车床上下料液压机械手的设计.pdf

2023 年 11 月上南方论坛41South Forum车床上下料液压机械手的设计*杨丽梅，李鹏祥，张春兰，李永宁，王博（宁夏理工学院，宁夏 石嘴山 753000）摘要：【目的】随着科学技术的不断发展以及我国综合国力的增强，人们的生活水平不断提高，各方面都发生了很大的变化。传统的人工进行上下料不仅效率低，而且工人劳动强度大、存在较大安全隐患。机械手能够代替工人完成简单重复的工作，成为工业生产中必不可少的一种新型机械制造设备。为了提高工作效率，保障工人人身安全，可以采用机械手进行车床上下料的操作。【方法】课题组通过查阅国内外的相关文献资料，对现有机械手的结构进行比对分析。结合车床上下料的工况环境，对现有机械手的结构做进一步的改善。课题组对车床上下料机械手的整体方案进行设计，首先对机械手的结构形式进行选择，并对机械手腰座、机械手手臂、机械手手腕、机械手手爪等主要部分进行结构设计；其次依据液压机械手在工作的过程中实现的动作对液压传动系统进行设计，并绘制液压系统图。为了能实现车床上下料机械手的自动化控制，利用PLC对液压传动系统的电磁阀以及电机的转动进行控制。【结果】通过对车床上下料机械手结构、控制方式的改进，提高了车床上下料机械手的工作效率和控制精度。【结论】此设计为以后学者研究机械手的其他方面提供了一定的理论基础，在智能制造快速发展的时代具有相当重要的现实意义。关键词：机床；机械手；腰座；手腕；手爪中图分类号：TG51；TP241 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.21.010制造业是我国的立国之本、兴国之器、强国之基。中国是制造业大国，随着工业5.0时代的到来，机械手作为智能机械化、自动化生产过程的一种新型装置，现已被广泛地应用于智能自动化柔性生产线中1。近年来，智能机器人生产和研制的快速发展，促进工业机械手朝着智能化、自动化、精细化的方向进一步发展2。当下机械手的种类包罗万象，虽然机械手的灵活性能与大多数人工相比低了很多，但是它可以替代人工做一些重复枯燥的机械运动。目前，我国大多数工厂里面的生产流水线工作还是由人工劳动力去完成的，其中的危险性较大，人力、物力的消耗对于工厂来说是一笔不小的开销，但是如果换成现有的老旧机械手，耗时长、生产效率低下而且成本并不低。本设计的主要目的是针对国内生产线上那些劳动强度大且具有一定危险性的岗位，满足工厂生产的需要，并提高生产的效率，节省工厂在人力、物力上的成本。车床上下料机械手整体结构的改进，能够有效提高劳动生产率，降低人力劳动的强度，改善车床上下料车间的工作环境。为此，我国高度重视机械手的研制和发展，本设计可为后续相关人员的研究提供一定的理论参考依据。1 机械手整体方案的设计1.1 机械手结构形式在车床上下料中，根据给定的设计参数，在考虑到加工制造的工件合格的情况下尽量地减少成本和材料的消耗且有效地提高工作效率。只有所设计的机械手结构简单紧凑才能有效地达到上述目标，因此在这次设计中最大程度上简化机械手的结构使其方便操作和使用，为工厂的使用提供了最大的便捷。由于机械手需要实现上下料和取料的动作，主要考虑在X轴和Y轴运动以及绕Z轴的旋转运动。故选用圆柱坐标形式的结构，设计实现上下料功能的机械手3。机械手结构形式如图1所示。机床工件运输托盘工件物流自动线装/卸工件位置取/送工件位置已加工工件接受操作工件未加工工件原点位置图1机械手结构形式基金项目：2019年宁夏自治区“数字化设计基础教研室”（nxyljcjxz-18）；2018年宁夏自治区“宁夏先进制造技术研究人才小高地”（201806）作者简介：杨丽梅（1991），女，甘肃白银人，硕士研究生，助教，研究方向为机械设计。南方论坛422023 年 11 月上South Forum1.2 机械手腰座结构设计驱使机械手腰座回转的方式主要有以下两种：1）电机通过减速器机构来控制腰座的回转；2）电机通过摆动液压缸或液压马达机构来控制腰座的回转。综合目前国内机械手的整体情况可以看出，大部分的机械手都采用电机通过减速器机构来控制腰座的回转。本次设计的机械手的控制系统基于PLC进行控制，为了使机械手在运动的过程中各个机构之间不会产生干涉现象，因此在设计的过程中不用选择过多的液压元件。腰座是上下料机械手的重要回转关节，对机械手控制的精度产生极大的影响，精确地控制机械手腰部的回转运动非常重要4。