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摘要：本课题针对于数控车床而设计了结构圆柱坐标型的自动上下料机械手，通过对机械手的传动机构，驱动系统、液压系统以及控制系统进行了理论分析和计算。同时对机械手整体结构进行了详细的设计，主要包括机械手的机身机座，机械手手臂，机械手手爪等部分。并分析了数控车床自动上下料机械手的操作流程，主要采用液压缸、步进电机等元件实现机械手的运动部分。
Abstract： The automatic cylindrical manipulator is designed for CNC lathe， including the drive system， hydraulic system and control system.At the same time， the overall structure of the manipulator is detailed designed， mainly including the robot fuselage seat， manipulator arm， robot hand claws and other parts.The operation process of automatic CNC lathe is analyzed， mainly using hydraulic cylinder， stepping motor and other components to realize the manipulator movement part.
關键词：数控车床;机械手;传动机构;液压系统;驱动系统
Key words： CNC lathe;manipulator;drive mechanism;hydraulic system;drive system
中图分类号：TG506.9 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）22-0083-02
1 数控车床自动上下料机械手的设计方案
1.1 机械手结构的设计
工业机器人的结构形式主要包括直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人、关节型坐标机器人四种[8]。其对应的特点如表1。
1.2 数控车床自动上下料机械手手部设计
1.2.1 机械手手部的设计要求 本课题机械手手爪开闭范围需够大。在机械手工作时，其中一个手爪张开夹紧角度的最大变化量为开闭范围。手爪开闭范围的要求与工件的形状以及尺寸等因素都有关联。通常情况下，机械手手爪的开闭范围越大越好。
1.2.2 手爪结构的采用方案 结合具体的工作要求，综上所述，本课题采用的是齿轮齿条式。通过活塞往返带动齿条完成手爪张开或夹紧的动作。
1.3 数控车床自动上下料机械手腕部设计
机械手手腕主要功能是可以使被夹持工件的方位产生变化，此时机械手手腕需做回转运动，即只存在一个回转自由度。结合本课题，本设计手腕不加自由度以便于机械手结构简单，操作简单。
1.4 数控车床自动上下料机械手手臂设计
考虑到操纵器在工作中的稳定性和安全性，将两个平行的导向杆添加到该对象的水平框架中，使其与运动活塞杆截面形成等腰三角形结构，以保证其结构更加稳定牢靠。垂直手臂添加四个导杆其截面为正四边形，每个导杆都选用空心结构以保证机械手整体重量。添加此导杆结构主要原因是可以保证机械手整体稳定。
2 数控车床自动上下料机械手驱动系统设计
2.1 驱动系统采用方案
具体到本设计，综合考虑以上因素，本课题机械手机座为回转运动，采用步进电机驱动最优，机械手水平手臂和垂直手臂选用液压驱动最优。
2.2 数控车床自动上下料机械手传动设计
本课题中机械手手臂运动均采用液压驱动。故该部分不采用传动结构，即简化了机械手结构，也有利于提高机械手整体的精度。本课题机械手机座部分选择了电机驱动，则需要通过传动机构进行减速。经分析比较，本课题选择圆柱齿轮传动。
2.3 数控车床自动上下料机械手定位与稳定性设计
2.3.1 影响定位精度及平衡的因素 定位方式、速度、刚度、运动件重量以及驱动源等因素对机械手整体的平衡以及稳定都会产生一定影响。如定位方式选择机械挡块定位，其挡块的强度以及与挡块碰撞时速度的大小等都有关联。速度对定位精度也有较大影响如，速度过快或过慢都会影响最终精度，所以控制其速度可以适当减小最后的精度误差。
