桁架式机械手在汽车零件生产中的应用

谭运生　张超

摘 要：在现代工业生产中，桁架式机械手的应用非常广泛，针对机械加工行业所设计的桁架式机械手与数控机床相结合，可以实现在该设备或多设备之间的工件自动抓取、上料、装卡、下料、工件转序加工，桁架式机械手不仅高效准确，而且可以连续作业。该文将叙述一种为某专用数控机床特别设计的桁架式机械手，该数控机床用于生产同步器内齿圈。所述机械手由两轴组成，即X轴、Z轴，结构上包括横梁、双立柱、传动机构、机械手臂、运输料盘、附属气动装置及安全防护与检测装置，直线导轨设计有自动润滑装置，终端手爪可前后伸缩并90°翻转以实现工件抓取与装夹。

关键词：桁架式机器手 自动化 上下料 数控机床

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0088-02

随着科技的不断进步，各企业的生产设备在不断地更新换代，以降低生产成本、扩大产能，越来越多的自动化生产线被应用其中，代替以往繁重的人力劳动，从而解放了生产力，提高了生产效率。该文将从桁架式机械手的整体参数、机械结构、运动检测与安全防护、工作过程来阐述为专用数控机床配套设计的桁架式机械手。

该文所述的专用数控机床是为加工汽车同步器内齿圈专门设计的。该机床机械结构上分为床身、工具轴（Z）、工件主轴（X）、电柜等几部分，床身上有机械手的安装平台。

为该机床配套的桁架式机械手包括机械部分：横梁、双立柱、传动机构、机械手臂、运输料盘及附属气动装置及安全防护与检测装置；电气方面：桁架式机械手采用与原机床相同的SIEMENS 840Dsl数控系统、SIEMENS驱动及电机。

1 整体参数与机械结构

1.1 桁架

桁架包括横梁、双立柱、连接座，三者之间采用螺栓连接并可调节。

横梁由一根方钢管与两根导轨安装板焊接而成，焊接后加工横梁所有安装面并钻直线导轨安装孔，加工的公差等级要求为7级，除导轨安装孔外其他加工面加工后粗糙度要求不大于3.2 μm，为达到直线导轨的安装要求，即保证直线导轨安装后的直线度与平行度，应在加工横梁时提出相应的形位公差要求。

双立柱是将机械手与所述专用数控机床进行连接的重要部件，每根立柱采用一根方钢管与两块钢板焊接而成，焊接后加工整体立柱的两个端面，加工的公差等级要求为7级，端面加工后粗糙度要求不大于6.3 μm，并需保证方钢管与钢板的垂直度、所述两端面的平面度及两端面之间的平行度。

连接座是将横梁与双立柱连接到一起的部件，二者采用螺栓连接，连接座上加工有长圆孔，可以通过螺栓微调节保证横梁的水平度，进而控制直线导轨的水平度。

1.2 水平运动部件

机械手水平运动部件包括电机、减速机、直线导轨、滑块、齿轮、齿条、安装板及其他结构件，电机与减速机直接连接并安装到安装板上，减速机输出轴与直齿轮靠键连接，并设计轴端盖限制齿轮的轴向位移，齿轮齿条啮合传动实现机械手X轴方向移动，X轴即横梁。

电机采用西门子伺服电机，输入电压3相380 V。

X轴电机型号：1FK7060-2AF71-1*A1，功率1.5 kW，额定转速3 000 rpm，额定转矩4.7 N·m，电机每转机械行程19.634 mm，当电机转速为1 000 r/min时，机械手轴移动速度为每分钟20 m。

减速机采用纽氏达特2级减速机，型号：PS115L1-8-P2-S2/24-50-110-130-M8，减速比为8∶1，额定输出扭矩为120 N·m，額定输入转速3 500 rpm。

机械手水平运动部件采用两根直线导轨配备四个滑块，导轨有效行程1 200 mm，导轨长度1 900 mm，最大运动速度为0.98 m/s，直线导轨的型号HGH25CA2R，重复定位精度为±0.05 mm。

传动方式采用齿轮齿条传动，齿轮采用直齿圆柱齿轮，模数M=2，齿数25，压力角20°，有效行程1 200 mm，齿条长1 400 mm，重复定位精度为±0.05 mm。

