雕铣机自动换料系统的相关研究

摘要：雕铣机自动换料系统能够有效提高机床的自动化程度，降低工人的劳动强度，并提高生产效率。文章主要对自动换料机械的机械手、工作原理，以及驱动方式的确定进行介绍，在Solidworks软件的基础上创建机械手的三维模型，并通过运动学对三维模型进行相应分析。

关键词：雕铣机；自动换料机械手；驱动方式；三维建模；运动分析

文章编号：2096-4137（2018）05-073-03 DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2018.05.11

随着手机、平板电脑、高清电视等相关行业的不断发展，其加工设备相关的雕铣机行业也迎来了新的发展机遇。对于传统的玻璃雕铣机而言，由于之前主要针对模具加工，工件的加工时间比较长，上下料不用过于频繁，现在主要进行产品加工，上下料频繁，用工成本上升，已经不能满足时代发展的需求，因此需要选用相应的自动换料系统。

1 雕铣机自动换料系统

数控雕铣机，主要是通过使用小刀具且具有大功率以及高速主轴的一种数控机床。其不仅能够雕刻，还能够进行铣削，属于一种具有高精度、高效率，且高端制造的新产品。雕铣机这一概念最早是由我国广东科杰自动化有限公司提出的，在国外并没有这一概念。雕铣机在玻璃加工业中属于必不可少的设备，不仅能够使玻璃加工行业获取高精度平台，而且能够使加工精度得以有效提高。

雕铣机自动换料装置主要包括机械手、料盒、夹具、气路集成4个部分。其控制部分主要是应用台达的PLC进行控制；机械手的主要工作就是完成工件的取放与X/Y/Z的运动方向；料盒主要对待加工产品或者是成品进行盛放；夹具主要是对待加工产品进行定位；气路集成主要是对各部分进行供气。本文主要对机械手进行重点探讨与研究。

机械手属于一种能够对人类手臂部分的相关功能进行模仿的自动化装置。其不仅能够有效减轻劳动的强度，对劳动条件及极端条件进行改善，并保障人身安全，还能使生产的效率得以有效提高，并使产品的质量得以保障，降低产品生产成本。随着我国生产自动水平的不断提高，机械手逐渐被广泛应用。通过三维建模软件的有效运用，对机械手的结构进行设计，并对运动学进行仿真，不仅可以有效避免出现重复性工作，而且可以使产品的研发周期得以有效缩短。

本文所介绍的机械手主要是应用在东江精密科技有限公司GL600-2Z型的雕铣机，属于一种比较小型龙门式双头高速磨铣数控设备，如图1所示。

2 机械手总体方案

2.1 外形要求

GL600-2Z型属于一种半封闭式的雕铣机，主要是在玻璃加工、塑胶件加工、宝石加工、木器雕刻加工、金属雕刻加工、五金高光加工等行业进行应用。例如，对智能手机的外屏进行加工。对于GL600-2Z型雕铣机而言，其机械手的设计，主要是对手机的外屏进行取放。由于受到工作臺空间的限制，只有700mm×500mm，而且还需要安装相应的夹具以及料盒等，因此，在对机械手的强度以及刚度进行保障的基础上，其外形的尺寸需要尽可能的小，且结构需要合理紧凑。

2.2 驱动方式及自由度的确定

一般所运用的驱动方式主要包括液压驱动系统、气压驱动系统、电动驱动系统三类。

（1）液压驱动系统的主要优点就是动力大、相应较灵敏等，但是这种驱动方式的液体介质如果出现泄漏，就会对环境造成污染。

（2）气压驱动系统的主要优点是系统简单，维修方便。特别是成本较低，通常被机床上下料系统广泛应用。

（3）电动驱动方式的主要优点是能够灵活控制、使用方便等，在机械手的设计中被广泛选用。其主要缺点是成本比较高。

通过对以上三种驱动方式的特点的综合，以及机械手对末端位置精准的要求，就可以通过交流伺服电机驱动的运用确定X和Z方向的移动，并通过气压驱动确定Y方向的移动和转动，以此对机械手的自由度进行确定，主要包括X方向的移动、Z方向的移动、Y方向的移动和Y方向的转动4个自由度。

