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摘要：机械手作为机械结构的重要组成部分，其在数控机床中发挥着巨大的作用，是数控机床的重要组成部分。基于对数控机床机械结构设计分析，其对于机械手控制精度具有重大影响，是提高整体协调性的重要组成部分。本文基于数控机床机械手的机械结构分析，阐述了各结构的主要功能，并对各结构进行了全面论述，旨在为相关设计人员提供经验借鉴，保障数控机床机械手机械结构的稳定性。
关键词：数控机床；机械手；机械结构；结构设计；
1数控机床机械手概述
机械手借鉴了人的手臂，通过结构的固定、编程，使其可以实现抓取、摆动，在工业化生产制造过程中被广泛应用。机械手基于结构的衔接而运行，并基于系统的控制而实现具体作业，最早的机械手结构设计能够支撑一定强度的劳动，可以代替人工在生产线作业中的地位。基于自动化技术的发展，将系统与自动化系统进行有效结合，其结构精度、结构稳定性均得到了有效的提高，可实现对机械手结构的科学控制。
2数控机床机械手结构设计分析
2.1下料手爪结构设计
下料手爪结构，主要是用以工件装卸，根据适配的机床参数以及工作方式的不同，下料手爪结构发挥的作用也有所不同。有搬运、加工、测算三种功能，机械手爪结构其设计原则就是为了满足工作要求，要求整体结构尽可能地选用少连接部件，要求具有良好的适用性、通用性，可以适配多种机床环境。同时还要考虑机械手在运行过程中出现故障时，便于工作人员更换故障工件以及维修，设计上要考虑与智能计算机控制系统的兼容性。基于以上要求，机械手采用杠杆式的连接结构，以活塞推压实现各结构联动，采取这样的设计让机械手爪可以做出夹紧、放松的动作。
2.2下料手腕结构设计
对于手臂和手爪来说，下料手腕结构是实现两者连接的重要部分，也是机械手特定动作的最末端，应对手臂进行合理配合、对手抓进行有效控制，使特定工作得以最终完成。手腕是连接的部件，不但要求其符合工作的具体要求，还要遵循结构紧凑、体积领条等设计基本原则[1]。手腕活动自由度一般由实际机械手工作内容来决定。通常来讲，自由度数能够决定机械手手腕运动型和灵活性，若提高自由度数，那么便能提高手腕灵活性，可以选取的搬运行为变的更多，不过提高自由度会让腕部结构变得复杂化，制造成本、设计成本将大大增加。要想让机械臂在工作过程中传递不同力以及传递的连贯性得到保证，应让结构连接有一定的刚度和强度。要想增加运动时的精度，需要最大限度地将手腕不同关节连接复杂度降低，对构件所具有的刚度特性进行有效利用，设置结构运动的纤维，使机械手由于运动超限给工作人员带来的人身伤害与机械手给自身带来的损坏情况得到预防。经过分析、考察多种具体机床设计的机械手结构，使下料手腕结构工作的安全性和精确度得到保证，应按照结构紧凑、结构简单的设计基本原则，以作用要求得到满足为前提，对三个自由度进行设计，从而让下料手能够对不同工作的复杂需要进行满足[2]。
2.3机械传动结构设计
机械手传动结构设计，要关注机械手运行过程的精度和响应速度这两个因素，是机械手结构设计的难点之一。由于其有精度和速度的要求，因此机械手的体积不宜过大，要保持较低的重量，通过这样的设置保证较高的响应速度。但是为了操作的精确度，还要在有限的结构空间、重量方面，保证各零部件安装空间得到有效利用，以此满足高精度的操作要求。因此在设计上，要尽可能减少反向空回运动，以此提高运动、操作的精度。采用链传动的配合方式，对各连接结构进行优化，采用这样的设置可提高机械传动系统的使用寿命。
2.4机械手平衡结构设计
