桁架機械手結構和設計分析

陳永波

摘 ?要：機械手是當前工業、制造業生產過程中的重要設備，也是自動化生產線上的主要組成部分之一。機械手的研發與應用，大大減輕了人工勞動強度、避免了人工操作的風險以及人員安全問題，同時機械手具有運動慣性小、靈活性高的優勢，因此可有效提高工作效率。桁架機械手是一種常見的機械手，多應用于機床領域。該文主要對桁架機械手的結構及設計進行了分析，希望能夠為機械手的進一步推廣應用提供一定幫助。

關鍵詞：桁架機械手 ?結構 ?設計

中圖分類號：TH16 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（c）-0060-02

根據組成結構的不同，可以將機械手分為關節機械手、桁架機械手等不同的類型。在機床領域應用桁架機械手，可代替人工開展上、下料工作。作為自動化設備的桁架機械手，具有高效、穩定、高精度、高強度、操作簡單、性價比高的優勢，在工業自動化發展過程中發揮著重要的作用。

1 ?桁架機械手的結構組成

目前我國機械加工領域，很多均是采取人工或者是專用機械來開展機床上下料，但隨著科技的進步，機械加工產品的更新換代速度不斷加快，人工或者是專用機械在很多方面存在著不足，如生產效率較低、柔性不夠、占地面積大、人工勞動強度大等，無法實現大批量生產，基于此，迫切需要對桁架機械手進行應用。機床制造過程中有效運用桁架機械手，是實現自動化生產的主要策略，同時與集成加工技術有機結合起來，便可以開展上下料、工程轉序、工件翻轉等生產線上的相關工作。桁架機械手的結構組成部分主要包括3個，即主體、控制系統以及驅動系統。

首先，主體。桁架機械手的主體部分，多為龍門式結構，主要由基座、十字滑座、過渡連接板、z向滑枕、y向橫梁、立柱以及導軌等組成。交流伺服電動機借助蝸輪減速器來驅動齒輪與z向滑枕、y向橫梁上固定的齒條進行滑動，從而實現在z向上的直線運動，并驅動z向滑枕、十字滑座等質量較輕的移動部件沿著導軌進行快速運動。滑枕多為鋁合金拉制型材，橫梁多為方鋼型材，將齒條、導軌安裝在橫梁上，通過導軌與滾輪的接觸，使得桁架機械手懸掛在橫梁上。

其次，控制系統。對于桁架機械手來說，其控制核心主要通過各種工業控制器來得以實現，如單片機、運動控制或者是PLC等。借助控制器，對按鈕、各種傳感器等提供的輸入信號進行分析處理，經過相應邏輯判斷之后，對指示燈、電動驅動器或繼電器等各種輸出元件下達執行命令，使桁架機械手完成X軸、Y軸、Z軸的聯合運動，從而實現一整套作業流程的全自動化。控制系統的有效運算，是實現桁架機械手高效運行的重要前提。

最后，驅動系統。桁架機械手的各部分，均設有執行機構，可以是手指，也可以是手臂，主要負責確定物料的抓取角度、裝夾物料。同時，也要具備驅動機構，來帶動分結構的運動，目前桁架機械手的常見驅動方式主要包括電動式驅動、氣動式驅動、液壓式驅動等多種方式。

2 ?桁架機械手的結構設計

桁架機械手結構設計中，可以將其分為桁架、機械手兩個部分來進行分析。

首先，在對桁架進行設計的時候，可以將其簡化成梁，原因在于桁架的機構與力學中的結構梁相類似，從力學角度考慮，可對簡支梁、桁架進行橫向對比，以簡支梁彎矩圖為根據，來對桁架進行分析，在此基礎上，充分考慮機械手為桁架所造成的作用力，便可得到桁架的力學分析圖，如圖1所示。需要注意的是，機床領域中，對桁架機械手的要求相對較高，即可靠性強、效率高等。為確保桁架機械手的穩定性、可靠性，對桁架立柱進行選擇的時候，應確保其能夠穩定支撐桁架，并要確保其占用空間較小，因此，桁架機械手的立柱結構，多選擇質量輕、穩定性好的鋼結構。

其次，在對機械手進行設計的時候，可以將其分為機械手、手臂兩個部分進行設計。（1）機械手。對于桁架機械手來說，其主要作用便是運輸，即使工件在上下料軌道、機床之間進行移動，從上下料軌道上拿起要加工的零件放到機床上，并從機床上拿出加工后的零件。由此可以看出，機械手的主要動作便是升降、爪張開、抓取以及左右移動。手爪設計中，可采取多種方案及形式，根據實際需求，可采取不同的方案。第一種是機械自鎖手爪，其結構相對簡單，但對抓取進行了一些復雜的設計，其通過設置自鎖裝置，來避免夾持零件時發生脫落的狀況;第二種是齒輪齒條式手爪，其具有良好的傳遞性，且動作反應速度非常快，其主要利用齒輪間的傳動來對手爪進行控制，在速度方面實現了突破;第三種是連桿杠桿式手爪，其主要采取機械連桿機構，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。桁架上機械手結構設計過程中，在對手臂進行設計的時候，應對機械手臂載荷因素進行充分考慮，并要實現手臂的快速運動，也要確保其承受力。桁架機械手主要進行直線運動，因此，在手臂設計時，多采取液壓直接驅動的方式，在對液壓缸進行選擇的時候，應盡量選擇大直徑的液壓缸，以確保手臂的強度。對液壓缸進行校核時，可應用相應公式。對活塞桿直徑進行校核的時候，可應用如下公式：d≥√4F/π[σ]。上述公式中，F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力;對缸體壁厚進行校核的時候，可應用如下公式：δ≥D/2√（[σ]+0.4Py）/（[σ]-1.3Py）-1，上述公式中，D代表的是缸筒內徑;Py代表的是缸筒試驗壓力。對桁架機械手的運動方式進行分析發現，機械手主要是在桁架上進行水平運動，在達到指定位置后，進行下降運動，然后手爪張開將零件夾緊，進行上升運動、逆向運動，將零件放在上下料軌道上，最后手爪松開。在這個過程中，機械手下降停止、上升停止時，主要是通過PLC控制限位器來實現的。機械手在機床上夾持零件時，下一零件到達待定區域，等到機械手結束這一動作之后，便會回到待加工零件的位置，進行下降運動，夾持零件，并將其放置到機床中，然后回到初始位置，然后PLC停止脈沖輸出，機床開始加工，機械手運動完成。下一零件加工時，桁架機械手循環上述運動。

此外，驅動系統也是桁架機械手結構設計中不可忽視的重要組成部分，目前機床領域的桁架機械手，以手指方法為根據進行分類，可分為移動型驅動方式或者是回轉型驅動方式。根據機械手夾持的差異，可分為內、外兩種。桁架機械手可采取電動驅動方式，這是使用最為廣泛的一種驅動方式，機床生產過程中也需要用電，桁架機械手采取電動驅動方式僅需應用電機，便可以控制桁架機械手的速度。桁架機械手也可采取氣動驅動方式，其主要是利用電磁閥來對機械手進行控制，并借助氣流調節閥對機械手的運動速度進行控制，其優點在于成本相對較低。桁架機械手還可采取液壓驅動方式，即應用液壓系統來對桁架機械手進行控制，其優勢在于可連續性實施位置控制，且傳動剛度相對較大，其動力源為液壓馬達。

3 ?結語

綜上所述，隨著科學技術的不斷進步，自動化技術在我國各行各業得到了廣泛應用。與此相應的，也要加大對桁架機械手等自動化設備的研發與應用，以更好地推動行業轉型與升級。

參考文獻

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