計(jì)手腕不加自由度以便于機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單。

2.4 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手手臂設(shè)計(jì)

本文中分垂直手臂及水平手臂兩種，垂直手臂主要作用為帶動(dòng)機(jī)械手手部在空間的升降運(yùn)動(dòng)、支撐機(jī)械手手腕和機(jī)械手手爪，水平手臂作用為帶動(dòng)手部在空間的水平運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的手臂主要作用就是將機(jī)械手手爪送至空間某一點(diǎn)進(jìn)行工作，機(jī)械手手腕及手爪的動(dòng)靜載荷均由手臂承擔(dān)，而相關(guān)手臂自由度較多，所以機(jī)械手手臂的受力相對(duì)于其他部分更為復(fù)雜。手部的位置精度即為機(jī)械手手臂的精度。導(dǎo)向裝置和定位方式對(duì)于機(jī)械手最終的精度尤為重要^[3]。

2.5 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手機(jī)身機(jī)座設(shè)計(jì)

機(jī)械手機(jī)座有腰部和底座兩部分。它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)及手腕手爪的運(yùn)動(dòng)都安裝在機(jī)械手機(jī)座上，故機(jī)械手整體的重量均由機(jī)座承擔(dān)。在設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意機(jī)械手的機(jī)座部分底座截面需要足夠大以保證機(jī)械手整體工作時(shí)的穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)裝卸要方便。

2.6 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.6.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類(lèi)

（1）液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?？刂屏εc控制力距大、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等均為液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，但其效率較低，不如電機(jī)驅(qū)動(dòng)，且液體易泄露，難維修。多適用于承載能力大及需進(jìn)行防爆工作的裝置中。

（2）氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。構(gòu)造簡(jiǎn)單，裝卸簡(jiǎn)易、成本較低等為氣壓驅(qū)動(dòng)特征。氣動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于難以實(shí)現(xiàn)伺服控制，大多數(shù)適用于中小負(fù)荷及需要程序控制的工業(yè)機(jī)器人中。

（3）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因易操作，低噪音等特點(diǎn)很受歡迎，但是某些電機(jī)在要求防爆的工作環(huán)境中不可使用，其成本略高。因?yàn)榇讼到y(tǒng)優(yōu)點(diǎn)突出，所以應(yīng)用較為廣泛。

2.6.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用方案

具體到本設(shè)計(jì)，綜合考慮以上因素，本文機(jī)械手機(jī)座為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)最優(yōu)，機(jī)械手水平手臂和垂直手臂選用液壓驅(qū)動(dòng)最優(yōu)。

2.7 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手傳動(dòng)設(shè)計(jì)

本文中機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)均采用液壓驅(qū)動(dòng)。故該部分不采用傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，既簡(jiǎn)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。本文機(jī)械手機(jī)座部分選擇了電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則需要通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速。經(jīng)分析比較，本文選擇圓柱齒輪傳動(dòng)。

2.8 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手定位與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

（1）影響定位精度及平衡的因素。定位方式、速度、剛度、運(yùn)動(dòng)件重量及驅(qū)動(dòng)源等因素對(duì)機(jī)械手整體的平衡及穩(wěn)定都會(huì)產(chǎn)生一定影響。例如，定位方式選擇機(jī)械擋塊定位，其擋塊的強(qiáng)度及與擋塊碰撞時(shí)速度等都有關(guān)聯(lián)。速度對(duì)定位精度也有較大影響如，速度過(guò)快或過(guò)慢都會(huì)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(duì)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(dòng)，此時(shí)定位精度一般較低。運(yùn)動(dòng)件重量對(duì)定位精度的影響在于如運(yùn)動(dòng)件重量變大時(shí)，定位精度會(huì)相應(yīng)減小，機(jī)械手整體及被夾持工件均屬于運(yùn)動(dòng)件。合理控制運(yùn)動(dòng)件重量及機(jī)械手工作時(shí)被夾持工件重量是必要的。驅(qū)動(dòng)源包括液壓、氣壓、電壓、油溫等。驅(qū)動(dòng)源產(chǎn)生變化時(shí)，重復(fù)定位精度會(huì)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(jì)最終采用的定位方式為機(jī)械擋塊定位。

