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

潘寧 PAN Ning

摘要：本課題針對于數(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，通過對機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算。同時(shí)對機(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。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。

Abstract： The automatic cylindrical manipulator is designed for CNC lathe， including the drive system， hydraulic system and control system.At the same time， the overall structure of the manipulator is detailed designed， mainly including the robot fuselage seat， manipulator arm， robot hand claws and other parts.The operation process of automatic CNC lathe is analyzed， mainly using hydraulic cylinder， stepping motor and other components to realize the manipulator movement part.

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)

Key words： CNC lathe;manipulator;drive mechanism;hydraulic system;drive system

中圖分類號(hào)：TG506.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   文章編號(hào)：1674-957X（2021）22-0083-02

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)

工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要包括直角坐標(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)器人四種[8]。其對應(yīng)的特點(diǎn)如表1。

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

1.2.1 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)要求? 本課題機(jī)械手手爪開閉范圍需夠大。在機(jī)械手工作時(shí)，其中一個(gè)手爪張開夾緊角度的最大變化量為開閉范圍。手爪開閉范圍的要求與工件的形狀以及尺寸等因素都有關(guān)聯(lián)。通常情況下，機(jī)械手手爪的開閉范圍越大越好。

1.2.2 手爪結(jié)構(gòu)的采用方案? 結(jié)合具體的工作要求，綜上所述，本課題采用的是齒輪齒條式。通過活塞往返帶動(dòng)齒條完成手爪張開或夾緊的動(dòng)作。

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

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。結(jié)合本課題，本設(shè)計(jì)手腕不加自由度以便于機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單。

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

考慮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)，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，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。

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

2.1 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，本課題機(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)。

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

本課題中機(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)，即簡化了機(jī)械手結(jié)構(gòu)，也有利于提高機(jī)械手整體的精度。本課題機(jī)械手機(jī)座部分選擇了電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則需要通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速。經(jīng)分析比較，本課題選擇圓柱齒輪傳動(dòng)。

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

2.3.1 影響定位精度及平衡的因素? 定位方式、速度、剛度、運(yùn)動(dòng)件重量以及驅(qū)動(dòng)源等因素對機(jī)械手整體的平衡以及穩(wěn)定都會(huì)產(chǎn)生一定影響。如定位方式選擇機(jī)械擋塊定位，其擋塊的強(qiáng)度以及與擋塊碰撞時(shí)速度的大小等都有關(guān)聯(lián)。速度對定位精度也有較大影響如，速度過快或過慢都會(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)械手整體以及被夾持工件均屬于運(yùn)動(dòng)件。合理控制運(yùn)動(dòng)件本重量以及機(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。

2.3.2 平衡機(jī)構(gòu)分類? 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)三類為目前工業(yè)機(jī)器人常用的三種平衡機(jī)構(gòu)的形式[12]。

彈簧平衡機(jī)構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。

活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)分為液壓和氣動(dòng)兩種，兩種均具有較好的阻尼作用，但液壓平衡系統(tǒng)體積較小，氣動(dòng)平衡系統(tǒng)體積較大。活塞式平衡系統(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。一般用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合[13]。

配重平衡機(jī)構(gòu)平衡效果一般，但其機(jī)構(gòu)簡單，較為穩(wěn)定。

2.3.3 平衡機(jī)構(gòu)采用方案? 本課題選擇通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以保證手臂本身達(dá)到平衡。因在設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)以及整個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)和布局的過程中已著重考慮了機(jī)械手手臂的平衡問題，為使機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)簡單，故不采用平衡機(jī)構(gòu)。

3? 理性分析計(jì)算以及主要參數(shù)確定

3.1 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)? 本課題的液壓系統(tǒng)選擇定量泵供油，為了保證液壓油無雜質(zhì)摻進(jìn)，選擇在油泵入口添加粗過濾器，在其的出口安裝精過濾器凈化。本課題的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，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)。

3.2 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。機(jī)械手手爪、水平手臂、垂直手臂液壓缸參數(shù)見表2、表3 以及表4。

3.3 電機(jī)選型? 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮各種因素，通過查閱《機(jī)械手冊》，最終本課題選用型號(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)見表5。

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

4.1 機(jī)械手的工作流程

本文機(jī)械手工作方式包含四種，經(jīng)歸納整理依次是：復(fù)位、自動(dòng)、手動(dòng)、半自動(dòng)，前文已有詳細(xì)介紹，四者均有其獨(dú)特特征。

復(fù)位操作重點(diǎn)面向任務(wù)執(zhí)行前或故障解決后，不但把現(xiàn)下所有工作準(zhǔn)確移到原點(diǎn)，而且屬于各部件運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)。

自動(dòng)即機(jī)械手先獲得生產(chǎn)線指令，再由總控制臺(tái)操作下執(zhí)行具體任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)保持聯(lián)線情況下，工作開關(guān)必須到達(dá)“自動(dòng)”處，這種情況下，所得指令信號(hào)由自動(dòng)生產(chǎn)線提供。

機(jī)械操作階段不可避免因某方面情況造成故障發(fā)生，或調(diào)試階段均依賴手動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)，屬于不可或缺重要方式?！笆謩?dòng)”位系統(tǒng)保持離線模式，僅僅接收控制面板下達(dá)指令，無法獲得其余信號(hào)。機(jī)械實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)前，所有部位均處于原位待命，一旦選擇手動(dòng)相關(guān)按鍵，就會(huì)執(zhí)行對應(yīng)操作，若想停止操作，只需重新選擇一次。此時(shí)只能接收急停信號(hào)，換言之，其余信號(hào)全部無效。

4.2 數(shù)控車床自動(dòng)上下料機(jī)械手操作面板

本課題理想操作面板如圖1所示。工作方式分為手動(dòng)與自動(dòng)。

自動(dòng)：機(jī)械手獲得生產(chǎn)線指令后，利用總控制臺(tái)開始作業(yè)?；诳刂泼姘逶O(shè)置成開關(guān)在“自動(dòng)”位情況下，系統(tǒng)保持聯(lián)動(dòng)模式，僅接收自動(dòng)生產(chǎn)線指令信號(hào)。

手動(dòng)：具體用在總控制臺(tái)發(fā)生故障、進(jìn)行調(diào)試或其余一些必須手動(dòng)執(zhí)行情況下。設(shè)置成“手動(dòng)”位，系統(tǒng)保持離線模式，無法接收自動(dòng)生產(chǎn)線信號(hào)，僅僅接收控制面板指令。開啟這種方式，而且所有部位保持原位，所有電機(jī)保持停機(jī)后，由控制面板選擇升/降、前/后移、夾/放按鍵，可開始對應(yīng)動(dòng)作，然后繼續(xù)選擇對應(yīng)按鍵，就能結(jié)束動(dòng)作。再者，只有急停信號(hào)有效，其余信號(hào)將全部無效。

5? 結(jié)論

本文針對機(jī)械手設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵問題展開研究，給出一些優(yōu)化方案，包括：系統(tǒng)抗干擾能力的提升，讀、寫、事件響應(yīng)時(shí)間的精準(zhǔn)控制問題等。伴隨科技的進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展勢必朝更專業(yè)化、復(fù)雜化、可重構(gòu)化的角度發(fā)展，表現(xiàn)出更強(qiáng)的靈活性和更多元的控制方式。因此，PLC控制還將有眾多問題亟等解決，整體來講，數(shù)控上下料手臂在機(jī)械手開發(fā)中還有著極大的提升空間。

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