数控机床下料手机械结构设计分析
张浩然
摘要：各机械机构作为机械手最为重要的组成部分，同时也是影响机械手控制精度、工作负载、响应速度等的主要因素，因此机械手各部件的优化设计对实现机械手工作效率最大化具有非常重要的意义。关键词：数控机床；下料手；机械结构；设计
1 机械手的概述
机械手主要是以人手臂为原型，然后通过编程设置机械手的固定动作，机械手在施工期间能通过各个零部件间的配合实现抓取、搬运等动作，是一种能进行自动化操作的设备。早期的机器人多为机械手机器人，机械手的研发，能让人从繁重的劳动中解放出来，特别是在生产强度较高的情况下，机械手不但能实现自动化生产，也能在较大程度上让工作人员的安全得以保障。使用机械手不仅提高生产能力，还能发展生产自动化，也可以保障工作期间人员安全，所以机械手在各个领域内都能得到切实的应用。
根据当前的状况获悉，使用PLC或者继电器控制，能让机械手的控制方式得以强化。现在继电控制由于故障率偏大，所以消耗的功率也很大，在控制方式略显死板的情况下，传统的继电器控制方式已经被淘汰；目前只能推行优势化控制，微机控制使用的比较多，这就使整个控制出现抗干扰能力差的局面，后期维修困难，所以采用PLC控制的多为高新技术或者电子行业。
PLC控制多是以PLC为依托，将计算机、自动控制和通信技术三者融为一体。由于自动控制系统之间要相互通用，所以结构就偏于简单，编程过程也耗时较短，这就体现出PLC的优势，能保证性能的良好和可靠，同时由于抗干扰能力较强，所以维修方便和快捷，这样的机械手操作最具效果。
2 机械手三维建模过程
第一步：采用以底座为基座的装配顺序。
第二步：装配拉锯床上下料机械臂的旋转关节，让机械臂可以进行正反向旋转，以满足拉锯床上下料机械臂在拉锯床上工作时的上下料操作。
第三步：装配拉锯床上下料机械臂的动力臂。动力臂是承载拉锯床加工工件主要重量的部分，对舵机和支架的强度要求较高，是整个设计的关键部分之一。
第四步：装配是拉锯床上下料机械臂的平衡臂。平衡臂主要在拉锯床上安装调试过程中调节工作的空间时使用。
3 数控机床下料机械手结构设计
直角坐标结构、圆柱坐标结构、球状坐标结构以及关节结构是现代工业生产中数控机床上下料机械手的四种主要结构设计形式。圆柱坐标结构的下料机械手的空间运动主要是以一个机械臂的回转运动、机械臂伸缩以及支撑柱的升降等两个直线运动来实现上下料工作的，这种结构的机械手工作中的自由度数是3，机械手的工作区间主要是圆柱形状，机械手的基本结构组成较为简单，能够实现较高的工作精度，常用于数控机床上工件的搬运工作。根据数控机床上机械手安装形式以及工作要求，主要采用的结构形式是圆柱坐标式。
4 机械手各部件的设计
4.1 下料机械手手爪结构设计
下料机械手手爪主要是用来完成工件装卸任务的，根据机床以及具体工作方式的不同，可以将机械手划分为搬运类、加工类以及测量类三种。机械手手爪结构设计的第一原则是满足工作要求，还要具有结构简单、连接部件少、通用性好等一般特点。除此之外机械手设计也需要考虑安装与维修便利性，以及与现代智能计算机控制系统的兼容性。机械臂手爪的结构大多采用杠杆式的连接结构，通过活塞的推压作用实现各结构联动，使手爪作出加紧或者放松的动作，杠杆式结构能够最大限度的放大作用力，应对较大的工作负载。
4.2 下料机械手手腕结构设计
下料手机械手手腕结构是连接手爪与手臂的关键部件，是整个机械手构件完成指定动作的最尾端，需要能够很好地配合手臂并控制手爪完成特定的工作。手腕作為连接部件在满足工作要求的前提下也需要遵照体积小巧、结构紧凑的设计原则。手腕活动的自由度主要是根据机床机械手具体的工作内容所决定的，一般情况下机械手手腕的部件灵活性与运动性主要是由该结构的自由度数所决定的，自由度数增加，手腕结构的灵活性增强，对各种构件的搬运操作的运动路线的选择性更多，但是自由度增加同时会使腕部结构更加复杂，设计与制造成本也会大大增加。同时为保证机械臂工作时能够很好地实现各种力的传递并保持连贯性，结构的连接需要保持具有足够的强度与刚度。为保持运动过程中具有足够高的精度，应该尽量降低手腕部件各关节联动的复杂程度，并充分利用构件的刚度性质为机构的运动设置硬限位，避免机械手超限运动对操作人员造成伤害或者机械手自身损坏。通过对大量实际机床机械手机构设计的考察与分析，为保证数控机床下料手操作精度与安全性，并本着结构简单、结构紧凑的设计原则，在保证作业要求的前提下，大多设计为3个自由度，完全能够实现下料手的各种复杂工作要求。
4.3 机械手机械传动机构的设计
机械手的传动构件设计特点是影响机械手控制难度、操作精度以及响应速度的关键因素，因此机械手传动机构的设计应满足体积小、重量轻、结构紧凑、构造简单等特点，在保证机械手能够完成基本操作任务的前提下，尽量减少反向空回运动以提高结构运动控制精度，而且还要对各连接结构间的链传动的配合方式作进一步的优化设计，以提高机械手传动系统的刚度，增加系统的使用寿命。大部分下料机械手的传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、链传动、同步带传动等几种形式。为充分考虑系统传动与运动精度要求，尽量降低各传动构件间的配合传动误差，同时保证传动过程中具有较大的扭矩，普遍采用齿轮传动作为传动基本构件，同时该齿轮要保证具有足够高的强度、硬度以及制造精度。
5 机械手手臂平衡机构设计
一般情况下关节式下料机械手平衡机构的主要作用就是最大限度地降低驱动器的负载并提高系统对各种控制命令的响应速度。生产实际中普遍采用弹簧式平衡机构，它具有平衡效果优良、结构简单、制造成本较低、便于拆卸和维修等特点。机械手设计的关键环节就是通过对机械手主要构件、传动机构、连接机构、平衡机构等各机构进行优化设计、调整布局形式与配合方式、使整个系统达到平衡运动的效果，同时弹簧式平衡机构能够针对这一间题进行平衡优化以达到要求。
6 结语
目前我国多数工厂生产线上各种数控机床中工件装填主要依靠人力来完成，使得普通职工劳动强度很大，不仅严重影响工厂的生产效率，还对工人生命健康构成一定威胁。数控机床上人工装填工件的生产方式已经无法满足现代机械行业全自动、高效率生产的发展趋势。为提高生产效率，提高生产过程的安全性与自动化，需要根据数控机床的机械结构与机械连接技术设计出一台机床上的下料机械手，取代人力劳动以实现数控机床生产的无人化与自动化。
参考文献：
[1]刘剑雄，韩建华.物流自动化搬运机械手机电系统研究[J].机床与液压，2013（1）.
[2]陈铁鸣，王连明，王黎钦.机械设计（修订版）[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版，2017.
[3]孙兵，赵斌，施永康.基于PLC的机械手混合驱动控制.液压与气动，2016，（3）：37-39.
[4]徐灏.机械设计手册（第5卷）[M].北京：机械工业出版社，2017.
[5]胡学林.可编程控制器（基础篇）.北京：电子工业出版社，2013.