刚度对机械手整体结构的影响在于如接触刚度较低，易振动，此时定位精度一般较低。
运动件重量对定位精度的影响在于如运动件重量变大时，定位精度会相应减小，机械手整体以及被夹持工件均属于运动件。合理控制运动件本重量以及机械手工作时被夹持工件重量是必要的。
驱动源包括液压、气压、电压、油温等。驱动源产生变化时，重复定位精度会随之产生变化。所以稳压及控制油温是重要的。
结合上述因素，本设计最终采用的定位方式为机械挡块定位。
2.3.2 平衡机构分类 弹簧平衡机构，活塞推杆平衡机构，配重平衡机构三类为目前工业机器人常用的三种平衡机构的形式[12]。
弹簧平衡机构有结构简单、成本低、稳定性好等特点，应用较为广泛。
活塞推杆平衡机构分为液压和气动两种，两种均具有较好的阻尼作用，但液压平衡系统体积较小，气动平衡系统体积较大。活塞式平衡系统复杂，价格较高，装卸及维修难度也较高，但是平衡效果较好。一般用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合[13]。 配重平衡机构平衡效果一般，但其机构简单，较为稳定。
2.3.3 平衡机构采用方案 本课题选择通过合理设计结构以保证手臂本身达到平衡。因在设计机械手手臂结构以及整个机械手设计和布局的过程中已着重考虑了机械手手臂的平衡问题，为使机械手整体结构简单，故不采用平衡机构。
3 理性分析计算以及主要参数确定
3.1 液压源系统的设计 本课题的液压系统选择定量泵供油，为了保证液压油无杂质掺进，选择在油泵入口添加粗过滤器，在其的出口安装精过滤器净化。本课题的液压传动系统，其中包括垂直手臂的升降，水平手臂的伸缩，以及机械手手爪的张开闭合三个执行机构。
3.2 液压传动系统参数确定 液压传动系统的参数包括压力和流量。压力取决于外载荷，流量决定于液压执行元件的運动速度和结构尺寸。机械手手爪、水平手臂、垂直手臂液压缸参数见表2、表3 以及表4。
3.3 电机选型 根据计算结果，综合考虑各种因素，通过查阅《机械手册》，最终本课题选用型号为110BYG550B-SAKRMA-0301的步进电机，此电机转矩较高，振动较低，综合性能较好。该电机技术参数见表5。
4 数控车床自动上下料机械手控制系统设计
4.1 机械手的工作流程
本文机械手工作方式包含四种，经归纳整理依次是：复位、自动、手动、半自动，前文已有详细介绍，四者均有其独特特征。
复位操作重点面向任务执行前或故障解决后，不但把现下所有工作准确移到原点，而且属于各部件运动基准。
自动即机械手先获得生产线指令，再由总控制台操作下执行具体任务。控制系统保持联线情况下，工作开关必须到达“自动”处，这种情况下，所得指令信号由自动生产线提供。
机械操作阶段不可避免因某方面情况造成故障发生，或调试阶段均依赖手动方式来实现，属于不可或缺重要方式。“手动”位系统保持离线模式，仅仅接收控制面板下达指令，无法获得其余信号。机械实际运转前，所有部位均处于原位待命，一旦选择手动相关按键，就会执行对应操作，若想停止操作，只需重新选择一次。此时只能接收急停信号，换言之，其余信号全部无效。
4.2 数控车床自动上下料机械手操作面板
本课题理想操作面板如图1所示。工作方式分为手动与自动。
自动：机械手获得生产线指令后，利用总控制台开始作业。基于控制面板设置成开关在“自动”位情况下，系统保持联动模式，仅接收自动生产线指令信号。
手动：具体用在总控制台发生故障、进行调试或其余一些必须手动执行情况下。设置成“手动”位，系统保持离线模式，无法接收自动生产线信号，仅仅接收控制面板指令。开启这种方式，而且所有部位保持原位，所有电机保持停机后，由控制面板选择升/降、前/后移、夹/放按键，可开始对应动作，然后继续选择对应按键，就能结束动作。再者，只有急停信号有效，其余信号将全部无效。
5 结论
本文针对机械手设计过程中的关键问题展开研究，给出一些优化方案，包括：系统抗干扰能力的提升，读、写、事件响应时间的精准控制问题等。伴随科技的进一步发展，机械手技术的发展势必朝更专业化、复杂化、可重构化的角度发展，表现出更强的灵活性和更多元的控制方式。因此，PLC控制还将有众多问题亟等解决，整体来讲，数控上下料手臂在机械手开发中还有着极大的提升空间。
参考文献：
[1]李海雁.气动在机械手中的应用[J].中国高新技术企业， 2014（19）：39-40.
[2]王军义.浅谈利用PLC控制自动机械装[J].卷宗，2014（6）：302.
[3]武帅.数控机床上下料机械手设计的目的和发现趋势[J]. 环球市场，2018（002）：379.
