数控机床机械手机械结构设计
2021-7-5 来源： 天津龙创恒盛实业有限公司 作者：李天宝 习云飞
摘要：机械手设计在数控机床中起着较为重要的作用，其好坏直接决定数控机床的工作效率以及工作质量，因此必须设计好机械手，使其在数控机床的运转中能够发挥作用，使机床的运行更加流畅，提高机床运行的整体协调性。基于此，对数控机床机械手的各结构进行分析，着重阐述机械手的手爪、手臂、手腕以及其传动结构的设计，介绍机械手各个部件设计的具体流程，使相关工作人员能够更好地掌握机械手的结构设计。
关键词：数控；机床；机械手；机械结构
1、机械手的设计及其发展意义
现如今，我国大部分的工厂在数控机床工作中，仍是由人工进行机床上工件的装卸，不仅工作强度过大，而且工作效率较低，还无法保障工人们的安全。因此，为了提高数控机床的运行效率，替代人工操作，降低生产的成本，就需要利用机械手来实现。随着科学技术的不断发展，自动化技术正在不断代替人工，例如机械手在工作时能够有效地将系统和自动化融合在一起，大大缩减数控机床的运行时间，从而有效提高其工作效率。
2、机械手各部件的设计分析
2.1机械手爪的结构设计
机械手爪的主要作用为装卸数控机床工件，机械手爪的类型较多，根据机械手爪的工作方式不同，可分为搬运式、加工式、测算式手爪，实际应用中应根据数控机床操作过程中的要求，选择合适的机械手来完成相关的操作。此外，根据具体的工作环境，在满足数控机床要求的前提下，设计机械爪式要尽量小巧、轻盈，还要有紧凑的结构以及较强的通用性。设计机械手爪时，一是要考虑在数控机床的工作过程中机械手爪出现问题时，相关工作人员能够轻松地进行维修；二是要符合相关的流程；三是要考虑到设计过程中的成本。故根据以上的要求，在设计机械手爪式可设计杠杆式手爪，利用活塞的推力作用，使各结构完成联动，从而使手爪做出放松和夹紧的动作。其在工作过程中会出现比较大的夹紧力，可能会产生一定的危险，所以机械手爪一般与弹簧结合起来使用。
2.2 机械手腕的结构设计
机械手腕位于机械手操作机的最末端，其主要作用为连接机械手臂与机械手爪。机械手腕应体积小、重量轻，设计时根据机械手实际的工作内容来确定机械手腕活动的自由度。一般来讲，机械手腕的自由度数越多则机械手腕越灵活，但在提高机械手腕的自由度数目的同时，工作成本也会随之大大提高，机械手腕的工作结构也会变得更为复杂，工作人员对机械手腕的控制也会更加困难，所以在设计机械手腕的自由度时，要根据相应的工作情况来加以确定。在工作中，机械手腕应有一定的刚度以及强度，这样才能使工作顺利进行。此外，机械手腕在工作时，如果超出其工作上限，机械手腕很容易损坏，所以在实际工作时应在机械手腕各个关节转动的地方设置限位开关。为了在工作中保证数控机床的精确度，在设计机械手腕时要降低机械手腕关节连接的复杂程度，既要符合工作需求，同时还要保障工人的安全以及任务的可靠性，在具体的工作中，机械手腕保持在 3 个自由度完全能够保证工作的进行。
2.3机械手手臂的结构设计
在实际的工作中，机械手臂会保持一定的运行速度进行工作，并且机械手手臂工作空间的形状大小与其手臂长度及关节都有着密切的联系，所以在设计机械手臂时，应考虑其在工作空间上存在的问题。在确保机械手手臂具有一定的强度与刚度的同时，减轻机械手手臂的重量，这样才能使机械手手臂在工作时具有较快的运动速度，并且操作也会更加方便。此外，为了更好地控制机械手，在设计
机械手手臂时，应令其各个关节都保持平行，同时在设计时要尽可能地在机械手手臂的材料上减轻机械手手臂的重量，这样才有利于机械手手臂对机械手的控制。此外，在不同的工作环境中，机械手手臂还对自身的控制具有一定的要求，因为机械手手臂大多为直线式，并且又具有很大的刚度，所以工作人员在进行相关工作时，一定要注意安全，可以利用液压进行驱动的方式降低机械手手臂的控制难度，同时在管理控制时，尽量不要人工操作，而是使用计算机来进行管理控制。在实际的工作中，机械手手臂的结构不能过大，所以不能通过增大液压缸直径的方式来提高机械手臂的刚度，为了达到工作的需求可以在其大臂处增加几个导杆，制作导杆时，需采用空心结构，这样可以较好地减小机械手手臂的重量，并且还可以提高机械手在运动时的运动刚度与稳定性，从而解决机械手在结构上存在的问题。
