桁架機(jī)械手自動(dòng)加工生產(chǎn)線上的應(yīng)用

楊杰

摘要：自動(dòng)加工生產(chǎn)線構(gòu)成的桁架機(jī)械手和機(jī)床能實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)抓取，上下材料，加載卡，工件的翻轉(zhuǎn)等等，從而大大節(jié)省勞動(dòng)力成本，提高生產(chǎn)效率。特別適用于大批量、小零件的加工。

關(guān)鍵詞：桁架機(jī)械手 柔性生產(chǎn)線

引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，桁架式機(jī)械手的應(yīng)用非常廣泛。根據(jù)加工行業(yè)設(shè)計(jì)的桁架式機(jī)械手與數(shù)控機(jī)床的結(jié)合，工件可自動(dòng)抓取、進(jìn)給、裝料、切割、旋轉(zhuǎn)。桁架式機(jī)械手不僅高效、準(zhǔn)確，還能夠持續(xù)工作。

一、桁架機(jī)械手發(fā)展歷史

機(jī)械手最初是由美國(guó)開發(fā)出來的，在國(guó)外被廣泛使用。1958年，美國(guó)聯(lián)合控制公司開發(fā)了第一臺(tái)機(jī)械手。其結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，其頂部裝有電磁塊，控制系統(tǒng)示教形的。1962年，在上述方案的基礎(chǔ)上，美國(guó)聯(lián)合控制公司試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。名稱為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模仿坦克炮塔，手臂可以轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰，伸縮和液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)使用磁鼓作為存儲(chǔ)設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了許多球面坐標(biāo)多用途機(jī)械手。同年，美國(guó)機(jī)械制造公司也成功地試驗(yàn)了一種Vewrsatran機(jī)械手。機(jī)械手的中心柱可以通過液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)和提升。這兩種機(jī)械手出現(xiàn)于60年代初，是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年，美國(guó)Unimate公司與斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合開發(fā)了一種Unimate-vicarm型工業(yè)機(jī)械手，配備小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，裝配操作，定位誤差小于1毫米。

二、桁架機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與工作原理

（1）桁架機(jī)械手由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。直角坐標(biāo)型機(jī)械手其主體部分通常采用龍門式結(jié)構(gòu)，由y向梁和導(dǎo)軌、z滑動(dòng)枕、十字滑座、垂直柱、過渡連接板和底座組成。z向的直線運(yùn)動(dòng)是交流伺服電機(jī)的機(jī)架，由齒輪傳動(dòng)齒輪與y向梁和z向軌枕固定。驅(qū)動(dòng)移動(dòng)部件沿著導(dǎo)軌迅速移動(dòng)。移動(dòng)部件是由輕型的十字滑座以及z向滑枕，滑枕采用由鋁合金拉制的型材。當(dāng)較重的工件運(yùn)輸時(shí)，慣性較大，所以伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)有足夠的動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)，支撐元件應(yīng)該有足夠的剛度和強(qiáng)度。只有這樣，伺服電機(jī)才能滿足桁架機(jī)械手輸送高響應(yīng)、高剛性、高精度的要求。

（2）根據(jù)桁架接收到的位移和速度指令，改變、放大和調(diào)整后將桁架機(jī)械手轉(zhuǎn)移到運(yùn)動(dòng)單元，通過光纖傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)。在高速搬運(yùn)過程中，運(yùn)動(dòng)部件在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到給定的速度，在高速行駛的瞬間可以停止。通過高分辨率絕對(duì)編碼器的插補(bǔ)操作，控制了機(jī)械誤差和測(cè)量誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響。桁架機(jī)械手的選擇應(yīng)以工件的質(zhì)量和加工的節(jié)拍為基礎(chǔ)。根據(jù)被運(yùn)工件的形狀、結(jié)構(gòu)和機(jī)床夾具的夾持方法，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的臂型和定夾方式來設(shè)計(jì)。機(jī)械手可以通過編程來處理和執(zhí)行任務(wù)。機(jī)械手主要由手臂、回轉(zhuǎn)裝置、運(yùn)動(dòng)部件和驅(qū)動(dòng)部件組成。工件通過定位工件形狀或工件上的支承點(diǎn)來夾持。夾持定位模塊可根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量和形狀大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于不同系列的工件，只能切換相應(yīng)的夾持和定位模塊，以滿足快速切換的需要和桁架機(jī)械手的靈活性。

