桁架機械手及在柔性加工自動線上的應用

大連連城數控機器股份有限公司 （遼寧 116036） 權占群 張樹禮

大連連城數控機器股份有限公司自動化生產線主管工程師 權占群

桁架機械手作為時尚的一種輸送工具，越來越受到青睞。目前，國內外主流的柔性自動線物流系統主要有兩種形式：由桁架機械手輸送工件組成的全自動生產系統和由機器人搬運系統進行上下料組成自動生產線。在歐美日等發達工業體系，由高速加工中心和桁架機械手組成的敏捷柔性生產系統已經是主流產品，桁架機械手在高空中輸送零件，直接把被加工零件從一臺機床輸送到另一臺機床上，桁架機械手兼有工序間運輸和自動上下料及物料回轉等輔助功能。由于它輸送快捷、精準、柔性，結構相對簡捷，便于組合。因而，被機床制造商所器重。

桁架機械手的結構與工作原理

圖1

桁架機械手由主體、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。按機器人結構分類為直角坐標型，機械手沿二維直角坐標系移動。主體部分通常采用龍門式結構，由y向橫梁與導軌、z向滑枕、十字滑座、立柱、過渡連接板和基座等部分組成，z向的直線運動皆為交流伺服電動機通過蝸輪減速器驅動齒輪與y向橫梁、z向滑枕上固定的齒條作滾動，驅動移動部件沿導軌快速運動。移動部件為質量較輕的十字滑座和z向滑枕，滑枕采用由鋁合金拉制的型材。橫梁采用方鋼型材，在橫梁上安裝有導軌和齒條，通過滾輪與導軌接觸，整個機械手都懸掛在其上，如圖1所示。由于桁架機械手輸送的速度快，加速度大，加減速時間短。當輸送較重的工件時，慣量大，因此，伺服驅動電機要有足夠的驅動和制動的能力，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響應、高剛度及高精度要求。在選擇合適伺服電動機的情況下，根據物料運動的距離和運行節拍，計算出伺服系統的位移和軌跡，對驅動器PID參數進行動態調整。桁架機械手根據接收到的位移、速度指令，經變化、放大并調整處理后，傳遞給運動單元，通過光纖傳感器對運行狀態進行實時檢測，在高速搬運過程中，運動部件在極短的時間內到達給定的速度，并能在高速行程中瞬間準停，通過高分辯率絕對式編碼器的插補運算，控制機械誤差和測量誤差對運動精度的影響。由于被輸送的工件不同，質量也不同，因此，桁架機械手有多種規格和系列。在選擇時，根據被輸送工件的質量，加工的節拍來選取。但機械手的手臂，夾持方式，則根據被輸送工件的形狀、結構及機床夾具定夾方式來設計（見圖2）。

圖2

機械手能夠借助可編程序來處理和執行任務。機械手主要由手臂、回轉裝置、運動部件及驅動部件組成。通過對工件外形或工件上定位支撐點定位夾持工件。例如，在汽車發動機加工柔性自動線物流輸送中，桁架機械手的夾持模塊會根據缸體、缸蓋、曲軸等工件的外形特點，選取不同的定位和夾持方式。柔性機械手上采用氣缸和電機進行定位和夾持模塊的切換驅動，一套機械手可完成不同品種的工件搬運工作。夾持定位模塊可根據產品質量和外形的大小采用系列化設計，機械手上的夾持定位模塊安裝方式相同，針對不同系列的工件，只需切換相應的夾持定位模塊即可，滿足快速切換的需要。這樣，當加工不同品種的工件，只須變換夾持模塊就可實現，提高了桁架機械手的柔性化。