（2）平衡機(jī)構(gòu)分類(lèi)。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)為目前工業(yè)機(jī)器人常用的3種平衡機(jī)構(gòu)的形式。彈簧平衡機(jī)構(gòu)成本低、穩(wěn)定性好，應(yīng)用較為廣泛?；钊茥U平衡機(jī)構(gòu)具有較好的阻尼作用，但氣動(dòng)平衡系統(tǒng)體積較大?；钊狡胶庀到y(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格較高，裝卸及維修難度也較高，但是平衡效果較好。配重平衡機(jī)構(gòu)平衡效果一般，但其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，較為穩(wěn)定。

（3）平衡機(jī)構(gòu)采用方案。本文為使機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故不采用平衡機(jī)構(gòu)^[4]。

3 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究的數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手一個(gè)工作周期為第一步為夾緊工件，然后裝入車(chē)床完成上料，再經(jīng)車(chē)床加工后從卡盤(pán)取出工件完成下料。機(jī)械手一個(gè)工作流程主要包括垂直手臂升降、水平手臂伸縮、機(jī)身機(jī)座回轉(zhuǎn)及手爪開(kāi)閉4種運(yùn)動(dòng)模式，其中，手臂運(yùn)動(dòng)采用液壓缸的方式，垂直運(yùn)動(dòng)方向通過(guò)電磁換向閥改變。水平運(yùn)動(dòng)方向采用電液伺服閥、伺服驅(qū)動(dòng)器、感應(yīng)式位移傳感器所組成的回路改變。手爪的開(kāi)閉采用柱塞缸與齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)^[5]。

機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，水平手臂前伸到達(dá)指定位置后，下降停止的同時(shí)，關(guān)閉夾子，垂直手臂向上移動(dòng)達(dá)到預(yù)定位置，運(yùn)動(dòng)停止。機(jī)械手機(jī)座逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，到達(dá)旋轉(zhuǎn)90°并停止;垂直臂下降到卡盤(pán)中心停止，機(jī)械手完成定位，水平臂回收，工件插入卡盤(pán)，安裝后，夾子被夾緊，機(jī)械手的手爪被打開(kāi)，垂直的手臂向上移動(dòng)以達(dá)到位置，然后上升并停止。機(jī)械手機(jī)座椅時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，當(dāng)機(jī)器回到原來(lái)的位置時(shí)旋轉(zhuǎn)停止^[6]。

數(shù)控車(chē)床完成了零件的加工，在操作下料后，90°逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的機(jī)械手機(jī)座停止，垂直臂向下移動(dòng)到指定位置停止，手爪夾具閉合工件。車(chē)床卡盤(pán)打開(kāi)，在水平臂前卸下工件，垂直臂向上移動(dòng)，到達(dá)位置后停止。機(jī)械手機(jī)座順時(shí)針到達(dá)后轉(zhuǎn)90°停止。垂直臂向下移動(dòng)，停止后，手爪張開(kāi)，將工件置于設(shè)定位置后，垂直的手臂繼續(xù)向上移動(dòng)，到達(dá)位置后停止，手爪閉合，最后機(jī)械手水平臂向后滑動(dòng)到達(dá)位置后，停止收縮，機(jī)械手手臂返回原點(diǎn)，操作結(jié)束。

4 結(jié)語(yǔ)

本文的研究具有一定的針對(duì)性及明確目標(biāo)，主要闡述了研究目的及意義及機(jī)械手未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)本文完成了對(duì)于數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手三維造型的設(shè)計(jì)與機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及定位穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TG659DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2112-5640-4193

作者簡(jiǎn)介：楊亮（1985—），男，碩士，工程師，研究方向為數(shù)控車(chē)床。