桁架机械手自动加工生产线上的应用

杨杰

摘要：自动加工生产线构成的桁架机械手和机床能实现工件的自动抓取，上下材料，加载卡，工件的翻转等等，从而大大节省劳动力成本，提高生产效率。特别适用于大批量、小零件的加工。

关键词：桁架机械手 柔性生产线

引言

在现代工业生产中，桁架式机械手的应用非常广泛。根据加工行业设计的桁架式机械手与数控机床的结合，工件可自动抓取、进给、装料、切割、旋转。桁架式机械手不仅高效、准确，还能够持续工作。

一、桁架机械手发展历史

机械手最初是由美国开发出来的，在国外被广泛使用。1958年，美国联合控制公司开发了第一台机械手。其结构是：机体上安装一个回转长臂，其顶部装有电磁块，控制系统示教形的。1962年，在上述方案的基础上，美国联合控制公司试制成一台数控示教再现型机械手。名称为Unimate（即万能自动）。运动系统模仿坦克炮塔，手臂可以转动，俯仰，伸缩和液压驱动，控制系统使用磁鼓作为存储设备。在此基础上，开发了许多球面坐标多用途机械手。同年，美国机械制造公司也成功地试验了一种Vewrsatran机械手。机械手的中心柱可以通过液压驱动控制系统转动和提升。这两种机械手出现于60年代初，是国外工业机械手发展的基础。1978年，美国Unimate公司与斯坦福大学、麻省理工学院联合开发了一种Unimate-vicarm型工业机械手，配备小型电子计算机进行控制，装配操作，定位误差小于1毫米。

二、桁架机械手的结构与工作原理

（1）桁架机械手由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。直角坐标型机械手其主体部分通常采用龙门式结构，由y向梁和导轨、z滑动枕、十字滑座、垂直柱、过渡连接板和底座组成。z向的直线运动是交流伺服电机的机架，由齿轮传动齿轮与y向梁和z向轨枕固定。驱动移动部件沿着导轨迅速移动。移动部件是由轻型的十字滑座以及z向滑枕，滑枕采用由铝合金拉制的型材。当较重的工件运输时，惯性较大，所以伺服驱动电机有足够的动力来驱动和制动，支撑元件应该有足够的刚度和强度。只有这样，伺服电机才能满足桁架机械手输送高响应、高刚性、高精度的要求。

（2）根据桁架接收到的位移和速度指令，改变、放大和调整后将桁架机械手转移到运动单元，通过光纤传感器实时检测运行状态。在高速搬运过程中，运动部件在很短的时间内达到给定的速度，在高速行驶的瞬间可以停止。通过高分辨率绝对编码器的插补操作，控制了机械误差和测量誤差对运动精度的影响。桁架机械手的选择应以工件的质量和加工的节拍为基础。根据被运工件的形状、结构和机床夹具的夹持方法，设计了机械手的臂型和定夹方式来设计。机械手可以通过编程来处理和执行任务。机械手主要由手臂、回转装置、运动部件和驱动部件组成。工件通过定位工件形状或工件上的支承点来夹持。夹持定位模块可根据产品质量和形状大小进行设计。对于不同系列的工件，只能切换相应的夹持和定位模块，以满足快速切换的需要和桁架机械手的灵活性。

三、桁架机械手在柔性加工自动线上的应用

（一）自动线桁架机械手输送装置的发展及现状

自动线的发展经历了两个时代：刚性自动线和柔性自动线。刚性加工自动线的传动可分为棘轮棘爪、摆杆、升降步、机动滚道等。随着加工中心机床的发展，由机床组成的自动生产线逐渐取代了组合机床组成的自动生产线，即柔性加工自动生产线。由桁架机械手输送自动管路后，可根据机床配置任意改变输送机的距离。机床之间的安装位置和机床在自动行不再是刚性输送那样，按照输送步距或步距倍数的要求进行严格的安装，传输速度也可以根据生产节拍和输送机的距离而改变。柔性运输的一个重要方面是，当加工零件的产品发生变化时，只要改变输送机程序和机械手的局部结构，就不会对输送零件进行任何调整。桁架机械手较先进的一面是自动加工线的自动化和智能化。因此，桁架机械手在柔性加工自动化生产线上的应用越来越多，整个生产过程都可以通过信息流系统进行控制。在加工和运输过程中，收集、加工、反馈各种信息，由计算机或其他控制设备（液压、气动等）控制机器或运输设备。信息流系统分为中央管理计算机、物流控制计算机、单元控制计算机、数控机床和信息传输网络。

（二）国内外差距

目前，我国机床的发展速度很快，技术水平有了很大的提高。一些机床和国外没有区别。然而，柔性加工自动线的技术水平和等级比国外的要明显得多。国外桁架机械手采用的柔性加工自动线比较常见，但国外企业设计的生产线很少。该产品主要由桁架机械手、机床、筒仓、工作程序转台等组成。通过系统集成，可以实现一个机床、一个加工单元、一个流水线和一个柔性加工单元。具有定位准确、工作节拍可调、工作空间大、性能优异、运行稳定可靠、维护方便等特点，打破了外国人对国内市场的垄断。桁架机械手作为一种柔性输送系统，已成为柔性加工自动生产线的重要组成部分。在过去，桁架机械手没有使用的自动线的输送带部分被称为输送带或输送装置。目前，桁架机械手被称为输送系统或物流系统。过去的输送带是由油缸或减速机通过链条或机动辊子驱动，时间较长，定位精度较差。目前常用的做法是驱动伺服系统完成多坐标的复杂运动，达到时间短、效率高、运动位置准确的目的。

四、结论

相信随着国内桁架机械手技术水平的不断提高，桁架机械手在柔性加工自动流水线上的应用将越来越多。采用桁架操纵器的柔性加工线将成为未来的一个大卖点，并且有着非常可观的前景市场，从而推动国内柔性加工自动化生产线具有一定的质量。