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浅谈数控机床冲压机械手的设计方案

文章来源:上海芮立自动化设备有限公司 日期:2015-02-03

  1.引言

  由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高,对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求,因此,必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动,满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一,它不仅提高了劳动生产的效率,还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作,减轻人类劳动强度,可以说是一举两得。在机械行业中,机械手越来越广泛的得到应用,它可用于零部件的组装,加工工件的搬运、装卸,特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前,机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FNC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元,可以节省庞大的工件输送装置,结构紧凑,而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,应用规模和产业化水平低,机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高,从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此,进行机械手的研究设计具有重要意义。

  目前,我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成,其劳动强度大、生产效率低,而且具有一定的危险性,已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代机械行业自动化生产的要求,针对具体生产工艺,结合机床的实际结构,利用机械手技术,设计出上下料冲压机械手代替人工工作,以提高劳动生产率。本文主要对冲压机械手的总体设计进行简单说明。

  2.发展现状和趋势

  目前,国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点,其研究的现状和大体趋势如下:

  (1)机械结构向模块化、可重构化发展。(2)工业机械手控制系统向基于Pc机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,结构小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性,而且维修方便。(3)机械手中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,还引进了视觉、听觉、接触觉传感器,使其向智能化方向发展。(4)关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计;柔性仿形喷涂机械手开发,柔性仿形复合机构开发,仿形伺服轴轨迹规划研究,控制系统开发;(5)焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究;以及离线示教编程和系统动态仿真。

  总的来说,大体是两个方向:其一是机械手的智能化,多传感器、多控制器,先进的控制算法,复杂的机电控制系统;其二是与生产加工相联系,性价比高,在满足工作要求的基础上,追求系统的经济、简洁、可靠,大量采用工业控制器,市场化、模块化的元件。

  3.机械手的总体设计

  3.1 冲压机械手总体结构的类型:工业冲压机械手的结构形式主要有四种:直角坐标结构,圆柱坐标结构,球坐标结构和关节型结构。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:直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制,因此,其运动位置精度高,但此种类型机械手的运动空间相对较小,如要达到较大运动空间,则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体,主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式,龙门式,天车式三种结构。(2)圆柱坐标机械手结构特点:圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单,精度相对较高,常用于搬运作业。(3)球坐标机械手结构特点:球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低,但精度不很高,主要应用于搬运作业。(4)关节型机械手结构特点:关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的。相对机械手本体尺寸,其工作空间比较大,动作灵活,结构紧凑,占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛,如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。

  3.2 冲压机械手设计的一般要求

  冲压机械手手爪设计有如下要求:(1)冲压机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪,在满足作业要求的前提下,机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。(2)冲压机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂,甚至很难实现,从工业实际应用出发,应着重开发各种专用的、高效率的冲压机械手手爪,加之以快速更换装置,以实现冲压机械手的多种作业功能,而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业,以考虑设计的经济效益。(3)冲压机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪,可适用于不同的冲压机械手,这就要求末端执行器要有标准的机械接口(如法兰),使末端执行器实现标准化。(4)冲压机械手手爪要便于安装和维修,易于实现计算机控制。

  3.3 具体采用方案:根据实际操作的需要,该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动,另一个为手臂的回转运动,因此其自由度数目为3,综合考虑,应选择圆柱坐标机械手结构,其结构简单,工作范围相对较大,且有较高的精度,满足设计要求。

  4.结论

  本设计是一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计。机械手采用可编程序控制器控制,可以实行手动调整、手动及自动控制。系统结构紧凑、工作可靠,设计周期短且造价较低。PLC有较高的灵活性,当机械手工艺流程改变时,只要对I/O点的接线稍作修改,或对I/O重新分配,在控制程序中作简单修改,补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序,就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

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