机床的上下料工作，由于重复性很高，这一领域的技术人员一直在探索将工业机械手应用于其中，并开发出很多成熟的解决方案。目前，这一领域常见的机械手为专用机械手和通用机械手，而通用型机械手因为其结构灵活、适应性强而逐渐被普遍应用。而采用单臂机械手所搭建的机床自动上下料系统具有成本低、安装灵活、用户免编程等优点。

1、单臂机械手简介：


单臂机械手，又称单轴机械人、直角坐标机器人、线性模组单元、电缸等，是集成了线性导轨和滚珠丝杠为机械系统，伺服电机和步进电机为电气系统的一种应用于工业运动控制的设备。该设备以单轴为基本的配置单元， 可组合成1~4轴的运动机构，再和可编程的多轴运动控制系统相组合，用于各种涉及多维复杂运动轨迹应用的场合。


在控制系统方面，我们的运动控制器内置通用的控制系统软件，运动轨迹输入采用触摸屏进行图形化示教编程设计，从而对目标运动轨迹进行免代码编程，简单易行。


为确保机械臂对于机床工件的抓取负荷，我们特意对标准产品进行了加强设计，使之充分适应对50公斤工件的抓取负荷能力并在运行过程中无颤动。

单臂机械手示意图


2、机械臂的选型：


机械臂的选型涉及到对机床上料及下料动作的安排，通常的动作安排为X-Z平面内的两维运动：

　　

（1）上料过程的动作：机械臂沿X轴运动到工件取料位置的上方后停止，然后Z轴向下运动使张开的手爪刚好能抓住工件，闭合手爪抓住工件后，使Z轴再向上运动到指定高度，然后再沿X轴方向运动到工作台卡盘正上方，然后Z轴向下运动把工件装入卡盘或工装内。然后卡盘夹紧，Z轴上升到超出机床防护罩上方，X轴再运动到等待位置等待机床完成工件的加工。


（2） 下料过程的动作：完成工件加工后，X轴运动到卡盘的正上方，Z轴向下运动使手爪刚好能抓住工件，然后给气压使手爪合并抓住工件，卡盘松开，Z轴向上运动到合适的高度，然后沿X轴方向运动直至Z轴到放料位置，Z轴下降到放料点，张开手爪放料完成后提升Z轴，再转入下一个上料过程。


以上动作安排的路径需要与机械臂配套的上下料机构如料盘、卡盘等的位置在同一条直线上，这样才能满足机械臂做X-Z两维运动的要求。如果实际情况较难满足，可以为机械臂再增加一个Y轴，这样机械臂可以就可以进行X-Y-Z三轴三维运动了，灵活度可以大大增强。三轴机械臂可以根据位置情况安装成普通三轴或梁式三轴结构。

机械臂示意图


3、安装方式：


根据机床结构的不同，可以采用顶部和侧部安装两种方式。如下图所示：

（1）顶部安装：


即将机械臂直接固定安装在机床的顶部上盖处，为一种简易的安装方式，其优点是对机床的现有结构改动较少，安装简单，缺点是机床的外观结构整体性不好，料仓的位置不太好布置。


（2）侧部安装：

　　即单独对机械臂搭建一个工作舱并同时作为料仓，该工作舱和机床内部进行连通，机械臂可以在机床和其工作舱之间进行穿梭运动，完成上下料工作。其优点是机床的整体性、安全性好，料仓、机械臂的结构紧凑。缺点是造价较高，对机床的现有结构改动较大。


4、机械手末端执行器（手爪）的结构设计：


一般工业机器人手爪，多为双指手爪，驱动方式一般为气动驱动，这样使手爪做抓取运动时具有一定的柔顺性，这一点对夹持工件是十分需要的。


在此推荐一种连杆杠杆式手爪的设计，这种手爪设计是在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力，通常与弹簧联合使用，如下图所示：

5、控制系统简介：


为客户提供了完善的机械臂运动控制器和示教器，内置控制系统软件，机械臂的运动轨迹输入采用触摸屏进行图形化示教编程设计，对目标运动轨迹进行编程， 免代码。使用户在规划机械臂运动线路时简单易行，轻松快捷。


在机床上下料的应用方面，我们同时可以将机械臂和机床的联动操作、其他辅助机构的操作动作和信号，如机床启停、打开/关闭机床防护窗、上下料触发信号等通过I/O联动的方式集成在机械臂的运动控制器中，使机床的控制系统和机械臂控制系统实现完美的结合。