機床機械桁架機械手的設計與結構分析

王雪++劉大敏

摘 要：在制造業機械手是一個非常有名氣的詞組，機械手是自動化生產線上不可缺少的一部分，它的出現使生產行業更方便更快捷，它的優勢就是靈活、運動慣性小，可以代替人手去完成相應的工作，而在大型機床上也有機械手的應用，它是附著在機床桁架上，通過分析機械手在生產中的應用，總體布局，以及驅動系統，最終確定機床桁架機械手，而在制造行業內，通過機床桁架機械手的應用，提高了機床的自動化程度，同時也增加了機床加工中的安全性、可靠性。

關鍵詞：機構分析；機械手；驅動系統

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A

1.總體結構

機床桁架機械手的設計和分析，可以從兩部分分析，一部分是桁架，另一部分是機械手，對于桁架的分析，可以簡化成梁的分析，它的機構就類似于力學當中的結構梁，從力學的角度分析，可以將機床桁架與簡支梁做橫向對比，可以通過簡支梁的彎矩圖分析桁架，增加機械手對桁架的作用力，我們可以畫出如圖1所示的力學分析圖。在機床上桁架機械手有著很高的要求，要求機械手有著效率高、可靠性強的要求，對于桁架的立柱選擇，它要使桁架支撐穩定，同時也要節省機床的整體空間，而對于大多數立柱的結構，都選取鋼結構。

2.機械手及手臂

2.1 機械手

桁架機械手的作用就是起到運輸的作用，它是使工件在上下料的軌道與機床內之間移動，將加工后的零件從機床上拿出，再將要加工的零件從軌道上拿起，放到機床上。主要的動作就是：爪張開，抓取，升降，左右移動。對于機械手的手爪設計有很多種方案和形式，可以根據不同的需求，選擇不同的設計方法。如圖2所示。

（1）機械自鎖手爪：對于這種結構，設計者們非常喜歡，因為這種結構很受消費者的喜歡，它的結構比較簡單，但是在對抓取上也做了復雜的設計，為了防止在夾持零件時候脫落，增加了自鎖裝置。

連桿杠桿式手爪：這種結構可以從名字上得到啟發，它的設計就是利用機械連桿機構，通過連桿和杠桿的傳遞，使手爪夾持和松開，但這種機構有一個缺點，就是夾持力比較大。

齒輪齒條式手爪：這種機構的傳遞性最好，動作反應速度最快，它是通過齒輪之間的傳動來控制手爪，可以實現速度上的突破。

2.2 手臂

對于桁架上機械手的手臂設計時，要考慮機械手臂的載荷，在運動上要實現快速運動，但在機構上也要能承受力。在機床桁架上的機械手一般做直線運動，所以在考慮手臂設計時候，一般選擇液壓直接驅動手臂，在機械手臂的液壓缸選用上，要使液壓缸的直徑大一些，這樣手臂的整體強度比較高，而對于液壓缸的校核可以通過以下公式進行核對：

活塞桿直徑的校核公式：

式中：F——活塞桿上的作用力；[σ]——活塞桿材料的許用應力。

缸體壁厚的校核公式：

式中：D——缸筒內徑；py——缸筒的試驗壓力。

桁架機械手的運動為機械手在桁架上做水平運動，到達指定位置后，機械手下降運動，手爪夾緊工件，帶動工件上升，逆向運動，將零件放置到軌道上，手爪松開，在這個期間內，有幾個位置PLC控制限位器，分別在機械手的下降和上升停止的時候。在機械手將零件從機床夾持時候，下一個工件到待定區域，機械手結束這個動作后，回到待加工零件位置處，機械手下降，夾持零件，將零件放置到機床內，機械手回到初始位置，PLC停止脈沖輸出，機床進行加工，機械手完成運動，桁架機械手往返做以上運動。

3.驅動系統

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

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

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

（3）液壓驅動方式：液壓驅動方式是通過液壓系統進行控制，它的好處就是可以實現連續位置控制，同時傳動剛度也大，液壓驅動一般選擇液壓馬達作為動力源，液壓驅動元件的特點見表1。

結語

隨著國內不斷地發展，勞動力成本的不斷提升，機床在自動化行業歡迎程度也隨之提高，但同時也要將機床的配套設施提高上去，尤其對于生產大批零件，機械手也變得尤為重要。對于現代工業發展來說，機械手的發展速度還是不是很快，對于機械手的控制上要采用PLC控制是最方便的，而對于機械手的發展要不斷去開發，團結思想，通過集體設計者們的努力，不要客觀地設計，要將多元素有機結合起來。

參考文獻

[1]陳奎生.液壓與氣動傳動[M].武漢：武漢理工大學出版社，2001.

[2]王田苗，丑武勝.機電控制基礎理論及應用[M].北京：清華大學出版社，2003.

[3]機械設計手冊，（第5卷）[M].北京：機械工業出版社，2000.

[4]劉明寶，呂春紅，張春梅.機械手的組織機構及其技術指標的確定[J].長春工業大學學報，2004：621-623.

[5]孫兵，趙斌，施永康.物流搬運機械手的研制[J].機電一體化，2005：43-45.

[6]張啟玲，何玉安.PLC在電氣控制稱量包裝裝置中的應用[J].電氣驅動，2005：55-57.