1.3 垂直运动部件

垂直运动部件包括Z轴、电机、减速机、直线导轨、滑块、齿轮、齿条、安装板及其他结构件，电机与减速机直接连接，再与Z轴减速机调整板连接，减速机输出轴与直齿轮靠键连接，并设计轴端盖限制齿轮的轴向位移，齿轮齿条啮合传动实现机械手Z轴的移动，Z轴即型材。

Z轴采用60×90的型材，型材上安装有齿条、直线导轨，型材不进行加工。

电机采用西门子伺服电机，输入电压3相380 V。

Z轴：1FK7060-2AF71-1*B1（带抱闸），功率1.5 kW，额定转速3 000 rpm，额定转矩4.7 N·m，电机每转机械行程19.634 mm，当电机转速为1 000 r/min时，机械手轴移动速度为每分钟20 m。

减速机采用纽氏达特2级减速机，型号为：PS115L1-8-P2-S2/24-50-110-130-M8，减速比为8∶1，额定输出扭矩为120 N·m，额定输入转速3 500 rpm。

机械手垂直运动部件采用两根直线导轨配备四个滑块，有效行程600 mm，导轨长度950 mm，最大运动速度为0.98 m/s，直线导轨的型号HGH20CA2R。

传动方式采用齿轮齿条传动，齿轮模数M=2，齿数25，压力角20°，齿条长650 mm，有效行程600 mm，重复定位精度为±0.05 mm。

1.4 X轴与Z轴的连接与运动

Z轴可以相对于横梁做水平和垂直运动，二者靠XZ连接板连接，在所述XZ连接板上安装有X、Z轴的滑块、电机、减速机、齿轮调整块、减速机连接板；电机经减速机减速增扭后驱动齿轮与齿条啮合运动，从而实现机械手X、Z轴的运动，齿轮与齿条的啮合程度采用调节块调节，调节块与XZ连接板连接。

1.5 终端手爪部件

终端手爪部件包括推料连接板、Z轴连接弯板、直线导轨、滑块、推料气缸、推料上连接板、推料下连接板、旋转气缸座、旋转气缸、气动手爪、L型手指。

在Z轴下端，手爪部件靠推料连接板、Z轴连接弯板与Z轴连接；在推料连接板底面安装有直线导轨、滑块，推料上连接板与滑块连接，推料下连接板上面与推料上连接板下面连接，旋转气缸座与推料下连接板连接，旋转气缸安装在旋转气缸座上，旋转气缸与手爪翻转台连接，气动手爪安装在手爪翻转台上，气动手爪安装L型手指，通过气动手爪的涨紧与松开控制L型手指对同步器内齿套的上下料；手爪部件可水平移动，通过推料气缸推动滑块在直线导轨上移动实现，推料气缸型号为SC32x25-S。

1.6 运动检测与工作过程

在桁架机械手的运动行程内有限位开关，当机械手监测点达到限位开关的检测范围，限位开关立刻向系统发出信号，系统终止机械手的机械动作；在机械结构的极限位置还设置有硬限位块，防止滑块脱离直线导轨导致零部件配合失效。

机械手的工作过程概括分为：取料—运输—上料—加工零件—下料—运输。输送料盘一侧上放置有待加工零件，机械手从初始位置移动至运输料盘上方，抓取待加工零件，然后移动至机床上方，给机床上料装夹，等待零件加工完毕，机械手将零件取下，返回至运输料盘上方，将零件放于运输料盘的另一侧，送至成品区，完成一个工作循环，机械手运动用时最快6 s（不包括机械手等待零件加工的时间），当电机转速为1 000 r/min时，机械手运动用时18 s。

2 结语

桁架式机械手在工业自动化生产中起着举足轻重的作用，它能够解放生产力、提高机械加工效率、提升企业综合竞争力、促进国民工业发展、夯实国家工业基础。桁架式机械手在工业机器人的发展中，应更多的向智能化和精密化发展，相信在不久的将来，工业自动化一定会迎来它发展的春天。

参考文献

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[2] 叶辉.工业机器人典型应用案例精析[M].机械工业出版社，2013.

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