摘要：近几年，随着科学技术和工业技术的不断发展，对于数控机床的应用范围越来越广，精度要求也越来越高，在数控机床的各部分构件中，机械手的作用非常重要，可以说直接影响到整个数控机床的响应速度、工作负荷以及控制精度等各个方面，因此，注重数控机床下料机械手结构设计的科学性与合理性，就尤为重要。本文中，笔者就阐述了机械手的概念和三维建模过程，并探讨了数控机床下料机械手结构、机械手各部件以及手臂平衡结构的设计，以供参考。
关键词：数控机床；机械手；机械结构；设计
进入二十一世纪以来，我国工业化和智能化水平越来越高，对机器人的应用也更加广泛，通过对数控机床等各种机器设备的科学运用，不仅有助于提升工业生产精度和速度，也能进一步提升其工作负荷量。
一、关于机械手的基本概述
所谓机械手，就是指原型类似人类手臂的可以自动化操作的机器设备，具体而言，就是首先通过编程来对机械手的动作进行设置和固定，从而保证施工期间机械手可以通过配合各零部件来完成搬运或者抓取等动作。机械手的研发催促了机械手机器人的诞生，这也是早期机器人的主要类型，它可以满足相对较高的生产强度，而且可以在很大程度上保障工作人员的人身安全，几乎可以应用于各个生产领域。
通过研究发现，运用继电器或者PLC能够进一步强化机械手的控制方式。当前使用的传统继电控制方法，一方面具备较大的功率消耗和故障率，另一方面控制方式也过于死板，因此很难继续适用。但是，如果使用微机控制来对优势化控制进行推行，不仅会降低整个控制的抗干扰能力，而且会严重影响后期的日常维护，因此，在大部分电子行业或者高新技术行业中，还是主要采用PLC控制方法。
所谓PLC控制，就是指基于PLC，真正融合通信技术、自动控制技术以及计算机技术的控制方法。PLC的优势主要在于自动控制系统的通用性、结构简单以及编程较快等各个方面，同时，PLC还具备更加可靠和安全的性能与抗干扰能力，不仅更快捷，而且方便维修，有助于机械手发挥最佳效果。
二、关于机械手的三维建模
通常情况下，机械手的三维建模需要经过以下四个步骤：
一是装配顺序应当选择底座作为基座的方式；
二是对下料机械臂的旋转关节进行装配，从而保证机械臂能够自由地正向和反向旋转，进而完成工作中的下料操作；
三是将下料机械臂的动力臂装配到设备中，动力臂无论支架强度，还是舵机强度，都相对较高，可以说动力臂的设计直接关系到整个机械手的使用效果；
四是关于下料机械臂平衡臂的装配。平衡臂的作用主要在于安装调试时对工作空间进行调节。
三、关于数控机床下料机械手的结构设计
目前而言，现代工业生产过程中关于数控机床下料机械手的结构形式主要包括四种：即关节结构、球状坐标结构、圆柱坐标结构以及直角坐标结构。其中，对于数控机床而言，圆柱坐标结构的使用最为普遍，该结构主要是通过一个回转运动和两个直线运动来完成下料工作的，回转运动主要是指机械臂的正反回转，而直线运动主要包括支撑柱的升降和机械臂的伸缩。圆柱坐标结构的机械手可以达到3左右的自由度数，工作区间为圆柱形状，其优势在于简单的结构组成和精准的工作精度，主要用于搬运工件等方面。
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四、关于机械手各个部件的设计
（一）设计下料机械手的手爪机构
下料机械手手爪的作用是装卸工件，以机床工作方式为依据，机械手可以分为测量类、搬运类以及加工类三种类型。通常情况下，机械手的手爪结构设计的原则包括结构简单、通用性强、满足工作要求、减少连接部件、便于维修以及兼容现代智能计算机控制系统等。大多数情况下，机械臂的手爪结构都采用杠杆式连接结构，各结构的联动和手爪的放松与夹紧主要依赖活塞的推压作用，这种杠杆式结构有助于作用力的最大化放大，以完成更大的工作负荷。
