数控机床下料手机械结构设计分析

张茹 闫轶

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我国数控机床的发展现状

现阶段高精尖的数控机床主要应用在我国航空、军工、汽车以及发电仪器等制造行业。我国数控机床技术拥有几十年的发展时间，并且已取得了显著的成果，目前已经掌握了数控系统、伺服动力、主机研发等关键技术，其中还有一些核心技术已经实现产业化进程。我国是当今社会数控机床消费量最大的大国，自己研发的数控机床的比例逐渐增加，相关数控技术领域的人才团队也在迅速扩大。不过，现阶段自主研发的数控机床一些技术依旧存在诸多的问题，举例而言：自主研发的数控机床在外观上和进口数控机床基本一致，作用也不分上下，可是在性能和精度上却相差较多，进而造成“形”像却“神”不像的状况。

3数控机床的关键技术

3.1补偿误差技术

加工过程中出现的误差对产品的质量产生直接影响，所以随着对加工产品质量要求的不断提升，对产生误差的重视程度也越来越高。数控机床加工所采用的补偿误差技术，能够最大程度减小误差和误差对产品造成的影响，这需要对产生误差的原因进行深入研究。床身、立柱、主轴以及各种导轨等是组成数控机床的重要部分，这几部分都可能在生产中产生误差，补差误差技术主要体现在误差建模、误差测量和误差补偿三个方面。其中最基础的技术是误差建模，这包括误差元素建模和综合建模两项内容，其次是误差测量技术，这包含直接测量和间接测量，这两项工作都是为最后的误差补偿技术创造条件。根据时间可以将误差补偿技术分为离线补偿和实时补偿，前者是以测量的误差为依据，在后期进行机床的误差补偿，这只适用于机床产生的稳定误差。如果是因温度等原因产生的误差必须进行实时补偿，研究补差误差技术是让补偿误差工作更加有效、简便和准确。

3.2直线电机进给驱动技术

无需任何中间转换装置实现电能向直线运动机械能的直接转换，就是直线电机，结构简单、磨损少、效率高、噪音小以及组合性强是其主要的优势。交流直线电机是当前在高精度数字机床上普遍应用的设备，这种设备有直线感应电机和永磁直线同步电机两种，直线感应电机成本较低，并且受到外界干扰影响的程度较低，同时也可以抗电磁干扰；永磁直线同步电机同时具备直线电机和永磁电机的优势，响应速度更快、体积更小、推力能量更大，所以是当前高精度直线进给系统的首选。

3.3五轴联动技术

五轴联动数控机床是当前高档数控机床的主要类型，也是航天航空等诸多重工业加工精密仪器时应用的主要工具。“3+2”是五轴联动数控机床的结构模式，可以实现X、Y、Z三轴与另外两轴的同时运动和回转。欧美和日本是进口五轴联动数控机床的代表国家，其数控技术处于国际领先水平，由于国外技术封锁和国内缺乏工业基础的原因，我国现在整体的数控技术水平较为落后，不过对五轴联动数控机床的研究脚步从未停止。

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結构，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。手腕作为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。

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.