[4]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，2014，028（003）：20-23.
[5]王相如.浅析工业机械手的定位平稳性与运动缓冲[J].科技致富向导，2011（11）：416，384.
Abstract： The automatic cylindrical manipulator is designed for CNC lathe， including the drive system， hydraulic system and control system.At the same time， the overall structure of the manipulator is detailed designed， mainly including the robot fuselage seat， manipulator arm， robot hand claws and other parts.The operation process of automatic CNC lathe is analyzed， mainly using hydraulic cylinder， stepping motor and other components to realize the manipulator movement part.
關键词：数控车床;机械手;传动机构;液压系统;驱动系统
Key words： CNC lathe;manipulator;drive mechanism;hydraulic system;drive system
中图分类号：TG506.9 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）22-0083-02
1 数控车床自动上下料机械手的设计方案
1.1 机械手结构的设计
工业机器人的结构形式主要包括直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人、关节型坐标机器人四种[8]。其对应的特点如表1。
1.2 数控车床自动上下料机械手手部设计
1.2.1 机械手手部的设计要求 本课题机械手手爪开闭范围需够大。在机械手工作时，其中一个手爪张开夹紧角度的最大变化量为开闭范围。手爪开闭范围的要求与工件的形状以及尺寸等因素都有关联。通常情况下，机械手手爪的开闭范围越大越好。
1.2.2 手爪结构的采用方案 结合具体的工作要求，综上所述，本课题采用的是齿轮齿条式。通过活塞往返带动齿条完成手爪张开或夹紧的动作。
1.3 数控车床自动上下料机械手腕部设计
机械手手腕主要功能是可以使被夹持工件的方位产生变化，此时机械手手腕需做回转运动，即只存在一个回转自由度。结合本课题，本设计手腕不加自由度以便于机械手结构简单，操作简单。
1.4 数控车床自动上下料机械手手臂设计
考虑到操纵器在工作中的稳定性和安全性，将两个平行的导向杆添加到该对象的水平框架中，使其与运动活塞杆截面形成等腰三角形结构，以保证其结构更加稳定牢靠。垂直手臂添加四个导杆其截面为正四边形，每个导杆都选用空心结构以保证机械手整体重量。添加此导杆结构主要原因是可以保证机械手整体稳定。
2 数控车床自动上下料机械手驱动系统设计
2.1 驱动系统采用方案
具体到本设计，综合考虑以上因素，本课题机械手机座为回转运动，采用步进电机驱动最优，机械手水平手臂和垂直手臂选用液压驱动最优。
2.2 数控车床自动上下料机械手传动设计
本课题中机械手手臂运动均采用液压驱动。故该部分不采用传动结构，即简化了机械手结构，也有利于提高机械手整体的精度。本课题机械手机座部分选择了电机驱动，则需要通过传动机构进行减速。经分析比较，本课题选择圆柱齿轮传动。
2.3 数控车床自动上下料机械手定位与稳定性设计
2.3.1 影响定位精度及平衡的因素 定位方式、速度、刚度、运动件重量以及驱动源等因素对机械手整体的平衡以及稳定都会产生一定影响。如定位方式选择机械挡块定位，其挡块的强度以及与挡块碰撞时速度的大小等都有关联。速度对定位精度也有较大影响如，速度过快或过慢都会影响最终精度，所以控制其速度可以适当减小最后的精度误差。
刚度对机械手整体结构的影响在于如接触刚度较低，易振动，此时定位精度一般较低。
运动件重量对定位精度的影响在于如运动件重量变大时，定位精度会相应减小，机械手整体以及被夹持工件均属于运动件。合理控制运动件本重量以及机械手工作时被夹持工件重量是必要的。