三、桁架機(jī)械手在柔性加工自動(dòng)線上的應(yīng)用

（一）自動(dòng)線桁架機(jī)械手輸送裝置的發(fā)展及現(xiàn)狀

自動(dòng)線的發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)時(shí)代：剛性自動(dòng)線和柔性自動(dòng)線。剛性加工自動(dòng)線的傳動(dòng)可分為棘輪棘爪、擺桿、升降步、機(jī)動(dòng)滾道等。隨著加工中心機(jī)床的發(fā)展，由機(jī)床組成的自動(dòng)生產(chǎn)線逐漸取代了組合機(jī)床組成的自動(dòng)生產(chǎn)線，即柔性加工自動(dòng)生產(chǎn)線。由桁架機(jī)械手輸送自動(dòng)管路后，可根據(jù)機(jī)床配置任意改變輸送機(jī)的距離。機(jī)床之間的安裝位置和機(jī)床在自動(dòng)行不再是剛性輸送那樣，按照輸送步距或步距倍數(shù)的要求進(jìn)行嚴(yán)格的安裝，傳輸速度也可以根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍和輸送機(jī)的距離而改變。柔性運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)重要方面是，當(dāng)加工零件的產(chǎn)品發(fā)生變化時(shí)，只要改變輸送機(jī)程序和機(jī)械手的局部結(jié)構(gòu)，就不會(huì)對(duì)輸送零件進(jìn)行任何調(diào)整。桁架機(jī)械手較先進(jìn)的一面是自動(dòng)加工線的自動(dòng)化和智能化。因此，桁架機(jī)械手在柔性加工自動(dòng)化生產(chǎn)線上的應(yīng)用越來越多，整個(gè)生產(chǎn)過程都可以通過信息流系統(tǒng)進(jìn)行控制。在加工和運(yùn)輸過程中，收集、加工、反饋各種信息，由計(jì)算機(jī)或其他控制設(shè)備（液壓、氣動(dòng)等）控制機(jī)器或運(yùn)輸設(shè)備。信息流系統(tǒng)分為中央管理計(jì)算機(jī)、物流控制計(jì)算機(jī)、單元控制計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床和信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。

（二）國(guó)內(nèi)外差距

目前，我國(guó)機(jī)床的發(fā)展速度很快，技術(shù)水平有了很大的提高。一些機(jī)床和國(guó)外沒有區(qū)別。然而，柔性加工自動(dòng)線的技術(shù)水平和等級(jí)比國(guó)外的要明顯得多。國(guó)外桁架機(jī)械手采用的柔性加工自動(dòng)線比較常見，但國(guó)外企業(yè)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線很少。該產(chǎn)品主要由桁架機(jī)械手、機(jī)床、筒倉(cāng)、工作程序轉(zhuǎn)臺(tái)等組成。通過系統(tǒng)集成，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)床、一個(gè)加工單元、一個(gè)流水線和一個(gè)柔性加工單元。具有定位準(zhǔn)確、工作節(jié)拍可調(diào)、工作空間大、性能優(yōu)異、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)，打破了外國(guó)人對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的壟斷。桁架機(jī)械手作為一種柔性輸送系統(tǒng)，已成為柔性加工自動(dòng)生產(chǎn)線的重要組成部分。在過去，桁架機(jī)械手沒有使用的自動(dòng)線的輸送帶部分被稱為輸送帶或輸送裝置。目前，桁架機(jī)械手被稱為輸送系統(tǒng)或物流系統(tǒng)。過去的輸送帶是由油缸或減速機(jī)通過鏈條或機(jī)動(dòng)輥?zhàn)域?qū)動(dòng)，時(shí)間較長(zhǎng)，定位精度較差。目前常用的做法是驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)完成多坐標(biāo)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，達(dá)到時(shí)間短、效率高、運(yùn)動(dòng)位置準(zhǔn)確的目的。

四、結(jié)論

相信隨著國(guó)內(nèi)桁架機(jī)械手技術(shù)水平的不斷提高，桁架機(jī)械手在柔性加工自動(dòng)流水線上的應(yīng)用將越來越多。采用桁架操縱器的柔性加工線將成為未來的一個(gè)大賣點(diǎn)，并且有著非常可觀的前景市場(chǎng)，從而推動(dòng)國(guó)內(nèi)柔性加工自動(dòng)化生產(chǎn)線具有一定的質(zhì)量。