桁架机械手结构和设计分析

陈永波

摘  要：机械手是当前工业、制造业生产过程中的重要设备，也是自动化生产线上的主要组成部分之一。机械手的研发与应用，大大减轻了人工劳动强度、避免了人工操作的风险以及人员安全问题，同时机械手具有运动惯性小、灵活性高的优势，因此可有效提高工作效率。桁架机械手是一种常见的机械手，多应用于机床领域。该文主要对桁架机械手的结构及设计进行了分析，希望能够为机械手的进一步推广应用提供一定帮助。

关键词：桁架机械手  结构  设计

中图分类号：TH16   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）01（c）-0060-02

根据组成结构的不同，可以将机械手分为关节机械手、桁架机械手等不同的类型。在机床领域应用桁架机械手，可代替人工开展上、下料工作。作为自动化设备的桁架机械手，具有高效、稳定、高精度、高强度、操作简单、性价比高的优势，在工业自动化发展过程中发挥着重要的作用。

1  桁架机械手的结构组成

目前我國机械加工领域，很多均是采取人工或者是专用机械来开展机床上下料，但随着科技的进步，机械加工产品的更新换代速度不断加快，人工或者是专用机械在很多方面存在着不足，如生产效率较低、柔性不够、占地面积大、人工劳动强度大等，无法实现大批量生产，基于此，迫切需要对桁架机械手进行应用。机床制造过程中有效运用桁架机械手，是实现自动化生产的主要策略，同时与集成加工技术有机结合起来，便可以开展上下料、工程转序、工件翻转等生产线上的相关工作。桁架机械手的结构组成部分主要包括3个，即主体、控制系统以及驱动系统。

首先，主体。桁架机械手的主体部分，多为龙门式结构，主要由基座、十字滑座、过渡连接板、z向滑枕、y向横梁、立柱以及导轨等组成。交流伺服电动机借助蜗轮减速器来驱动齿轮与z向滑枕、y向横梁上固定的齿条进行滑动，从而实现在z向上的直线运动，并驱动z向滑枕、十字滑座等质量较轻的移动部件沿着导轨进行快速运动。滑枕多为铝合金拉制型材，横梁多为方钢型材，将齿条、导轨安装在横梁上，通过导轨与滚轮的接触，使得桁架机械手悬挂在横梁上。

其次，控制系统。对于桁架机械手来说，其控制核心主要通过各种工业控制器来得以实现，如单片机、运动控制或者是PLC等。借助控制器，对按钮、各种传感器等提供的输入信号进行分析处理，经过相应逻辑判断之后，对指示灯、电动驱动器或继电器等各种输出元件下达执行命令，使桁架机械手完成X轴、Y轴、Z轴的联合运动，从而实现一整套作业流程的全自动化。控制系统的有效运算，是实现桁架机械手高效运行的重要前提。

最后，驱动系统。桁架机械手的各部分，均设有执行机构，可以是手指，也可以是手臂，主要负责确定物料的抓取角度、装夹物料。同时，也要具备驱动机构，来带动分结构的运动，目前桁架机械手的常见驱动方式主要包括电动式驱动、气动式驱动、液压式驱动等多种方式。

2  桁架机械手的结构设计

桁架机械手结构设计中，可以将其分为桁架、机械手两个部分来进行分析。

首先，在对桁架进行设计的时候，可以将其简化成梁，原因在于桁架的机构与力学中的结构梁相类似，从力学角度考虑，可对简支梁、桁架进行横向对比，以简支梁弯矩图为根据，来对桁架进行分析，在此基础上，充分考虑机械手为桁架所造成的作用力，便可得到桁架的力学分析图，如图1所示。需要注意的是，机床领域中，对桁架机械手的要求相对较高，即可靠性强、效率高等。为确保桁架机械手的稳定性、可靠性，对桁架立柱进行选择的时候，应确保其能够稳定支撑桁架，并要确保其占用空间较小，因此，桁架机械手的立柱结构，多选择质量轻、稳定性好的钢结构。

其次，在对机械手进行设计的时候，可以将其分为机械手、手臂两个部分进行设计。（1）机械手。对于桁架机械手来说，其主要作用便是运输，即使工件在上下料轨道、机床之间进行移动，从上下料轨道上拿起要加工的零件放到机床上，并从机床上拿出加工后的零件。由此可以看出，机械手的主要动作便是升降、爪张开、抓取以及左右移动。手爪设计中，可采取多种方案及形式，根据实际需求，可采取不同的方案。第一种是机械自锁手爪，其结构相对简单，但对抓取进行了一些复杂的设计，其通过设置自锁装置，来避免夹持零件时发生脱落的状况;第二种是齿轮齿条式手爪，其具有良好的传递性，且动作反应速度非常快，其主要利用齿轮间的传动来对手爪进行控制，在速度方面实现了突破;第三种是连杆杠杆式手爪，其主要采取机械连杆机构，借助杠杆、连杆之间的传递，来控制手爪松开、夹持，但其夹持力比较大，因此容易造成零件损坏。（2）手臂。桁架上机械手结构设计过程中，在对手臂进行设计的时候，应对机械手臂载荷因素进行充分考虑，并要实现手臂的快速运动，也要确保其承受力。桁架机械手主要进行直线运动，因此，在手臂设计时，多采取液压直接驱动的方式，在对液压缸进行选择的时候，应尽量选择大直径的液压缸，以确保手臂的强度。对液压缸进行校核时，可应用相应公式。对活塞杆直径进行校核的时候，可应用如下公式：d≥√4F/π[σ]。上述公式中，F代表的是活塞杆的作用力，[σ]代表的是活塞杆材料的许用应力;对缸体壁厚进行校核的时候，可应用如下公式：δ≥D/2√（[σ]+0.4Py）/（[σ]-1.3Py）-1，上述公式中，D代表的是缸筒内径;Py代表的是缸筒试验压力。对桁架机械手的运动方式进行分析发现，机械手主要是在桁架上进行水平运动，在达到指定位置后，进行下降运动，然后手爪张开将零件夹紧，进行上升运动、逆向运动，将零件放在上下料轨道上，最后手爪松开。在这个过程中，机械手下降停止、上升停止时，主要是通过PLC控制限位器来实现的。机械手在机床上夹持零件时，下一零件到达待定区域，等到机械手结束这一动作之后，便会回到待加工零件的位置，进行下降运动，夹持零件，并将其放置到机床中，然后回到初始位置，然后PLC停止脉冲输出，机床开始加工，机械手运动完成。下一零件加工时，桁架机械手循环上述运动。

此外，驱动系统也是桁架机械手结构设计中不可忽视的重要组成部分，目前机床领域的桁架机械手，以手指方法为根据进行分类，可分为移动型驱动方式或者是回转型驱动方式。根据机械手夹持的差异，可分为内、外两种。桁架机械手可采取电动驱动方式，这是使用最为广泛的一种驱动方式，机床生产过程中也需要用电，桁架机械手采取电动驱动方式仅需应用电机，便可以控制桁架机械手的速度。桁架机械手也可采取气动驱动方式，其主要是利用电磁阀来对机械手进行控制，并借助气流调节阀对机械手的运动速度进行控制，其优点在于成本相对较低。桁架机械手还可采取液压驱动方式，即应用液压系统来对桁架机械手进行控制，其优势在于可连续性实施位置控制，且传动刚度相对较大，其动力源为液压马达。

3  结语

综上所述，随着科学技术的不断进步，自动化技术在我国各行各业得到了广泛应用。与此相应的，也要加大对桁架机械手等自动化设备的研发与应用，以更好地推动行业转型与升级。

参考文献

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