數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管樹龍

摘要：針對(duì)于數(shù)控車床而設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)型的自動(dòng)上下料機(jī)械手。主要通過(guò)應(yīng)用CAD對(duì)數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手液壓傳動(dòng)原理、機(jī)械手整體以及部分零件的二維圖繪制，同時(shí)運(yùn)用Solidworks對(duì)數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手進(jìn)行三維模型的繪制以及機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真的制作。并分析了數(shù)控車床自動(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)控車床;機(jī)械手;傳動(dòng)機(jī)構(gòu);液壓系統(tǒng);驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH122;TG65 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0075-03

0 ?引言

機(jī)械手是在機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，通常用來(lái)夾持與運(yùn)輸工件的一種裝置，屬于工業(yè)機(jī)器人的一種。機(jī)械手可以向人類手臂一樣工作，模仿并代替人類按照預(yù)定要求完成運(yùn)輸工件以及夾持工件等作業(yè)。例如在一些危險(xiǎn)環(huán)境下的工作以及周期性重復(fù)無(wú)聊的工作，機(jī)械手都可以很好地代替人類將其完成，并且機(jī)械手在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度及危險(xiǎn)的同時(shí)也可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。隨著我國(guó)機(jī)械制造業(yè)，自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手的研發(fā)也越來(lái)越引起大家的關(guān)注。正是由于機(jī)械手的應(yīng)用十分廣泛，所以機(jī)械手的研發(fā)十分重要。

1 ?數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案

1.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

因所研究機(jī)械手自由度為3，包括兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)及一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，共計(jì)三種運(yùn)動(dòng)方式。其中直線運(yùn)動(dòng)為手臂的升降及伸縮?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為機(jī)械手機(jī)座的旋轉(zhuǎn)。選擇此結(jié)構(gòu)類型的好處是機(jī)械手手臂活動(dòng)范圍較大且精度較高。并且其構(gòu)造簡(jiǎn)單，易裝卸。機(jī)械手工作布局如圖1，整體結(jié)構(gòu)造型如圖2。

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

機(jī)械手手爪與手腕相連接，屬于末端執(zhí)行器的一種，安裝在手腕末端。機(jī)械手手爪部位結(jié)構(gòu)應(yīng)有一定的夾緊力，保證可以?shī)A緊工件，使工件牢固穩(wěn)定。通常情況下，機(jī)械手手爪的開閉范圍越大越好，本設(shè)計(jì)中機(jī)械手手爪開閉范圍如圖3。

手爪結(jié)構(gòu)采用的是齒輪齒條式。通過(guò)活塞往返帶動(dòng)齒條完成手爪張開或夾緊的動(dòng)作。手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體如圖4。

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

機(jī)械手的手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部位?？紤]到操縱器在工作中的穩(wěn)定性和安全性，將兩個(gè)平行的導(dǎo)向桿添加到該對(duì)象的水平框架中，使其與運(yùn)動(dòng)活塞桿截面形成等腰三角形結(jié)構(gòu)如圖5，以保證其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定牢靠。垂直手臂添加四個(gè)導(dǎo)桿其截面為正四邊形如圖6，每個(gè)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。

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

機(jī)械手機(jī)座包括腰部和底座兩部分組成。在設(shè)計(jì)過(guò)程中機(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。同時(shí)底座需要一定承載能力以保證可以承受機(jī)械手整體重量。且其結(jié)構(gòu)裝卸要方便。機(jī)身機(jī)座結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2 ?理性分析計(jì)算以及主要參數(shù)確定

2.1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)計(jì)算

①液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)選擇定量泵供油，為了保證液壓油無(wú)雜質(zhì)摻進(jìn)，選擇在油泵入口添加粗過(guò)濾器，在其的出口安裝精過(guò)濾器凈化。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(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

②液壓傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)確定。液壓傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。