驱动源包括液压、气压、电压、油温等。驱动源产生变化时，重复定位精度会随之产生变化。所以稳压及控制油温是重要的。
结合上述因素，本设计最终采用的定位方式为机械挡块定位。
2.3.2 平衡机构分类 弹簧平衡机构，活塞推杆平衡机构，配重平衡机构三类为目前工业机器人常用的三种平衡机构的形式[12]。
弹簧平衡机构有结构简单、成本低、稳定性好等特点，应用较为广泛。
活塞推杆平衡机构分为液压和气动两种，两种均具有较好的阻尼作用，但液压平衡系统体积较小，气动平衡系统体积较大。活塞式平衡系统复杂，价格较高，装卸及维修难度也较高，但是平衡效果较好。一般用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合[13]。 配重平衡机构平衡效果一般，但其机构简单，较为稳定。
2.3.3 平衡机构采用方案 本课题选择通过合理设计结构以保证手臂本身达到平衡。因在设计机械手手臂结构以及整个机械手设计和布局的过程中已着重考虑了机械手手臂的平衡问题，为使机械手整体结构简单，故不采用平衡机构。
3 理性分析计算以及主要参数确定
3.1 液压源系统的设计 本课题的液压系统选择定量泵供油，为了保证液压油无杂质掺进，选择在油泵入口添加粗过滤器，在其的出口安装精过滤器净化。本课题的液压传动系统，其中包括垂直手臂的升降，水平手臂的伸缩，以及机械手手爪的张开闭合三个执行机构。
3.2 液压传动系统参数确定 液压传动系统的参数包括压力和流量。压力取决于外载荷，流量决定于液压执行元件的運动速度和结构尺寸。机械手手爪、水平手臂、垂直手臂液压缸参数见表2、表3 以及表4。
3.3 电机选型 根据计算结果，综合考虑各种因素，通过查阅《机械手册》，最终本课题选用型号为110BYG550B-SAKRMA-0301的步进电机，此电机转矩较高，振动较低，综合性能较好。该电机技术参数见表5。
4 数控车床自动上下料机械手控制系统设计
4.1 机械手的工作流程
本文机械手工作方式包含四种，经归纳整理依次是：复位、自动、手动、半自动，前文已有详细介绍，四者均有其独特特征。
复位操作重点面向任务执行前或故障解决后，不但把现下所有工作准确移到原点，而且属于各部件运动基准。
自动即机械手先获得生产线指令，再由总控制台操作下执行具体任务。控制系统保持联线情况下，工作开关必须到达“自动”处，这种情况下，所得指令信号由自动生产线提供。
机械操作阶段不可避免因某方面情况造成故障发生，或调试阶段均依赖手动方式来实现，属于不可或缺重要方式。“手动”位系统保持离线模式，仅仅接收控制面板下达指令，无法获得其余信号。机械实际运转前，所有部位均处于原位待命，一旦选择手动相关按键，就会执行对应操作，若想停止操作，只需重新选择一次。此时只能接收急停信号，换言之，其余信号全部无效。
4.2 数控车床自动上下料机械手操作面板
本课题理想操作面板如图1所示。工作方式分为手动与自动。
自动：机械手获得生产线指令后，利用总控制台开始作业。基于控制面板设置成开关在“自动”位情况下，系统保持联动模式，仅接收自动生产线指令信号。
手动：具体用在总控制台发生故障、进行调试或其余一些必须手动执行情况下。设置成“手动”位，系统保持离线模式，无法接收自动生产线信号，仅仅接收控制面板指令。开启这种方式，而且所有部位保持原位，所有电机保持停机后，由控制面板选择升/降、前/后移、夹/放按键，可开始对应动作，然后继续选择对应按键，就能结束动作。再者，只有急停信号有效，其余信号将全部无效。
5 结论
本文针对机械手设计过程中的关键问题展开研究，给出一些优化方案，包括：系统抗干扰能力的提升，读、写、事件响应时间的精准控制问题等。伴随科技的进一步发展，机械手技术的发展势必朝更专业化、复杂化、可重构化的角度发展，表现出更强的灵活性和更多元的控制方式。因此，PLC控制还将有众多问题亟等解决，整体来讲，数控上下料手臂在机械手开发中还有着极大的提升空间。
参考文献：
[1]李海雁.气动在机械手中的应用[J].中国高新技术企业， 2014（19）：39-40.
[2]王军义.浅谈利用PLC控制自动机械装[J].卷宗，2014（6）：302.
[3]武帅.数控机床上下料机械手设计的目的和发现趋势[J]. 环球市场，2018（002）：379.
[4]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，2014，028（003）：20-23.
[5]王相如.浅析工业机械手的定位平稳性与运动缓冲[J].科技致富向导，2011（11）：416，384.