3 机械手的三维建模

3.1 Solidworks建模

Solidworks作为世界上第一个在Windows基础上研发的三维CAD系统，其技术的创新不仅符合CAD未来发展的趋势和潮流，而且具有易学易用、功能强大等优势，目前已经成为世界上最好用且装机量最大的三维制图软件。本文主要是通过Solidworks的运用对机械手的三维模型进行创建。

机械手需要完成的动作主要包含两方面：（1）将原材料从原料盒中取出，并将其放在夹具上；（2）将已经完成加工的产品从夹具上取下来，并放回到成品料盒中。想要有效完成这两个动作，机械手首先需要能够实现在X、Y和Z方向的移动，根据工况实际的考虑，增加一个Y方向的转动，完成4个自由度。机械手想要实现精确对工件进行取放，最重要的就是确保X和Z方向位置的精度，因此这两个方向就需要通过伺服电机进行驱动。通过伺服电机驱动，不仅能够确保闭环控制的位置、速度、力矩，而且其自身也具有较好的高速性能以及较强的抗过载能力，并且在低速运行的时候不会发生类似步进电机的丢步运行现象。机械手对Y方向位置的精确度没有较高的要求，同时，气动主要是将空气作为工作的介质，空气来源方便，而且不会对环境产生危害。因此，选用气压驱动。通过对各方面因素的综合考虑，最终所设计出的机械手模型如图2所示。

3.2 机械手的工作原理

本次机械手设计的主要目的是取放手机玻璃的外屏。想要确保其效率得以有效提高，就需要将机床设置为双主轴进行同时加工，这样X方向的距离就会显示得比较长。同时，根据对玻璃外屏准确抓取的要求，需要运用伺服电机，以此来带动丝杆，从而实现X方向的移动；对于Y方向而言，只注重两个位置，也就是工作台与料盒位置，为了实现成本的节约，就会选用伸缩缸以及感应开关对Y方向的移动进行控制；对于Z方向的转动而言，由于其对位置的精度要求比较高，就需要和X方向选用同样的方式；而Y方向的转动主要是通过旋转气缸进行的。

机械手工作过程分析。通过控制系统的作用，机械手首先运动到需要进行加工的产品位置，旋转气缸旋转90°。这时的真空吸盘就会正对着毛坯，将真空打开，通过吸盘抓起毛坯，然后将其准确的运动到夹具的位置，再将旋转气缸转90°，将真空释放，并把毛坯放在夹具上。等加工完成之后，机械手就会进行相应的逆过程，将成品放入到料盒当中，从而使产品的价格得以有效完成。

4 机械手的运动学仿真

运动学仿真，主要是对产品当前的运动状态进行相应的模拟，从而使工作人员能够在产品在真正生产出之前对其运动的详细过程进行清楚了解。通过这一环节，不仅可以使设计人员能够更加及时地发现其存在的问题，而且能够使设计周期缩短，节约成本，是进行生产制造之前的一个重要操作环节。

对于Solidworks软件而言，其本身就具有运动学仿真的功能模块，在这一模块中，所有的构件都被稱为理想刚体。也就是在仿真过程中，零件的内部不会发生变形。Motion分析，主要是对材料、质量、惯性等相关因素进行综合考虑，并通过具有强大功能的运动学求解器进行计算，从而使机构的模拟分析更加精确。

主要计算步骤如下：

（1）由于默认环境下不能对该模块进行加载，因此，需要将“Motion 分析”模块加载到装配的环境中。Motion插件，主要是集成在Solidworks当中的运动学分析，以及仿真模块。由于其操作比较简单，从而使设计分析变得更加便利。

（2）点击运动算例，并选择Motion分析，最后设置相应的参数进行求解。以下为X轴Motion分析的结果，以及X方向的运动仿真图，如图3、图4、图5所示。

图3 速度随时间变化曲线

图4 位移随时间变化曲线

图5 加速度随时间变化曲线

5 结语

综上所述，本文对雕铣机自动换料机械手的设计过程进行了阐述，并对三维建模及其运动学进行了相应的分析。通过对运动学的有效分析，能够实现对机械手每个部分的位置以及速度进行直观的观察，并得知和预设的动作轨迹基本吻合。通过仿真得出的结果，可以将其作为机械手进行不断优化以及加工制造的参考。同时，在设计中通过计算机的辅助，不仅使设计的过程得以简化，研发成本得以节约，而且使开发周期得以有效缩短。

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（作者系广东科杰机械自动化有限公司中级机械工程师）

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