桁架机械手在加工自动生产线上的应用

摘要：近年来随着我国机床行业的迅速发展，相关技术水平有了明显提升，与外国的差距也越来越小。自桁架机械手被引入加工中心机床后，进一步提高了加工自动生产线的工作效率，大幅提升了企业的生产效率。为此，本文就桁架机械手在加工自动生产线上的应用进行简要介绍。

关键词：桁架机械手;自动生产线;应用

0  引言

桁架机械手与机床是构成自动加工生产线的主要设备，可实现全部工艺过程中的工件自动抓取、上下料、装卡、工件移位翻转、工件转序加工等操作。不仅大幅提高了生产效率，而且也极大减少了人工成本，非常适合大批量、小型零部件的加工。

1  关于桁架机械手的發展历史

美国是世界上第一个研发机械手的国家，后被大量应用于工业生产中。第一台机械手是由美国联合控制公司于1958年设计，它的结构比较简单，直接在机体上配备了一个回转长臂，在顶部安装了电磁块。4年后该公司对这台机械手进行改进后制作了一台数控示教再现型机械手，命名为Unimate（即万能自动）。其中，运动系统模仿坦克炮塔，手臂能够俯仰、伸缩、转动，也能液压驱动，而控制系统将磁鼓作为存储设备。在这一设备的基础上研发出了大量球面坐标机械手，用途广泛。美国机械制造公司也于1962年成功制造了一种机械手，称为Vewrsatran，借助液压驱动控制系统可以让机械手的中心柱完成转动与提升。上世纪六十年代出现了以上两种机械手极大促进了西方工业机械手的发展。美国Unimate公司在1978年与斯坦福大学、麻省理工学院合作，共同研发了一种Unimate-vicarm型工业机械手。由小型电子计算机控制机械手，使定位误差低于1mm[1]。

2  机械手与手臂

2.1 机械手具有的特性

在自动线加工系统中最常见的一种输送设施就是机械手。分析机械手的结构与用途，将其归为工业机器人的范围。与工业机器人相比，桁架机械手给人的最初印象显得不是那么华丽，智能化也略逊一筹。其实，机器人前面加有“工业”二字，说明二者实际上并无明显差异。不管是多关节的机械手，还是带有三个坐标的机械手实质上都属于机械手。就金属加工机床领域，机械手与工业机器人属于机床的常用辅助设备，主要用于搬运与输送。因此，对于主机性能来说，二者的功效是无差异的，均属于主机开展自动化操作的组件。

工件与刀具对机床的加工性能会产生一定的影响。机械手的作用是搬运，不会直接参与到零件加工环节。机床主机选用哪种机械手需要考虑到多种因素，包括机床的加工形式，被加工零件的大小、形状、重量特性以及储料、搬运空间等。就桁架机械手而言，具有结构简单、搬运迅速、可靠、精准等优点，多用于直线形式的搬运[2]。同时，由于具有柔性输送的优势，多用于长距离变步距的物料运输，而且组合便捷。柔性输送是相对于刚性输送的，后者属于传统自动加工线上的定步距输送模式。

2.2 桁架机械手的结构与工作原理

驱动系统、控制系统、主体是构成桁架机械手的主要组成部分。根据结构分类主要有两种，包括顺着二维直角坐标系移动的机械手，直角坐标型机械手。其中，龙门式结构属于其主体，主要构成部分除了y向横梁与导轨、z向滑枕外，还包括十字滑座、过渡连接板、基座、立柱等。交流伺服电机向z向直线运动提供动能，通过涡轮减速器实现对y向横梁与齿轮的驱动作用。同时，z向滑枕上的齿条在伺服电机的作用下开始滚动，相关移动部件在导轨上快速运行。对于移动部件来说，要求质量要轻，一般是z向滑枕与十字滑座，滑枕材质为铝合金[3]。横梁材质为方钢型材，在其上面配有齿条与导轨，利用滚轮与导轨接触，而机械手就悬挂在上面（见图1）。

桁架机械手在输送工件时速度快，加速度大，加减速耗时短。遇到偏重的工件时，机械手惯量大，要求伺服驱电机应有充足的驱动与制动功能，相关支撑部件也应有较强的刚度与强度。因为机械手输送要求的特点是高刚度、高响应、高精度，因此，要求伺服电动机达到以上要求。在选取伺服电动机的时候一般需参照物料运动距离及运行节拍算出数据，根据伺服系统的轨迹与位移数据调节驱动器上面的PID参数。当收到位移、速度等指令后，桁架机械手通过变化、放大后进行调整，再传送至运动单元，由光纤传感器实时检测运行状态。在高速搬运工件的时候，在极短时间内运动部件可到达给定速度，并能在高速行程的过程中实现瞬间准停。开展插补运算，可通过分辨率高的绝对式编码器进行，有助于提高运动精度，减少机械误差与测量误差。桁架机械手有很多种规格与系列，以满足不同规格、种类、质量的工件运输。因此，要想选出合适的桁架机械手必须注意输送工件的质量与加工节拍等细节。机械手的手臂与夹持方式在设计时都充分考虑到被输送工件的结构、形状以及机床夹具定夹方式等内容[4]。利用工件外形或工件上的定位支撑点，机械手就能完成定位夹持操作。比如，在汽车发动机的柔性自动线上，所用的机械手上面配置的夹持模块符合缸盖、曲轴、缸体等不同工件的外形特点，可以牢固准确地夹持运输工件。就柔性机械手来说，通过气缸与电机完成定位与夹持模块的切换驱动。可见，数种不同工件可能只需一套机械手就会完成运输搬运。可围绕产品质量及外形规格对夹持定位模块进行系列化设计，实现夹持定位模块的快速切换。机械手上夹持定位模块的安装流程是无差异的。由此可知，在处理不同种类的工件时一般只需将夹持定位模块加以更换即可（见图2）。