如果直接采用电机带动减速器来控制机械手腰座的转速和扭矩，在满足转速和扭矩的要求下，齿轮传动的传动比较大，若采用多级齿轮传动，且齿轮传动的过程中存在齿侧间隙，会导致齿轮传动的机械效率较低，因此不宜采用多级齿轮传动。若采用大于100传动比的单级齿轮传动，可避免将机械手的结构设计得复杂，同时，齿轮的材料应选择高强度、高硬度、高精度的铸钢5，并且采用高精度的加工制造工艺，提高加工制造齿轮的精度，从而减小齿轮传动产生的误差来满足机械手腰座的运动性能要求。机械手腰座结构如图2所示。步进电机腰部大齿轮腰部小齿轮圆锥滚子轴承腰回转轴腰座基座图2机械手腰座结构1.3 机械手手臂的结构设计考虑实际工况环境，机械手主要实现上下料功能，运动形式大多数为直线运动。为了方便控制机械手的直线运动，通常采用的控制方式有电动控制、液压传动控制、气压传动控制、复合传动控制等方法。由于在设计的过程中机械手搬运的物料质量较轻，为了能精准地控制机械手的运动，运动速度控制为中低速6。在满足性能和成本的基础上，采用液压控制系统。在机械手手臂工作的过程中由液压系统来控制机械手的上下左右动作，通过液压缸来实现机械手的移动和控制。依据机械手结构的标准范围，为了设计的结构紧凑，在设计的过程中额外加入了导杆机构，并且在小臂上加入了一个导杆来提高其刚度，在大臂处增设了四个导杆，四个导杆呈正四边形布置，为了减轻机械手手臂的重量，所有导杆均采用空心结构。这样设计的机械手臂机构紧凑、质量轻、控制精度高、稳定性好。1.4 机械手腕部的结构设计当机械手进行上下料的作业时，考虑到车床加工的具体形式和具体要求，在满足工艺要求的前提下需要提高机械手工作时的安全性和可靠性。为了降低控制机械手的难度，将机械手的结构设计得简单紧凑一点，因此在设计的过程中采用三个自由度实现机械手的上下运动以及回转运动7。机械手腕部结构如图3所示。?图3机械手腕部结构1.5 机械手手爪的结构设计在机械手的设计中，主要使用了齿轮齿条的结构形式，用手爪后部的液压缸来驱动活塞的移动以带动手爪的张开和闭合，其中，手爪的抓取直径可以随意调节，可以满足抓取工件的尺寸要求8。机械手手爪结构形式如图4所示。图4机械手手爪结构2023 年 11 月上南方论坛43South Forum2 机械手液压系统的设计机械手液压系统由三相异步电动机来提供动力，然后控制机械手臂的移动和换向，在液压系统中选用溢流阀V1对整个液压系统起安全保护作用，其通断由PLC控制的二位二通电磁换向阀1DT的得电与失电进行控制9。整个液压系统中还包含机械手手爪的液压系统设计，其中手爪的抓紧和放松由5DT和6DT来控制，同时这两个元件结合单向阀及节流阀，控制机械手抓紧和放松的速度。为了保证机械手的升降能够有序平稳运行，本次设计采用了2DT和3DT控制的平衡回路为升降液压缸的下腔提供背油，来确保升降的平稳性10。机械手液压系统如图5所示。3 总结本文通过对上下料液压机械手进行整体机构的设计，特别是对机械手的结构形式、腰座、手臂、手爪、腕部等结构进行具体的选型。机械手的控制部分采用液压控制系统，并且通过PLC对液压系统的电磁得失电和电机的转动进行控制，有效提高了机械手的工作效率。?参考文献：1 赵正华，杨文珍.卧式数控车床上下料三轴机械手的控制系统设计J.机床与液压，2017，45(15)：32-34+14.2 张俊.基于视觉定位的自动上下料机械手系统研究D.石家庄：石家庄铁道大学，2012.3 管树龙.数控车床自动上下料机械手结构设计J.内燃机与配件，2021(7)：75-77.4 荆瑞红.NC车床自动上下料系统的设计与实现J.河南科技，2018(28)：53-55.5 徐逍.上下料机械手的PLC控制系统设计J.企业技术开发，2014，33(13)：36-38.6 林建波.桁架式上下料机械手控制器的开发与实现D.杭州：浙江工业大学，2020.7 段成燕，王东胜，刘春香，等.上下料机械手的总体结构设计及建模J.机械工程师，2014(12)：138-140.8 蔡奇善.数控车床气压机械手臂的PLC控制系统J.科学大众（科学教育），2015(3)：170-171.9 段成燕.上下料机械手总体结构设计及建模J.黑河学院学报，2015，6(3)：117-119.10 王桂录，张晓莹，殴李飞.柔性制造单元上下料机械手结构设计及运动仿真J.煤矿机械，2015，36(11)：35-38.图5机械手液压系统图