機床機械桁架機械手的設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析

李翔

摘 要：機械手臂在目前的機械制造行業(yè)可以說是相當(dāng)有名的一種設(shè)備，在自動化高速生產(chǎn)線上，機械手臂已經(jīng)是一種不可或缺的設(shè)備。它的靈活性是生產(chǎn)制造中非?？少F的一種性能，再加上慣性比較小，這樣就保證機械手臂可以完全取代人工，被應(yīng)用在生產(chǎn)線上。不論是大型生產(chǎn)線還是小的機床都可以使用機械手臂，它的使用使整個生產(chǎn)設(shè)備的效率和質(zhì)量得到了提高。機械手臂主要附在機床的桁架結(jié)構(gòu)上，然后通過分析機械手臂在生產(chǎn)工作中的作用，布置方案和動力部件成，最終完成機床上的桁架機械手設(shè)計方案，并且在整個機械制造行業(yè)中。機械手臂的應(yīng)用，大大提升了生產(chǎn)線的自動化程度，代替了人工，也保證了 生產(chǎn)過程中的安全性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：機構(gòu)分析 機械手 驅(qū)動系統(tǒng)

Design and Structure Analysis of Machine Tool Mechanical Truss Manipulator

Li Xiang

Abstract：The robotic arm can be said to be a well-known equipment in the current machinery manufacturing industry. In the automated high-speed production line， the robotic arm is already an indispensable device. Its flexibility is a very valuable performance in manufacturing， coupled with its relatively small inertia，which ensures that the robotic arm can completely replace manual labor and be applied to the production line. Whether it is a large production line or a small machine tool， the robotic arm can be applied. Its application improves the efficiency and quality of the entire production equipment. The robot arm is mainly attached to the truss structure of the machine tool， and then through the analysis of the role of the robot arm in the production work， the layout plan and the power components are formed， and the truss manipulator design plan on the machine tool is finally completed， and in this way the robotic arm is used in the entire machinery manufacturing industry. The application of mechanical arms has greatly improved the degree of automation of the production line， replaced manual labor， and ensured the safety and stability of the production process.

Key words：mechanism analysis， robotic arm， drive system

1 引言

最近幾點來，我國勞動力的價值在不斷的升高，這樣就促進了自動化生產(chǎn)的發(fā)展。機床市場以及一些中小型加工工廠對自動化設(shè)備的需求更是日益增長。一些單一品種產(chǎn)品或是數(shù)量多結(jié)構(gòu)簡單的成批產(chǎn)品，對自動化設(shè)備的依賴程度更是在不斷提高。在這些生產(chǎn)中如果使用自動化設(shè)備，將會大大降低成本，提高生產(chǎn)效率。

2 桁架結(jié)構(gòu)

機床上使用的桁架機械手對其可靠性，效率等要求較高。桁架機械手主要由立柱部件，橫梁部件，驅(qū)動部件，直線運動部件，潤滑部件，控制部件等部分組成。

2.1 立柱組件

立柱組件主要是對整個結(jié)構(gòu)起到一個支撐的作用，確保整個桁架不論在什么工況下都可以穩(wěn)定工作，并且不發(fā)生振動和噪聲，一般的單機自動化設(shè)備都是使用雙立柱結(jié)構(gòu)作為支撐。像一些小一點的工件或者安裝和使用空間受到限制的地方，也可以使用單立柱結(jié)構(gòu)作為支撐。一般多機連線都是使用2n-1個立柱結(jié)構(gòu)的方式用來固定。立柱結(jié)構(gòu)主要使用鋼結(jié)構(gòu)，也存在一些特別的結(jié)構(gòu)使用鋁合金作為其制作材料。

2.2 橫梁組件

橫梁作為整個工件傳輸?shù)耐ǖ?，一般也使用鋼或鋁合金材料制作。一些小規(guī)格的零件則使用鋁合金材料做成的立柱較多。但是對于大、中型結(jié)構(gòu)的零件還是多采用鋼結(jié)構(gòu)作為主要制作材料。鋼結(jié)構(gòu)材料其主要優(yōu)點是剛性好，并且生產(chǎn)制作成本比較低。但鋁合金橫梁近年來也應(yīng)用越來越廣泛，主要優(yōu)勢在于其結(jié)構(gòu)質(zhì)量特別輕，方便安裝與托運。剛性好，而且其外形美觀，可以適用于大批量生產(chǎn)。雖然其優(yōu)點突出，但其價格較高也是影響了其使用范圍，其性價比并不是特別高。

