数控机床送料机械手的通用系统设计方案

摘要：本文主要介绍了机床上下料的概念、组成和分类，国内外的发展状况，机械手的自由度和坐标形式、运动。对机床上下料机械手进行总体方案设计，首先确定机械手的坐标形式为直角坐标型，接着确定了机械手的驱动装置为电气驱动，然后确定了机械手的主要技术参数。

关键词：机械手;机床送料;气动;步进电机

一、工业机械手的选择

1.1 机械手的概述

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。

1.2 机械手的发展

（1）重复高精度

精度是指机械手达到指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机械手来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。

（2）模块化

有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。

（3）节能化

为了适应食品、医药、生物工程、電子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。

（4）机电一体化

由“可编程控制器—传感器—液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制” ;节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。

二、机械手的总体设计方案

2.1 机械手的手部结构方案设计

为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式弧形手部;当工件是方体时，使用半工字形状的手部机构。

2.2 机械手的手腕结构方案设计

考虑到机械手的自由度，同时由于被抓取工件是小型方块，因此，手腕设计成固定形式，并与手部设计成一个整体。

2.3 机械手的手臂结构方案设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有一个自由度，即手臂的伸缩运动。通过齿轮齿条传动带动手部左右移动。

2.4 机械手的腰座结构方案设计

腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电机方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机械手的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。

2.5 机械手的驱动方案设计

驱动机构是装配机器人的重要组成部分， 装配机器人的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。气动机械手因为结构简单、成本低廉、重量轻、动作迅速、平稳、安全、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用在生产自动化的各个行业。直流电机控制速度比较容易，且转矩较大，可以实现运动空间内的往返运动。直流电机便于调速，且具有较好的机械特性，所以很早就用于机床主传动系统， 以实现无级调速。但一般的直流电动机转动惯量过大， 而且输出转矩相对过小， 动态特性较差， 尤其在低速运转条件下更为突出， 因此不是很理想的伺服电机。

2.6 机械手的控制方案设计

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器（PLC）——西门子S7-200系列对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

三、结论

机械自动化作为工业发展的一个方向，它有着广阔的市场，属于实际需要去研制的一种项目。机械手能模仿人体上肢的某些动作，就需要有一定的灵敏度，对设计的要求较高。通过这次设计，提高了我分析和解决问题的能力，扩宽和深化了学过的知识，掌握了设计的一般程序规范和方法，培养了我们正确使用机身材料、国家标准、图册等工具书的能力。

参考文献

[1]徐元昌.工业机器人.北京：中国轻工业出版，1999

[2]刘忠伟，邓英剑.先进制造技术.北京：国防工业出版社，2011

[3]赵景山，冯之敬，褚福磊.机器人机构自由度分析理论.北京：科学出版社，2009

[4]陈恩伟.机器人动态特性及动力学参数辨识研究.合肥：合肥工业大学出版社，2008

作者简介：曲辉，身份证号：21022119750321059X

性别：男，籍贯：辽宁省大连市，学历：专科，学校：兰州铁道学院，研究方向：机械

（兰州铁道学院）