桁架機械手在柔性加工自動線上的應用

1.自動線桁架機械手輸送裝置的發展及現狀

自動線的發展，經歷了剛性自動線和柔性自動線的兩個時代。就目前而言，在國內二者均有之。剛性加工自動線的輸送分為棘輪棘爪、擺桿、抬起步伐、機動滾道等形式。隨著加工中心機床的發展，由其組成的自動線逐步替代組合機床組成的自動線，它以適應小批量多品種的優點，得到市場的廣泛認可，并稱其為柔性加工自動線。這種以加工中心機床組成的柔性加工自動線，就其輸送裝置或輸送帶依然為剛性，這類柔性自動線可謂是準柔性。當今的柔性加工自動線又有了飛躍，輸送形式以剛性加柔性（桁架機械手）并存，或純柔性輸送，即輸送系統全部由桁架機械手組成，這是真正的柔性加工自動線，即主機柔性，輸送系統也柔性。如主機是高速加工中心配以桁架機械手輸送，又稱之為敏捷柔性加工自動線，是敏捷制造系統的重要組成部分。自動線采用桁架機械手輸送后，輸送步距可根據機床的配置隨意改變，自動線上的機床與機床之間的安裝位置不再象剛性輸送那樣，按照輸送步距或步距倍數的要求進行嚴格的安裝，且輸送速度也可根據生產節拍及輸送的距離而改變。而真正體現柔性輸送的重要一面是，當被加工零件的產品改變后，輸送部分不會不適應而全部更換，只要改變輸送程序和機械手局部結構即可。采用桁架機械手輸送更先進的一面是，機床柔性加工自動線整體的自動化、智能化的協調統一。因此，桁架機械手才在當今柔性加工自動線上越來越多地被采用，使整個生產過程通過信息流系統進行控制。在加工和運輸過程中，所需各種信息收集、處理、反饋，并通過電子計算機或其他控制裝置(液壓、氣壓裝置等)，對機床或運輸設備實行分級控制。信息流系統分為由中央管理計算機、物流控制計算機、單元控制計算機、各數控機床以及信息傳送網絡組成。目前，汽車制造業中加工發動機缸體、缸蓋及曲軸等大批量關鍵零件的柔性加工自動線，大都采用了桁架機械手輸送（見圖3）。

2.國內外的差距

圖3

當下，我國機床的發展很快，技術水平有了很大的提高，與國外的差距變得越來越小，甚至有些機床與國外相比已經沒有什么差距。特別是國家重大科技專項的開展，為我國機床上檔次上水平提高了加速度，成績顯而易見。加工中心機床這幾年發展的特別快，但柔性加工自動線的技術水平和檔次，較國外的差距還很明顯，國外采用桁架機械手輸送的柔性加工自動線較為普遍，而國內卻為數不多，國內龐大的汽車生產市場所采用的帶桁架機械手輸送的柔性加工自動線，大多從國外進口。如無錫柴油發動機廠的缸體缸蓋柔性加工自動線由德國GROB公司總承包，由BZ800加工中心、GROB專機、清洗機、擰緊機、試漏機、壓裝機在線檢具、輔機及珩磨機組成。輸送采用空中桁架機械手和機動滾道自動線輸送。僅以汽車制造業而言，國內生產的柔性自動線，采用桁架機械手輸送的屈指可數。大連機床集團和沈陽機床集團等生產出了該方面的柔性加工自動線，并在生產實際中得到了應用。圖4是大連機床集團生產的DKX017缸體加工柔性自動線。加工兩種缸體，分別為四缸和六缸，其輸送采用空中桁架機械手和自動線兩端為機動滾道等形式。桁架機械手兩個，一個上料，一個下料。它的成功，標志著我國國產由桁架機械手輸送的柔性加工自動線開始向國際水準邁進。

圖4

上述提及的只是數量上的比較，其實真正的原因還是國產桁架機械手的技術水平與國外有著一定的差距。早些年，大連機床集團生產的柔性加工自動線采用的桁架機械手，也是從國外進口的桁架機械手。那時，國內還沒有專門生產桁架機械手的廠家。如今，國內巨一等一些桁架機械手生產廠家的涌出，為國產柔性加工自動線帶來了希望，進而縮小了與國外在生產桁架機械手方面的差距，國產桁架機械手在柔性加工自動線的應用也越來越多，從而打破國產市場被外國人的壟斷。

桁架機械手作為柔性輸送系統，已成為柔性加工自動線中的重要組成部分，過去未采用桁架機械手輸送的自動線中的輸送部分稱之為輸送帶或輸送裝置。而今，用了桁架機械手則稱之為輸送系統或物流系統。過去的輸送帶由機床生產廠自己生產，而今則由外部專業生產廠來提供；過去的輸送帶驅動或是用一個油缸，或是減速機通過鏈條或機動輥子驅動，各個動作單獨來完成，所用時間較長且位置精度較差，而今則由伺服系統驅動，完成多個坐標的復合運動，所用時間短，效率高，且運動位置精準。這些的進步，都緣于技術水平的提高，解決了桁架機械手的關鍵技術及難點技術。相信，隨著國產桁架機械手技術水平的不斷提高，桁架機械手在柔性加工自動線上的應用會越來越多，采用桁架機械手的柔性加工自動線將會成為今后的一大賣點，市場前景非常可觀，從而帶動國產柔性加工自動線有一個質的飛躍。