1）液壓缸所受的總機(jī)械載荷為：

F=Fw+Fm+Fsf+Ff+Fb ? ? ? ? （1）

經(jīng)計(jì)算得F=1088N。

2）手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計(jì)算。

手爪要想正常抓起物品進(jìn)行工作必須要滿足的條件，

帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：N=120N。

3）理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算：

（2）

帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：p=377N

計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為：

（3）

帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：Fc=920N

而液壓缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有

Fc=P·A

經(jīng)計(jì)算，所需的油壓約為3MPa。

4）液壓缸參數(shù)確定。

機(jī)械手手爪、水平手臂、垂直手臂液壓缸參數(shù)見表1、表2以及表3。

2.2 電機(jī)的選擇以及參數(shù)計(jì)算

2.2.1 電機(jī)參數(shù)計(jì)算

本研究中機(jī)座腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)形式取第二種回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。計(jì)算過(guò)程如下：

已知公式： ? （4）

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得N·m。

2.2.2 電機(jī)選型

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮各種因素，通過(guò)查閱《機(jī)械手冊(cè)》，最終本設(shè)計(jì)選用型號(hào)為110BYG550B-SAKRMA-0301的步進(jìn)電機(jī)，此電機(jī)轉(zhuǎn)矩較高，振動(dòng)較低，綜合性能較好。該電機(jī)技術(shù)參數(shù)以及參數(shù)曲線見表4及圖8。

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

3.1 機(jī)械手的工作流程

如圖9所示為機(jī)械手的工作流程圖。

機(jī)械手從原點(diǎn)開始，水平手臂前伸到達(dá)指定位置后，水平手臂前伸停止，垂直手臂下降，下降同時(shí)張開機(jī)械手手爪，下降到達(dá)指定位置后，下降停止，同時(shí)手爪閉合夾持工件，接著垂直手臂向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定位置后，運(yùn)動(dòng)停止;機(jī)械手機(jī)座逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過(guò)90度到達(dá)位置后，停止轉(zhuǎn)動(dòng);然后垂直手臂需下降到卡盤中心位置停止，機(jī)械手完成定位，水平手臂收回，將工件裝入卡盤;完成裝件后，卡盤收緊，機(jī)械手手爪張開，然后垂直手臂向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)位置后上升停止;機(jī)械手機(jī)座順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過(guò)90度到達(dá)位置后轉(zhuǎn)動(dòng)停止，此時(shí)機(jī)械手回到原點(diǎn)待命，車床進(jìn)行加工。

數(shù)控車床完成工件加工，機(jī)械手接到下料命令后，機(jī)械手機(jī)座逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度后停止，垂直手臂向下運(yùn)動(dòng)到指定位置后停止，手爪閉合夾持住已加工工件，車床卡盤打開，水平手臂前伸取出工件，垂直手臂向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)位置后停止，機(jī)座順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度到達(dá)位置后停止;垂直手臂向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)位置后停止，手爪張開，將工件放入指定位置后，垂直手臂繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)位置后停止，手爪閉合，最后機(jī)械手水平手臂向后伸縮，到達(dá)位置后縮停止，機(jī)械手回到原點(diǎn)，上下料過(guò)程結(jié)束。

3.2 數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手操作面板

本設(shè)計(jì)理想操作面板如圖10所示。工作方式分為手動(dòng)與自動(dòng)。

手動(dòng)：通過(guò)按鈕控制。如工作方式選為手動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方式選為升降，此時(shí)按下啟動(dòng)，垂直手臂上升;按下停止，垂直手臂下降。或運(yùn)動(dòng)方式選為伸縮，按下啟動(dòng)，水平手臂向前伸縮，按下停止，水平手臂向后伸縮。同理，運(yùn)動(dòng)方式選為正逆旋轉(zhuǎn)，按下啟動(dòng)，機(jī)座順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，按下停止，機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

自動(dòng)：按下啟動(dòng)鍵，機(jī)械手將從原點(diǎn)開始自動(dòng)完成循環(huán)動(dòng)作。按下停止鍵，機(jī)械手將繼續(xù)完成一次循環(huán)動(dòng)作后停止，最后再次回到原點(diǎn)位置。

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