桁架機(jī)械手結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)分析

陳永波

摘 ?要：機(jī)械手是當(dāng)前工業(yè)、制造業(yè)生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，也是自動(dòng)化生產(chǎn)線上的主要組成部分之一。機(jī)械手的研發(fā)與應(yīng)用，大大減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度、避免了人工操作的風(fēng)險(xiǎn)以及人員安全問題，同時(shí)機(jī)械手具有運(yùn)動(dòng)慣性小、靈活性高的優(yōu)勢(shì)，因此可有效提高工作效率。桁架機(jī)械手是一種常見的機(jī)械手，多應(yīng)用于機(jī)床領(lǐng)域。該文主要對(duì)桁架機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，希望能夠?yàn)闄C(jī)械手的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供一定幫助。

關(guān)鍵詞：桁架機(jī)械手 ?結(jié)構(gòu) ?設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH16 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）01（c）-0060-02

根據(jù)組成結(jié)構(gòu)的不同，可以將機(jī)械手分為關(guān)節(jié)機(jī)械手、桁架機(jī)械手等不同的類型。在機(jī)床領(lǐng)域應(yīng)用桁架機(jī)械手，可代替人工開展上、下料工作。作為自動(dòng)化設(shè)備的桁架機(jī)械手，具有高效、穩(wěn)定、高精度、高強(qiáng)度、操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用。

1 ?桁架機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成

目前我國(guó)機(jī)械加工領(lǐng)域，很多均是采取人工或者是專用機(jī)械來開展機(jī)床上下料，但隨著科技的進(jìn)步，機(jī)械加工產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度不斷加快，人工或者是專用機(jī)械在很多方面存在著不足，如生產(chǎn)效率較低、柔性不夠、占地面積大、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大等，無法實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，基于此，迫切需要對(duì)桁架機(jī)械手進(jìn)行應(yīng)用。機(jī)床制造過程中有效運(yùn)用桁架機(jī)械手，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的主要策略，同時(shí)與集成加工技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，便可以開展上下料、工程轉(zhuǎn)序、工件翻轉(zhuǎn)等生產(chǎn)線上的相關(guān)工作。桁架機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成部分主要包括3個(gè)，即主體、控制系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

首先，主體。桁架機(jī)械手的主體部分，多為龍門式結(jié)構(gòu)，主要由基座、十字滑座、過渡連接板、z向滑枕、y向橫梁、立柱以及導(dǎo)軌等組成。交流伺服電動(dòng)機(jī)借助蝸輪減速器來驅(qū)動(dòng)齒輪與z向滑枕、y向橫梁上固定的齒條進(jìn)行滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在z向上的直線運(yùn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)z向滑枕、十字滑座等質(zhì)量較輕的移動(dòng)部件沿著導(dǎo)軌進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng)。滑枕多為鋁合金拉制型材，橫梁多為方鋼型材，將齒條、導(dǎo)軌安裝在橫梁上，通過導(dǎo)軌與滾輪的接觸，使得桁架機(jī)械手懸掛在橫梁上。

其次，控制系統(tǒng)。對(duì)于桁架機(jī)械手來說，其控制核心主要通過各種工業(yè)控制器來得以實(shí)現(xiàn)，如單片機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制或者是PLC等。借助控制器，對(duì)按鈕、各種傳感器等提供的輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理，經(jīng)過相應(yīng)邏輯判斷之后，對(duì)指示燈、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器或繼電器等各種輸出元件下達(dá)執(zhí)行命令，使桁架機(jī)械手完成X軸、Y軸、Z軸的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)一整套作業(yè)流程的全自動(dòng)化?？刂葡到y(tǒng)的有效運(yùn)算，是實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)械手高效運(yùn)行的重要前提。

最后，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。桁架機(jī)械手的各部分，均設(shè)有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以是手指，也可以是手臂，主要負(fù)責(zé)確定物料的抓取角度、裝夾物料。同時(shí)，也要具備驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，來帶動(dòng)分結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，目前桁架機(jī)械手的常見驅(qū)動(dòng)方式主要包括電動(dòng)式驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng)、液壓式驅(qū)動(dòng)等多種方式。

2 ?桁架機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

桁架機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以將其分為桁架、機(jī)械手兩個(gè)部分來進(jìn)行分析。

首先，在對(duì)桁架進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以將其簡(jiǎn)化成梁，原因在于桁架的機(jī)構(gòu)與力學(xué)中的結(jié)構(gòu)梁相類似，從力學(xué)角度考慮，可對(duì)簡(jiǎn)支梁、桁架進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，以?jiǎn)支梁彎矩圖為根據(jù)，來對(duì)桁架進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，充分考慮機(jī)械手為桁架所造成的作用力，便可得到桁架的力學(xué)分析圖，如圖1所示。需要注意的是，機(jī)床領(lǐng)域中，對(duì)桁架機(jī)械手的要求相對(duì)較高，即可靠性強(qiáng)、效率高等。為確保桁架機(jī)械手的穩(wěn)定性、可靠性，對(duì)桁架立柱進(jìn)行選擇的時(shí)候，應(yīng)確保其能夠穩(wěn)定支撐桁架，并要確保其占用空間較小，因此，桁架機(jī)械手的立柱結(jié)構(gòu)，多選擇質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好的鋼結(jié)構(gòu)。

