桁架機械手在加工自動生產線上的應用

摘要：近年來隨著我國機床行業的迅速發展，相關技術水平有了明顯提升，與外國的差距也越來越小。自桁架機械手被引入加工中心機床后，進一步提高了加工自動生產線的工作效率，大幅提升了企業的生產效率。為此，本文就桁架機械手在加工自動生產線上的應用進行簡要介紹。

關鍵詞：桁架機械手;自動生產線;應用

0 ?引言

桁架機械手與機床是構成自動加工生產線的主要設備，可實現全部工藝過程中的工件自動抓取、上下料、裝卡、工件移位翻轉、工件轉序加工等操作。不僅大幅提高了生產效率，而且也極大減少了人工成本，非常適合大批量、小型零部件的加工。

1 ?關于桁架機械手的發展歷史

美國是世界上第一個研發機械手的國家，后被大量應用于工業生產中。第一臺機械手是由美國聯合控制公司于1958年設計，它的結構比較簡單，直接在機體上配備了一個回轉長臂，在頂部安裝了電磁塊。4年后該公司對這臺機械手進行改進后制作了一臺數控示教再現型機械手，命名為Unimate（即萬能自動）。其中，運動系統模仿坦克炮塔，手臂能夠俯仰、伸縮、轉動，也能液壓驅動，而控制系統將磁鼓作為存儲設備。在這一設備的基礎上研發出了大量球面坐標機械手，用途廣泛。美國機械制造公司也于1962年成功制造了一種機械手，稱為Vewrsatran，借助液壓驅動控制系統可以讓機械手的中心柱完成轉動與提升。上世紀六十年代出現了以上兩種機械手極大促進了西方工業機械手的發展。美國Unimate公司在1978年與斯坦福大學、麻省理工學院合作，共同研發了一種Unimate-vicarm型工業機械手。由小型電子計算機控制機械手，使定位誤差低于1mm[1]。

2 ?機械手與手臂

2.1 機械手具有的特性

在自動線加工系統中最常見的一種輸送設施就是機械手。分析機械手的結構與用途，將其歸為工業機器人的范圍。與工業機器人相比，桁架機械手給人的最初印象顯得不是那么華麗，智能化也略遜一籌。其實，機器人前面加有“工業”二字，說明二者實際上并無明顯差異。不管是多關節的機械手，還是帶有三個坐標的機械手實質上都屬于機械手。就金屬加工機床領域，機械手與工業機器人屬于機床的常用輔助設備，主要用于搬運與輸送。因此，對于主機性能來說，二者的功效是無差異的，均屬于主機開展自動化操作的組件。

工件與刀具對機床的加工性能會產生一定的影響。機械手的作用是搬運，不會直接參與到零件加工環節。機床主機選用哪種機械手需要考慮到多種因素，包括機床的加工形式，被加工零件的大小、形狀、重量特性以及儲料、搬運空間等。就桁架機械手而言，具有結構簡單、搬運迅速、可靠、精準等優點，多用于直線形式的搬運[2]。同時，由于具有柔性輸送的優勢，多用于長距離變步距的物料運輸，而且組合便捷。柔性輸送是相對于剛性輸送的，后者屬于傳統自動加工線上的定步距輸送模式。

2.2 桁架機械手的結構與工作原理

驅動系統、控制系統、主體是構成桁架機械手的主要組成部分。根據結構分類主要有兩種，包括順著二維直角坐標系移動的機械手，直角坐標型機械手。其中，龍門式結構屬于其主體，主要構成部分除了y向橫梁與導軌、z向滑枕外，還包括十字滑座、過渡連接板、基座、立柱等。交流伺服電機向z向直線運動提供動能，通過渦輪減速器實現對y向橫梁與齒輪的驅動作用。同時，z向滑枕上的齒條在伺服電機的作用下開始滾動，相關移動部件在導軌上快速運行。對于移動部件來說，要求質量要輕，一般是z向滑枕與十字滑座，滑枕材質為鋁合金[3]。橫梁材質為方鋼型材，在其上面配有齒條與導軌，利用滾輪與導軌接觸，而機械手就懸掛在上面（見圖1）。