2.3 驅(qū)動部件

桁架結(jié)構(gòu)一般都使用伺服電機搭配齒輪減速箱或帶傳動的驅(qū)動方式，目前大多數(shù)的桁架速度在60-170m/min的速度下，所以使用一般的絲杠傳動方式很難滿足桁架部件的速度要求。但是大多數(shù)的生產(chǎn)商還是使用電機搭配齒輪齒條的工作方式，這樣設(shè)計具有傳動精度高等優(yōu)點。一般傳動精度可以達到0.06mm。如果設(shè)備對傳動精度的要求不是特別高，也可以使用同步帶搭配伺服電機的方式，這種傳動方式更適合應(yīng)用在中小型設(shè)備上。其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，使用維護方便，成本要求較低等優(yōu)點。其精度一般可以達到0.09mm，但是也存在同步帶斷帶等安全問題。

2.4 直線運動部件

桁架通常使用線性導(dǎo)軌或V形導(dǎo)軌系統(tǒng)。如果將直線導(dǎo)軌用作高于120m/min的高速桁架，則存在滑塊脫落的風(fēng)險。因此，在高速桁架領(lǐng)域中，近年來出現(xiàn)了V形導(dǎo)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的線性導(dǎo)向器。新推出的V形導(dǎo)向系統(tǒng)比線性導(dǎo)向器具有更多優(yōu)勢。主要有以下幾個方面：

（1）可以實現(xiàn)高線速度。它采用V型輥+V型導(dǎo)軌的驅(qū)動方式，V型輥在V型導(dǎo)軌上滾動，很容易實現(xiàn)高速傳輸，速度可以達到600M/min。

（2）具有很強的防塵能力。在傳動過程中，V形輪中心的軸承不會直接接觸導(dǎo)軌的表面。這樣可以防止灰塵進入滾動體。此外，在傳動過程中，V形輪會刮擦V形導(dǎo)軌以清除灰塵。

（3）為了減少組裝的難度，V形導(dǎo)向系統(tǒng)通常使用對應(yīng)于4個滑塊的4組V形輪。V形輪和V形引導(dǎo)件之間的接觸對應(yīng)于球和線性引導(dǎo)件之間的接觸。這大大降低了對安裝基準(zhǔn)面的要求。特別適合排長隊的場合。

（4）維護成本低。如果在使用過程中損壞了V形輪，則可以在不拆卸導(dǎo)軌的情況下單獨進行更換，從而節(jié)省了時間和精力?？梢愿鶕?jù)需要隨時調(diào)整預(yù)緊力。始終確保桁架的平穩(wěn)運行。

2.5 潤滑部件

桁架機械手一般行程都比較長，而且速度較高。采用稀油潤滑效果差，而且對環(huán)境污染大。通常都采用油脂潤滑或者480 號高粘度潤滑油。用自動潤滑泵定期對導(dǎo)軌進行潤滑。

2.6 控制部件

桁架機械手臂成功與否的要點在于其可靠性。為了提高部件的可靠性并降低故障率，通常通過航空連接器連接電氣部件。這樣就可以防止焊接時，焊接不準(zhǔn)確帶來的穩(wěn)定性影響。同時，系統(tǒng)需要采取安全措施，例如整個系統(tǒng)安裝保險，限位設(shè)計，零位開關(guān)和零返回延遲開關(guān)。

3 機械手及手臂

3.1 機械手的特點

機械手是目前自動線加工系統(tǒng)中較為常見的一種輸送裝置。根據(jù)其作用和結(jié)構(gòu)，歸類于工業(yè)機器人之列。單從表面上看，桁架機械手似乎不如工業(yè)機器人那么華麗，智能化程度也不盡“人”意，一個是“手”，一個是“人”。