（二）设计下料机械手的手腕结构
下料机械手的手腕结构非常重要，它是手臂与手爪的连接环节，是机械手完成工作的最尾端，因此必须与手臂和手爪进行完美的配合。通常情况下，手腕结构的设计原则包括结构紧凑、体积小巧以及满足工作要求等。我们可以按照机械手工作内容的不同来调节手腕活动的自由度，进而决定手腕部件的运动性和灵活性，一般而言，自由度数越高，手腕结构就具备越强的灵活性，可选择的操作和运动线路也相对增加，但是，也会在一定程度上提高腕部结构设计的复杂性和制造成本。
与此同时，必须要保证结构连接具备足够的刚度和硬度，以保证机械臂在工作状态中能够连贯的传递各种力，而且一方面应当尽量简化手腕部件的各关节联动来提高精度，另一方面也应当运用构件刚度来设置机构运动硬限位，以免机械手由于超限运动而自身损坏或者伤害操作人员。通过分析和考察大量机床机械手结构设计，笔者认为为了保证数控机床下料手的安全性和高精度，应当尽量保持结构设计的紧凑性和简单性，并设计三个自由度来完成各项复杂工作。
（三）设计下料机械手的机械传动结构
机械手的传动结构设计不仅对机械手的响应速度和操作精度有所影响，也在很大程度上关系到机械手的控制难易度，因此，在设计机械手传动结构时，应当尽量遵循构造简单、结构紧凑、重量轻以及体积小等原则，从而在完成基本操作的基础上，一方面尽量避免反向空回运动来提升控制精度，另一方面通过优化不同连接结构之间的配合方式来提升机械手传动系统的使用寿命和整体刚度。目前下料机械手的传动结构形式主要包括同步带传动、链传动、齿轮传动以及螺旋传动等，笔者认为齿轮传动形式为最佳选择，因为这种形式不仅可以在满足运动与传动精度的基础上避免不同传动构件的配合出现误差，还能进一步加大传动过程中的扭矩，当然，在齿轮的选择上应当严格遵循高精度、高硬度和高强度等原则。
五、关于机械手手臂平衡结构的设计
对于关节式下料机械手而言，其平衡结构的优化一方面可以最大化地减少驱动器负载，另一方面也能有效提升系统对不同控制命令的响应速度。在实际生产过程中，机械手的手臂平衡结构主要采用弹簧式，其特点主要体现在以下几个方面：一是具备优良的平衡效果，二是结构相对比较简单，三是具备较低的结构成本，四是便于维修和拆卸。在设计机械手的过程中，应当注重优化设计其主要构件、平衡结构、连接结构和传动结构等，并对配合方式与布局形式进行合理调整，从而保证整个系统运行的平衡性。而采用弹簧式的机械手手臂平衡机构，就能实现这一目的。
结语：
综上所述，目前我国不少工厂在生产过程中都是采用人力方式来完成数控机床的工件填装工作，不仅劳动强度非常大，严重影响生产效率，而且在很大程度上威胁着工人的人身安全。因此，必须设计数控机床下料机械手结构来适应现代化的工业生产工作，对机械手的手爪结构、手腕结构、传动结构以及平衡结构进行科学合理的设计，才能进一步实现数控机床生产的自动化和无人化。
参考文献：
[1]朱泽珲.数控机床下料手机械结构设计分析[J].中国机械，2015，（9）：59-60.
[2]佛山市夏云智能装备有限公司.一种数控机床专用的上下料装置：中国，CN201710559320.4[P].2017-11-07.
[3]沈阳家腾再制造工业技术有限公司.基于平床身数控机床无效加工空间的集成自动上下料装置：中国，CN201520990073.X[P].2016-08-03.
论文作者:杜世才,刘飞
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/8/13
标签：机械手论文; 结构论文; 数控机床论文; 工作论文; 下料机论文; 结构设计论文; 手腕论文; 《基层建设》2018年第21期论文;