2.4机械传动结构的设计
机械手在运行过程中，其精度、稳定性以及响应能力都受机械传动部件的影响。在具体工作中，机械手需要有一定的运动速度和控制精度，所以在设计机械手传动结构时，应保持其小巧轻便，同时具有较为紧凑的结构，从而保持机械手在工作时具有一定的响应速度。此外，为了降低反向空回过程中产生的误差，应尽可能地在其工作时使用间歇调整的机构。在日常生活中，螺旋传动、齿轮传动、链传动以及同步传动都较为的常见。在设计机械手手臂时，选取液压缸作为设计材料，可以简化机械手的结构，提高机械手的精度，不再需要使用中间的传动机构。在设计机械手腰座的回转时，因为采用了不仅电动机进行驱动，但直接的驱动元件不能使用电动机，所以在经过实际操作的
一系列对比之后，发现圆柱齿轮传动较为符合条件。在机械手工作的过程中要有较为高的控制精确度，所以应使电机的转动速度尽可能降低，使机械手在工作过程中能够保持较为平稳的运转。在选择齿轮进行传动时，要选用一级齿轮，以及传动较大强度较高，并且硬度较大的材料制造机械手的机械传动。
2.5机械手手臂的平衡结构设计
机械手在实际工作中，机械手手臂的平衡结构发挥着掌控运行速度以及使驱动器负载的作用。平衡装置不仅可以使驱动器的负载降低，并且还能大大减少启动时间。在实际工作中，弹簧平衡机构结构较为简单，且造价成本较低，维修起来也十分方便，所以在机械手手臂的平衡设计时常应用弹簧式的平衡机构。此外，提高机械手的平衡机构在设计机械手的过程中起着较为重要的作用。另外，在设计机械手时，圆柱坐标式的结构应用较为广泛。在设计整个机械手的过程中，应重点考虑机械手手臂平衡结构的设计，布局要合理，这样才能在机械手实际运作时得到较好的平衡性，使系统在运转时获得整体上的平衡。例如，弹簧式的平衡机构可以满足机械手的平衡要求，从而有效解决机械手在平衡方面的问题。
3、机械手的主要优势及其运用
机械手在数控机床工作时具有明显的优势，其具有较强的负荷能力以及较高的工作效率，即使出现故障，也只是极少数情况下，极大地降低系统在运转过程中的出错率。随着社会的进步与科技的发展，机械手在未来也将会得到更大程度的开发与使用，给施工人员提供更大的工作效益，大幅度减少他们的施工时间的同时提高其工作质量。机械手的工作效率较高，所以数据机床在运行时不仅可以有效缩短工作时间，并且能够保障其安全性。另外，机械手还可以有效提高数控机床的刚性能力，提升转机缸体的柔性，使数控机床在工作时的运行效率，以及其机械化的水准都得到切实有效的提高。
同时，工作人员在进行有关数控机床方面的工作时，需要边工作边学习，不断学习相关的知识，提高自身的工作能力，使机械手可以充分有效地发挥其自身的作用，将工作效益提高到最大化，使数控机床可以在较低的工作成本上高效地运转，来获取较高的经济效益。总的来说，机械手在数控机床中具有较为重要的作用，外界存在的种种因素会对机械手在实际的工作过程中产生一定的影响，所以在其结构性的设计优化的前提下，优化机械手结构的稳定性，可以使其价值得到有效提高。
4、结语
在数控机床的运行过程中，机械手可以有效提高数控机床在操作时的安全性，在保证数据机床能够稳定运转的同时，还要使机械手与数控机床有效地结合在一起，这样不仅可以使其在柔性方面的优势得到提高，并且还极大地减少其工作时间，使工作效率得到有效的提高。因此，合理地对机械手的机械机构进行设计，不仅可以提高机械手的工作性能及其工作效率，还能获得较大的经济效益，使机械手在具体的工作中发挥其应有的作用及价值。
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