数控机床机械手设计

摘 要随着制造业的不断发展,工业产品生产效率及质量也急需有所提高.数控机床的出现在很大程度上提高了工业生产控制水平,各种类型机械手已经遍布全球各大工业生产车间.本文从数控机床机械手的构造及分类出发,简要的分析了机械手模块化设计理念.

关 键 词数控机床；机械手；模块化

中图分类号TG659文献标识码A文章编号1674-6708（2013）107-0104-02

1数控机床机械手构造

数控机床机械手是由控制系统、驱动系统、执行机构以及位置检测系统四大块组成的,实际工业应用过程中,需要这四部分共同配合来完成一项任务.这里给出数控机床机械手的工作图

1）控制系统

控制系统是机械手的大脑,它决定着机械手的具体运动方式.机械手一个动作的完成首先是由用户向控制系统发出指令,控制系统将该指令转化为具体的控制信号,通过程序控制电路、电极控制模块、机械控制等几部分来控制机械手实际运动.其次,机械控制模块还会将机械手实际的运动情况收集起来,转换为相应信号反馈给控制系统,以判断机械手是否按照用户要求运动,是否能够准确的完成用户所指定的任务.当反馈信号显示机械手出现运动偏差时,控制系统将发出警报信号提示用户.

2）驱动系统

驱动系统顾名思义是数控机床机械手中驱动执行机构运动的装置,该装置的主要组成部分为控制调节器、动力系统、辅助装置等.我们在工业生产中所提及的机械传动、液压传动等,均是使用较为广泛的驱动系统.

3）执行机构

数控机床机械手外型上与人手臂相类似,也是有手腕、手臂、抓手三部分组成,特殊情况下还可以加装移动行走机构,提高机械手运行范围.抓手的主要作用就是抓取物料,常见的抓取方式为吸附式和手抓式.吸附式抓手是通过所安装的吸盘来执行任务的,电磁式吸盘依靠电磁铁所产生的磁力来吸附导磁性物质,手抓式吸盘就像是人的手一样抓取物件,所以在实际应用中,主要用来抓取重量较轻,尺寸较小的零件.手腕部分的主要作用是用来调节工件的抓举方位以及角度,它是连接抓手与手臂的关键部分.手臂部分是机械手的主要城中部分,它主要是控制抓手从最佳的角度抓取物件,同时根据软件控制系统发出的信号,按照要求将物件放至准确位置.

4）位置检测系统

数控机床机械手位置信号有手臂位置、抓手状态、行走位置等几种,信号检测系统的主要作用就是用来检测这几种信号,然后将信号反馈至主控制系统用来判断当前各个位置信号是否正确,机械手各部件是否处于正确位置,同时主控制系统向位置检测系统发送控制信号,给出机械手下一步操作任务.

2数控机床机械手分类

1）按照用途分类

数控机床机械手可以应用于很多种工业生产过程中,但是生产内容不同所使用的机械手类型也不同.当前数控机床机械手有专用和通用两种,所谓专用就是只能够用于特定的生产过程中,主控系统程序是固定的不能随意更改的,这种机械手通常情况下用于单一工业生产过程；所谓通用就是指机械手可以用于不同工业生产过程,其主控系统程序可以根据控制需要进行更改调整,在不同场合提供不同的运动方式.

2）按照驱动方式分类

驱动方式决定着机械手的运动方式,它也是区分机械手类型的重要因素.气压机械手是依靠压缩空气来驱动的,这种机械手以空气为介质,制造成本较低,而且能够广泛适用于很多高危生产环境中.此外气压机械手的结构相较于其他机械手简易很多,不需要配备专业维修人员,所以这种机械手是很多工业生产控制过程的首选；液压机械手主要用于质量很大的物件抓取,它依靠密封的液压装置来提供强大动力,但相应的制造成本也比较高,而且对于维护要求也比较高.

3）按照控制方式分类

现阶段数控机床机械手的控制方式就两种：点位控制和轨迹控制.点位控制思想就是路径线段化,将机械手需要运动路径划分为规定距离的细小线段,划分的线段端点越多,机械手的运动精度就越高,但同时这种控制方式对系统的要求也比较高.这种机械手在当前很多工业控制过程中被广泛使用；轨迹控制相较于点位控制而言技术要求就更高一些,它可以满足机械手在任意空间范围内的运动,而且运行过程更加的稳定准确.这种机械手的控制系统更为复杂,通常情况下需要计算机参与辅助控制.

3机械手模块化设计理念

模块化设计理念是伴随着工业制造方式的不断转变而兴起的,它是将一个整体分割成若干个独立的功能结构,不同部分可以同时设计,然后再组合成一个整体.这种理念简化了设计过程,优化了系统结构,机构中每一个功能及部件都具有较高的独立性,极大地提高了机构的适用范围.模块化产品设计中最根本最核心的内容就是保证功能结构以及物理结构的相似性,同时相互独立的功能部件可以可靠协调工作.对机构进行模块设计时可以沿着功能体系和构造体系两条主线进行,因为系统能够体现出来的任何一项功能,都是建立在其他功能基础之上的,也就是说系统功能具有上下层关系.此外,系统中还存在着并列功能形式,即一个功能对应着系统可以实现的多个功能.在进行数控机床机械手模块化设计时,我们可以根据实际作业的要求来划分机械手的单元模块.机械手底座是所有功能实现的基础,所以要将它设定为整体模块化设计的基础,然后再根据不同结构所承担的不同功能来设计.经过实践证明,模块化设计能够大幅度降低机械手的设计成本,缩减整体设计时间,以最快的速度满足工业生产控制的需要.

1）模块化机械手结构及设计流程

从数控机床机械手各个机构功能的角度出发,可以将其分为手部模块、腕部模块以及臂部模块.

2）机械手模块组成及功能分析

（1）手部模块组成及功能分析

机械手手部模块中最重要的组成部分就是手指,它主要用来抓取待加工工件.气动机械手气爪是当前应用最为广泛的结构,这种手指能够自动对中,双向高精度抓取.常见的有2指气爪、3指气爪以及多指气爪.在实际工业生产应用中,以抓取棒料为主,例如￠80×6Omm圆柱型工件

联接件的作用是控制手指抓取直径,气爪运动的最大直径为D2,最小直径为D1.外夹持气爪的夹持力方向是从工件表面指向工件圆心.

（2）腕部模块组成及功能分析

机械手腕部模块是由摆动气缸和联接件组成的,它可以保证机械手在90°范围内自由旋转.图中所示联接件1是连接高精度头型调节机构与摆动气缸的,联接件2是连接摆动气缸与气爪的.

通常情况下,联接件都设计有槽与轴相对应的孔,并通过键联接方式将气缸与孔连通.采用螺钉固定的方式防止键的轴向移动.

（3）手臂模块组成及功能分析

图1所示为横臂模块的结构图,横臂是由ML2B气缸、联接件、导轨三部分组成的.这三部分均安装在门架横梁上,而且可以在水平方向自由移动.机械手的横臂与直臂也是通过连接件连接在一起的,而且通过高精度柔性调节机构来保证机械手气爪与机床卡盘的对中精度（图2）.