其次，在對(duì)機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以將其分為機(jī)械手、手臂兩個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。（1）機(jī)械手。對(duì)于桁架機(jī)械手來說，其主要作用便是運(yùn)輸，即使工件在上下料軌道、機(jī)床之間進(jìn)行移動(dòng)，從上下料軌道上拿起要加工的零件放到機(jī)床上，并從機(jī)床上拿出加工后的零件。由此可以看出，機(jī)械手的主要?jiǎng)幼鞅闶巧?、爪張開、抓取以及左右移動(dòng)。手爪設(shè)計(jì)中，可采取多種方案及形式，根據(jù)實(shí)際需求，可采取不同的方案。第一種是機(jī)械自鎖手爪，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)抓取進(jìn)行了一些復(fù)雜的設(shè)計(jì)，其通過設(shè)置自鎖裝置，來避免夾持零件時(shí)發(fā)生脫落的狀況;第二種是齒輪齒條式手爪，其具有良好的傳遞性，且動(dòng)作反應(yīng)速度非?？?，其主要利用齒輪間的傳動(dòng)來對(duì)手爪進(jìn)行控制，在速度方面實(shí)現(xiàn)了突破;第三種是連桿杠桿式手爪，其主要采取機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)，借助杠桿、連桿之間的傳遞，來控制手爪松開、夾持，但其夾持力比較大，因此容易造成零件損壞。（2）手臂。桁架上機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，在對(duì)手臂進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)對(duì)機(jī)械手臂載荷因素進(jìn)行充分考慮，并要實(shí)現(xiàn)手臂的快速運(yùn)動(dòng)，也要確保其承受力。桁架機(jī)械手主要進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，因此，在手臂設(shè)計(jì)時(shí)，多采取液壓直接驅(qū)動(dòng)的方式，在對(duì)液壓缸進(jìn)行選擇的時(shí)候，應(yīng)盡量選擇大直徑的液壓缸，以確保手臂的強(qiáng)度。對(duì)液壓缸進(jìn)行校核時(shí)，可應(yīng)用相應(yīng)公式。對(duì)活塞桿直徑進(jìn)行校核的時(shí)候，可應(yīng)用如下公式：d≥√4F/π[σ]。上述公式中，F(xiàn)代表的是活塞桿的作用力，[σ]代表的是活塞桿材料的許用應(yīng)力;對(duì)缸體壁厚進(jìn)行校核的時(shí)候，可應(yīng)用如下公式：δ≥D/2√（[σ]+0.4Py）/（[σ]-1.3Py）-1，上述公式中，D代表的是缸筒內(nèi)徑;Py代表的是缸筒試驗(yàn)壓力。對(duì)桁架機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)械手主要是在桁架上進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，在達(dá)到指定位置后，進(jìn)行下降運(yùn)動(dòng)，然后手爪張開將零件夾緊，進(jìn)行上升運(yùn)動(dòng)、逆向運(yùn)動(dòng)，將零件放在上下料軌道上，最后手爪松開。在這個(gè)過程中，機(jī)械手下降停止、上升停止時(shí)，主要是通過PLC控制限位器來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械手在機(jī)床上夾持零件時(shí)，下一零件到達(dá)待定區(qū)域，等到機(jī)械手結(jié)束這一動(dòng)作之后，便會(huì)回到待加工零件的位置，進(jìn)行下降運(yùn)動(dòng)，夾持零件，并將其放置到機(jī)床中，然后回到初始位置，然后PLC停止脈沖輸出，機(jī)床開始加工，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)完成。下一零件加工時(shí)，桁架機(jī)械手循環(huán)上述運(yùn)動(dòng)。

此外，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也是桁架機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽視的重要組成部分，目前機(jī)床領(lǐng)域的桁架機(jī)械手，以手指方法為根據(jù)進(jìn)行分類，可分為移動(dòng)型驅(qū)動(dòng)方式或者是回轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)機(jī)械手夾持的差異，可分為內(nèi)、外兩種。桁架機(jī)械手可采取電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，這是使用最為廣泛的一種驅(qū)動(dòng)方式，機(jī)床生產(chǎn)過程中也需要用電，桁架機(jī)械手采取電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式僅需應(yīng)用電機(jī)，便可以控制桁架機(jī)械手的速度。桁架機(jī)械手也可采取氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，其主要是利用電磁閥來對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，并借助氣流調(diào)節(jié)閥對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制，其優(yōu)點(diǎn)在于成本相對(duì)較低。桁架機(jī)械手還可采取液壓驅(qū)動(dòng)方式，即應(yīng)用液壓系統(tǒng)來對(duì)桁架機(jī)械手進(jìn)行控制，其優(yōu)勢(shì)在于可連續(xù)性實(shí)施位置控制，且傳動(dòng)剛度相對(duì)較大，其動(dòng)力源為液壓馬達(dá)。

3 ?結(jié)語

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化技術(shù)在我國(guó)各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。與此相應(yīng)的，也要加大對(duì)桁架機(jī)械手等自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用，以更好地推動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型與升級(jí)。

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