数控机床机械手机械结构设计姜川

数控机床机械手机械结构设计姜川

姜川1王佳2

（1.齐重数控装备股份有限公司，黑龙江齐齐哈尔161005；2.一拖黑龙江农业装备有限公司，黑龙江齐齐哈尔161005）

摘要：随着当代制造行业迅猛发展，我国制造业产品生产效率、质量也在不断化提升。数控机床能够有效的提高工业生产的水平，当数控机床配备机械手时，可以大幅度提高生产效率，产品制造的自动化程度显著提高。当前各种类型的机械手已广泛应用各种零件的制造加工。本文主要基于作者实际工作经验，对数控机床的机械手构造进行分析，并且提出优化数控机床机械手的设计措施，希望对相关从业人员有所帮助。

关键词：数控机床；自动化；机械手；设计

1.1机械手末端执行器的设计

机械手末端执行器主要是安装在机械人手腕上用以进行某操作和附加装置。机器人末端执行器种类较多，以适应机器人的不同作业和操作要求，末端的执行器主要分为搬运用、加工用、测量用。测量用末端执行器主要是装有测量头或者是传感器的附加装置，用以测量和检验作业。

1.2机器人夹持器的运动、驱动方式

机器人夹持器、机器人手爪，一般工业机器人的手爪主要是双指手爪的方式，按照手指的运动方式，能够分为回转型、移动型，按照夹持的方式进行区分，主要分为外夹式、内撑式。

1.3设计采用的方案

结合实际工作情况，本次设计主要是采用了连杆杠杆式的手爪，驱动活塞往复移动，经过活塞杆端部的齿条，中间齿条和扇形齿条将使得手指张开或者是闭合，手指最小开度主要是由加工工径的直径进行调定的。本设计主要是按照工件直径为50mm进行设计，手爪的结构形式主要如下图所示：

机械手末端执行手爪结构图

2机械手模块化设计理念

模块化设计理念伴随着工业制造方法的不断变革，工业制造方法将整体划分为几个独立的功能结构。可以同时设计不同的部件，然后组合成一个部件。该概念简化了设计过程并优化了系统结构。模块化产品设计的最基本和核心内容是确保功能结构和物理结构的相似性，而独立的功能组件可以可靠地工作。组织的模块设计可以沿着功能系统和结构系统的两条主线进行，因为系统可以反映的任何功能，它们基于其他功能，这意味着系统功能具有上层和下层。另外，系统中还有并行功能，即一个功能对应系统可以实现的多个功能。在设计数控机床的模块化设计时，我们可以根据实际操作的要求划分机械手的单元模块。机器人基础是所有功能的基础，因此应将其作为整体模块化设计的基础，然后根据不同结构的不同功能进行设计。实践证明，模块化设计可以大大降低机器人的设计成本，缩短总体设计时间，以最快的速度满足工业生产控制的需要。

1）模块化机械手结构和设计流程

从CNC机械手的各种机构的功能来看，它可以分为手模块，手腕模块和臂模块。

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

机器人手模块最重要的部件是手指，主要用于抓取待加工的工件。气动机械手是世界上使用最广泛的结构。通常有2个手指夹持器，3个手指夹持器和多指夹持器。在实际工业生产应用中，主要是抓棒料，如¢80×6Omm圆柱形工件，联接器的功能是控制手指握把的直径。外夹爪的夹紧力的方向从工件表面指向工件的中心。

（2）腕部模块组成及功能分析

机械腕部模块由一个摆动缸和一个联轴器组成，确保机器人可以在90°内自由旋转。连接件1连接到高精度头型调节机构和摆动缸，连接件2连接到摆动缸和空气夹持器。通常，联轴器设计有与轴对应的孔，并且缸通过键连接连接到孔。通过拧紧防止钥匙的轴向移动。

（3）手臂模块组成及功能分析

横臂由三部分组成：ML2B气缸，联轴器和导轨。这三个部件安装在龙门架梁上，可以在水平方向上自由移动。机器人的横臂和直臂也通过连接件连接，并使用高精度的柔性调节机构。

3机械手的总体设计

3.1机械手总体结构的类型

有四种主要类型的工业机器人：笛卡尔坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：

（1）直角坐标机械手结构特点：笛卡尔机器人的空间运动通过三个相互垂直的线性运动来实现。由于线性运动易于实现全闭位置控制，因此运动位置精度高，但这种机器人的运动空间相对较小。如果想要获得大的移动空间，机器人的尺寸必须足够大。笛卡尔机器人的工作空间是一个空间长方体，主要用于装配工作和搬运操作。笛卡尔机器人有三种结构：悬臂式，龙门式和起重机型。（2）圆柱坐标机械手结构特点：圆柱坐标操纵器的空间运动通过旋转运动和两个线性运动实现。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种类型的操纵器结构相对简单并且精度相对较高，并且通常用于处理操作。（3）球坐标机械手结构特点：球面坐标操纵器的空间运动通过两个旋转运动和一个线性运动来实现。其工作空间是一个类球形的空间。该机械手结构简单，成本低，但精度不高，主要用于搬运作业。（4）关节型机械手结构特点：铰接式机械手的空间运动通过三个旋转运动实现。与机器人本体的尺寸相比，工作空间相对较大，运动灵活，结构紧凑，占地面积小。这种机器人广泛用于工业中，例如焊接，涂漆，处理，组装等。铰接式机械手分为两种类型：水平关节型和垂直关节型。

机械手工作布局图

3.2机械手设计的一般要求

机械手手爪设计有如下要求：（1）机械手的爪子是根据机器人的操作要求设计的。夹具根据其应用设计。（2）机械手爪的多功能性和特异性是矛盾的。通用手爪结构非常复杂，甚至难以实现。除了快速更换设备以实现机器人的各种操作功能外，而不是使用多功能的手来完成各种工作，以考虑设计的经济效益。（3）机械手手爪的通用性。多功能性是指可以应用于不同机器人的有限手。（4）机械手的爪子应易于安装和维护，并易于实现计算机控制。

结束语：

作为机械手的重要组成部分，机械手的机械结构的设计对于机械手的工作性能、用途和经济性都有不同程度的影响。因此必须重视机械手的机械结构的设计工作，并进行深入的研究，确保能够更为科学合理的对机械手进行结构设计。

参考文献

[1]史桂福.数控机床上下料机械手的机械结构设计[J].中国设备工程,2017,(15):161-162.

[2]袁川来,胡灿,杨剑波.基于液压驱动的数控机床上下料机械手的设计与研究[J].湖南工业大学学报,2014,(3):20-23,70.doi:10.3969/j.issn.1673-9833.2014.03.005.