桁架機械手在輸送工件時速度快，加速度大，加減速耗時短。遇到偏重的工件時，機械手慣量大，要求伺服驅電機應有充足的驅動與制動功能，相關支撐部件也應有較強的剛度與強度。因為機械手輸送要求的特點是高剛度、高響應、高精度，因此，要求伺服電動機達到以上要求。在選取伺服電動機的時候一般需參照物料運動距離及運行節拍算出數據，根據伺服系統的軌跡與位移數據調節驅動器上面的PID參數。當收到位移、速度等指令后，桁架機械手通過變化、放大后進行調整，再傳送至運動單元，由光纖傳感器實時檢測運行狀態。在高速搬運工件的時候，在極短時間內運動部件可到達給定速度，并能在高速行程的過程中實現瞬間準停。開展插補運算，可通過分辨率高的絕對式編碼器進行，有助于提高運動精度，減少機械誤差與測量誤差。桁架機械手有很多種規格與系列，以滿足不同規格、種類、質量的工件運輸。因此，要想選出合適的桁架機械手必須注意輸送工件的質量與加工節拍等細節。機械手的手臂與夾持方式在設計時都充分考慮到被輸送工件的結構、形狀以及機床夾具定夾方式等內容[4]。利用工件外形或工件上的定位支撐點，機械手就能完成定位夾持操作。比如，在汽車發動機的柔性自動線上，所用的機械手上面配置的夾持模塊符合缸蓋、曲軸、缸體等不同工件的外形特點，可以牢固準確地夾持運輸工件。就柔性機械手來說，通過氣缸與電機完成定位與夾持模塊的切換驅動。可見，數種不同工件可能只需一套機械手就會完成運輸搬運。可圍繞產品質量及外形規格對夾持定位模塊進行系列化設計，實現夾持定位模塊的快速切換。機械手上夾持定位模塊的安裝流程是無差異的。由此可知，在處理不同種類的工件時一般只需將夾持定位模塊加以更換即可（見圖2）。

2.3 手臂

在設計桁架機械手的手臂時需要研究手臂的載荷大小，能夠實現快速運動，在機構層面也能有較好的承受力。機床桁架上的機械手通常是直線運動，因此，在設計手臂的過程中通常會采用氣缸驅動手臂的方式，盡量選擇直徑大一點的氣缸可增強手臂的整體強度。

2.4 驅動系統

①氣動驅動方式：主要利用電磁閥對機械手進行控制，借助氣流調節閥完成對機械手運動速度的調控。這種驅動方式成本低廉，因為獲得氣體比較容易。②電動驅動方式：此種驅動方式在機床桁架機械手設計中經常會用到，由于機床會用電，驅動系統只是利用電機就可控制速度。

3 ?桁架機械手在柔性加工自動線上的應用

3.1 桁架機械手自動線輸送裝置的發展現狀

最初的自動線采用的是剛性加工自動線，其主要組成部分包括擺桿、升降步、棘輪棘爪、機動滾道等。伴隨加工中心機床的不斷發展，柔性加工自動生產線形成，它是由機床構成的自動生產線，并非過往的傳統自動生產線（組合機床組成）。配置有桁架機械手的自動管路，再結合機床配置可隨意改變輸送機的距離。傳統的剛性輸送模式是機床間的安裝位置以及機床運行需根據輸送步距或步距倍數來嚴格安裝，柔性輸送模式則沒有上述要求，傳輸速度也可參照生產節拍與輸送機的距離進行調整。柔性運輸模式的一個優點在于當加工零件的產品有了變化后，只需對輸送機程序及機械手的局部結構進行調整即可，無需對輸送零件作任何調整[5]。桁架機械手比較先進的一點在于實現了自動加工線的自動化與智能化。近年來這種機械手在柔性加工自動生產線領域得到了廣泛的應用，借助信息流系統就能對整個生產過程進行控制。在加工與運輸工件的時候，計算機與其它控制設備根據獲得的相關信息負責對機器或運輸設備進行控制。信息流系統的組成部分包括中央管理計算機、物流控制計算機、單元控制計算機、數控機床和信息傳輸網絡。

3.2 國內外在桁架機械手方面的差距

近年來中國機床行業發展迅速，相關技術工藝有了明顯的進步。部分機床生產制造水平與西方基本無差異。但在柔性加工自動線技術方面，我國與國外仍存在一定的差距。在國外桁架機械手多用于柔性加工自動線上，但國內卻較少。目前，我國汽車生產企業所用的桁架機械手柔性加工自動線一般都是從外國引進的。究其原因主要是國產的桁架機械手的技術水平仍與外國存在不小的差距。最初大連機床集團生產的柔性加工自動線所使用桁架機械手也是進口的，那時國內無一家生產桁架機械手的企業。今天國內也出現了一些生產桁架機械手的企業，為國產柔性加工自動線帶來了一些希望。桁架機械手屬于柔性加工自動線中的核心構件，需完成多個、單獨動作，需要盡快突破一些關鍵技術問題。

總之，隨著制造產業的轉型升級發展，自動加工生產線的應用也越來越多。在此過程中桁架機械手會發揮出積極的作用。相信在不久的將來國內桁架機械手的生產制造水平也會有重大突破，國內企業攻克了相關技術難題，帶動國產柔性加工自動線邁上新的發展臺階。

參考文獻：

[1]周昱晗.桁架機械手自動加工生產線上的應用[J].科學與財富，2015，22（10）：196-197.

[2]權占群，張樹禮.桁架機械手及在柔性加工自動線上的應用[J].金屬加工，2014，9（12）：23-25.

[3]馮友強.板材上下料桁架機械手的開發與研究[J].裝備制造技術，2019，24（9）：112-116.

[4]張樹禮.桁架機械手及其在曲軸加工自動線上的應用[J].金屬加工，2017，15（4）：5-8.

[5]陳濤.桁架機械手自動加工生產線上的應用[J].組合機床與自動化加工技術，2017，26（5）：130-132.

作者簡介：陳智元（1991-），男，河北衡水人，本科，助理工程師，研究方向為工業自動化。