在关节式的下料手中，其平衡机构通常发挥着加快不同控制命令反应速度、减小驱动器负载等重要作用。在具体的生产过程中，应对弹簧式的平衡机构进行使用，该机构的优点主要有维修方便、拆卸轻松、成本低廉、结构简单、平衡性好等[3]。设计机械手最为重要的就是优化机械手平衡机构、连接机构、传动机构、主要构件等不同机构的设计，并对这些机构的配合方式、布局形式进行合理调整，实现系统运动的整体平衡，获得更好的平衡性，与此同时，弹簧式的平衡机构可以有效优化该平衡问题，使机械手的平衡要求得到满足[4]。
2.5关键部件结构设计
（1）抓取机械手系统的设计
如图所示，抓取机械手主要作用是将自动料仓里的气门，精确的抓取到机床气门装夹位置。抓取机械手系统主要由伺服电机、直线模组、缓冲器、上下气缸、送料气缸、气动夹爪构成。伺服电机驱动直线滑台左右做直线运动，直线滑台主要由直线导轨和滚珠丝杠。直线滑台带动上下气缸左右运动。上下气缸主要做上下直线运动，带动送料气缸和气动夹爪。在上气缸上端装有缓冲器，主要起行程缓冲和行程调整的作用。
图1 抓取机械手系统
（2）直线滑台设计
直线滑台采用直线导轨支撑导引，使用滚珠丝杠驱动，采用水平壁挂式结构，保证直线滑台的稳定性和可靠性。需对滑块负荷和与寿命进行计算并结合导轨生产厂商的参数进行选型。
（3）简易机械手由气缸驱动，并且使用旋转连杆结构，气缸的推力受气压影响较大。企业的气源系统气压波动较大，导致气缸输出推力不稳定，影响定位精度。摆臂机械手和接料结构使用旋转连杆结构，定位误差较大，同时当气缸使用出现一定的磨损后误差更大，导致稳定下降，故障率增高。根据对简易机械手的分析，简易机械手问题存在的主要原因在于核心定位结构采用气动驱动，核心传动采用连杆结构导致。故针对以上原因，重新设计了机械手，采用气动与伺服驱动结合的方式，核心定位结构采用伺服电机带动滚珠丝杆驱动，同时取代连杆结构，全部使用直线传动。
图2 通用机械手结构图
如图2所示，气动与伺服技术结合的气门通用机械手主要由三大部分构成：支架系统，自动料仓系统，抓取机械手系统。支架系统主要起支撑整个机械手系统，具有良好的刚性和强度，保证自动料仓满载负荷时能够稳定支撑，抓取机械手在高速运行的时候能够保持刚性，将震动控制在稳定的范围内。自动料仓系统具备储存气门的功能，可以根据气门的大小进行调整，可以适应不同大小的气门。还具备分料功能，将存储的气门一个一个的分离出来。还具有流水线接口，可以适用于人工装料，也适于自动流水线连接自动进料。
结束语
综上所述，数控机床在生产线作业中具有重要的作用，对于提高生产效率具有重要影响。机械手作为数控机床的重要组成部分，在操作过程中受到各种外界因素影响，基于结构性的设计优化，可以有效提高机械手的结构稳定性，提高其应用价值，并可以保障数控机床操作的安全性，为数控机床自动、高效运行奠定良好的基础。
参考文献
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[2]李东亚.基于发那科数控系统的四自由度自动上下料系统设计[J].机床与液压，2018，46(11)：75-78.
[3]吕振华，梁伟，上官文斌.汽车发动机液阻悬置动特性仿真与实验分析[J].汽车工程，2002(2)：105-111.
[4]徐得涛，辛忠权.数控机床中的机械手换刀装置故障及维修方法浅谈[J].科技创新导报，2018，15(9)：82+84.
论文作者:徐特
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/23
标签：机械手论文; 结构论文; 数控机床论文; 气缸论文; 结构设计论文; 系统论文; 直线论文; 《防护工程》2019年第1期论文;