3.2 機械手的結(jié)構(gòu)形式及原理

機械手由多軸運動主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。按機械手結(jié)構(gòu)形式可為直角坐標(biāo)型，機床上下料常用的兩自由度機械手，沿二維直角坐標(biāo)系移動。主體部分通常采用龍門式結(jié)構(gòu)，由Y軸橫梁、Z軸豎梁、立柱、中間過渡連接板及基座等部分組成。Z軸的直線運動均為伺服電動機通過減速機驅(qū)動齒輪與Z軸豎梁上固定的齒條進行滾動，從而驅(qū)動移動負(fù)載（零部件）沿Z軸導(dǎo)軌進行快速運動。Z軸為了減輕自身重量通長采用鋁合金拉制的型材。橫梁一般根據(jù)抓取負(fù)載重量考慮采用方鋼型材或鋁合金型材。Y軸橫梁上安裝有導(dǎo)軌和齒條，通過齒輪齒條傳動導(dǎo)軌導(dǎo)向，使Z 軸進行左右運動。整個機械手都懸掛在Z軸下端。

由于機械手移動的速度快、加速度大，因此，當(dāng)輸送較重的工件時，伺服驅(qū)動電動機就要有足夠的驅(qū)動和制動的能力，支撐元件也要有足夠的剛度及強度。只有這樣，才能使伺服電動機滿足桁架機械手輸送的高剛度和高精度的要求。同時考慮到斷電的影響，Z軸電機采用自動抱閘，具有制動的能力，保證設(shè)備使用過程中的安全。Z軸與Z軸考慮移動速度快的因素容易產(chǎn)生飛車的危險。在型材兩端配有軟限位和硬限位。用雙層保護來保證生產(chǎn)過程中的安全。

3.3 機械手

桁架操縱器的作用是起到運輸?shù)淖饔?。它使工件在裝卸導(dǎo)軌和機床之間移動，從機床上取走加工零件，并且從導(dǎo)軌上取走加工零件，將其放在機器上。主要動作是：張開爪子，抓住，抬起并左右移動。機械手的爪的構(gòu)造有很多方案和形狀，并且可以根據(jù)需要選擇各種構(gòu)造方法。

機械自鎖式抓爪：設(shè)計師非常喜歡這種結(jié)構(gòu)，因為這種結(jié)構(gòu)在消費者中非常受歡迎。它的結(jié)構(gòu)相對簡單，但是它也進行了復(fù)雜的抓握設(shè)計，以防止在夾持件掉落時增加自鎖裝置。帶有連接桿的夾爪：此結(jié)構(gòu)可能會受到名稱的啟發(fā)。在其構(gòu)造中，使用機械連桿機構(gòu)穿過連桿并建立和釋放夾持器。機架夾爪：這種類型的機構(gòu)具有最佳的便攜性和最快的響應(yīng)速度。它通過齒輪之間的傳動來控制抓爪的打開和關(guān)閉，從而可以實現(xiàn)速度的突破。

3.4 手臂

在桁架上設(shè)計機械手臂時，必須考慮機械手的負(fù)載，并且運動想要實現(xiàn)快速控制，其機械結(jié)構(gòu)必須有足夠的承受力。機床桁架上的操縱器通常執(zhí)行線性運動。因此，在手臂的設(shè)計時，通常選擇氣缸來直接驅(qū)動臂。選擇機械手的圓柱體時，圓柱體的直徑應(yīng)較大，以使臂的整體強度較高。

4 驅(qū)動系統(tǒng)

對于機床桁架機械手驅(qū)動方式的選擇可分為回轉(zhuǎn)型和移動型，是通過手指的方法區(qū)分，要是通過機械手夾持的不同可以分為內(nèi)外兩種。

（1）氣動驅(qū)動方式：這種控制方式是通過電磁閥來控制機械手，在通過利用氣流調(diào)節(jié)閥來控制機械手的運動速度，這種驅(qū)動的成本比較低，因為得到氣體成本低。

（2）電動驅(qū)動方式：在機床桁架機械手設(shè)計上，這種驅(qū)動方式使用最頻繁，因為機床也需要用電，而這驅(qū)動系統(tǒng)只是需要利用電機，就可以達到速度上的控制。

5 結(jié)語

目前國內(nèi)大部分生產(chǎn)商已經(jīng)感受到自動化生產(chǎn)線帶來的收益，并且都在加強對這方面的投入力度。然而對于一個生產(chǎn)機械手臂的生產(chǎn)商來說，開發(fā)和制作一個機械手臂并不困難，要保證其穩(wěn)定性和高效性才是難點。所以只有保證了其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性才會得到各個生產(chǎn)商的信賴，從而獲得機械手臂的市場。

參考文獻：

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