2.3 手臂

在设计桁架机械手的手臂时需要研究手臂的载荷大小，能够实现快速运动，在机构层面也能有较好的承受力。机床桁架上的机械手通常是直线运动，因此，在设计手臂的过程中通常会采用气缸驱动手臂的方式，尽量选择直径大一点的气缸可增强手臂的整体强度。

2.4 驱动系统

①气动驱动方式：主要利用电磁阀对机械手进行控制，借助气流调节阀完成对机械手运动速度的调控。这种驱动方式成本低廉，因为获得气体比较容易。②电动驱动方式：此种驱动方式在机床桁架机械手设计中经常会用到，由于机床会用电，驱动系统只是利用电机就可控制速度。

3  桁架机械手在柔性加工自动线上的应用

3.1 桁架机械手自动线输送装置的发展现状

最初的自动线采用的是刚性加工自动线，其主要组成部分包括摆杆、升降步、棘轮棘爪、机动滚道等。伴随加工中心机床的不断发展，柔性加工自动生产线形成，它是由机床构成的自动生产线，并非过往的传统自动生产线（组合機床组成）。配置有桁架机械手的自动管路，再结合机床配置可随意改变输送机的距离。传统的刚性输送模式是机床间的安装位置以及机床运行需根据输送步距或步距倍数来严格安装，柔性输送模式则没有上述要求，传输速度也可参照生产节拍与输送机的距离进行调整。柔性运输模式的一个优点在于当加工零件的产品有了变化后，只需对输送机程序及机械手的局部结构进行调整即可，无需对输送零件作任何调整[5]。桁架机械手比较先进的一点在于实现了自动加工线的自动化与智能化。近年来这种机械手在柔性加工自动生产线领域得到了广泛的应用，借助信息流系统就能对整个生产过程进行控制。在加工与运输工件的时候，计算机与其它控制设备根据获得的相关信息负责对机器或运输设备进行控制。信息流系统的组成部分包括中央管理计算机、物流控制计算机、单元控制计算机、数控机床和信息传输网络。

3.2 国内外在桁架机械手方面的差距

近年来中国机床行业发展迅速，相关技术工艺有了明显的进步。部分机床生产制造水平与西方基本无差异。但在柔性加工自动线技术方面，我国与国外仍存在一定的差距。在国外桁架机械手多用于柔性加工自动线上，但国内却较少。目前，我国汽车生产企业所用的桁架机械手柔性加工自动线一般都是从外国引进的。究其原因主要是国产的桁架机械手的技术水平仍与外国存在不小的差距。最初大连机床集团生产的柔性加工自动线所使用桁架机械手也是进口的，那时国内无一家生产桁架机械手的企业。今天国内也出现了一些生产桁架机械手的企业，为国产柔性加工自动线带来了一些希望。桁架机械手属于柔性加工自动线中的核心构件，需完成多个、单独动作，需要尽快突破一些关键技术问题。

总之，随着制造产业的转型升级发展，自动加工生产线的应用也越来越多。在此过程中桁架机械手会发挥出积极的作用。相信在不久的将来国内桁架机械手的生产制造水平也会有重大突破，国内企业攻克了相关技术难题，带动国产柔性加工自动线迈上新的发展台阶。

参考文献：

[1]周昱晗.桁架机械手自动加工生产线上的应用[J].科学与财富，2015，22（10）：196-197.

[2]权占群，张树礼.桁架机械手及在柔性加工自动线上的应用[J].金属加工，2014，9（12）：23-25.

[3]冯友强.板材上下料桁架机械手的开发与研究[J].装备制造技术，2019，24（9）：112-116.

[4]张树礼.桁架机械手及其在曲轴加工自动线上的应用[J].金属加工，2017，15（4）：5-8.

[5]陈涛.桁架机械手自动加工生产线上的应用[J].组合机床与自动化加工技术，2017，26（5）：130-132.

作者简介：陈智元（1991-），男，河北衡水人，本科，助理工程师，研究方向为工业自动化。