机床机械桁架机械手的设计与结构分析

李翔

摘 要：机械手臂在目前的机械制造行业可以说是相当有名的一种设备，在自动化高速生产线上，机械手臂已经是一种不可或缺的设备。它的灵活性是生产制造中非常可贵的一种性能，再加上惯性比较小，这样就保证机械手臂可以完全取代人工，被应用在生产线上。不论是大型生产线还是小的机床都可以使用机械手臂，它的使用使整个生产设备的效率和质量得到了提高。机械手臂主要附在机床的桁架结构上，然后通过分析机械手臂在生产工作中的作用，布置方案和动力部件成，最终完成机床上的桁架机械手设计方案，并且在整个机械制造行业中。机械手臂的应用，大大提升了生产线的自动化程度，代替了人工，也保证了 生产过程中的安全性和稳定性。

關键词：机构分析 机械手 驱动系统

Design and Structure Analysis of Machine Tool Mechanical Truss Manipulator

Li Xiang

Abstract：The robotic arm can be said to be a well-known equipment in the current machinery manufacturing industry. In the automated high-speed production line， the robotic arm is already an indispensable device. Its flexibility is a very valuable performance in manufacturing， coupled with its relatively small inertia，which ensures that the robotic arm can completely replace manual labor and be applied to the production line. Whether it is a large production line or a small machine tool， the robotic arm can be applied. Its application improves the efficiency and quality of the entire production equipment. The robot arm is mainly attached to the truss structure of the machine tool， and then through the analysis of the role of the robot arm in the production work， the layout plan and the power components are formed， and the truss manipulator design plan on the machine tool is finally completed， and in this way the robotic arm is used in the entire machinery manufacturing industry. The application of mechanical arms has greatly improved the degree of automation of the production line， replaced manual labor， and ensured the safety and stability of the production process.

Key words：mechanism analysis， robotic arm， drive system

1 引言

最近几点来，我国劳动力的价值在不断的升高，这样就促进了自动化生产的发展。机床市场以及一些中小型加工工厂对自动化设备的需求更是日益增长。一些单一品种产品或是数量多结构简单的成批产品，对自动化设备的依赖程度更是在不断提高。在这些生产中如果使用自动化设备，将会大大降低成本，提高生产效率。

2 桁架结构

机床上使用的桁架机械手对其可靠性，效率等要求较高。桁架机械手主要由立柱部件，横梁部件，驱动部件，直线运动部件，润滑部件，控制部件等部分组成。

2.1 立柱组件

立柱组件主要是对整个结构起到一个支撑的作用，确保整个桁架不论在什么工况下都可以稳定工作，并且不发生振动和噪声，一般的单机自动化设备都是使用双立柱结构作为支撑。像一些小一点的工件或者安装和使用空间受到限制的地方，也可以使用单立柱结构作为支撑。一般多机连线都是使用2n-1个立柱结构的方式用来固定。立柱结构主要使用钢结构，也存在一些特别的结构使用铝合金作为其制作材料。

2.2 横梁组件

横梁作为整个工件传输的通道，一般也使用钢或铝合金材料制作。一些小规格的零件则使用铝合金材料做成的立柱较多。但是对于大、中型结构的零件还是多采用钢结构作为主要制作材料。钢结构材料其主要优点是刚性好，并且生产制作成本比较低。但铝合金横梁近年来也应用越来越广泛，主要优势在于其结构质量特别轻，方便安装与托运。刚性好，而且其外形美观，可以适用于大批量生产。虽然其优点突出，但其价格较高也是影响了其使用范围，其性价比并不是特别高。

2.3 驱动部件

桁架结构一般都使用伺服电机搭配齿轮减速箱或带传动的驱动方式，目前大多数的桁架速度在60-170m/min的速度下，所以使用一般的丝杠传动方式很难满足桁架部件的速度要求。但是大多数的生产商还是使用电机搭配齿轮齿条的工作方式，这样设计具有传动精度高等优点。一般传动精度可以达到0.06mm。如果设备对传动精度的要求不是特别高，也可以使用同步带搭配伺服电机的方式，这种传动方式更适合应用在中小型设备上。其优点在于结构设计简单，使用维护方便，成本要求较低等优点。其精度一般可以达到0.09mm，但是也存在同步带断带等安全问题。

2.4 直线运动部件

桁架通常使用线性导轨或V形导轨系统。如果将直线导轨用作高于120m/min的高速桁架，则存在滑块脱落的风险。因此，在高速桁架领域中，近年来出现了V形导向系统，该系统取代了传统的线性导向器。新推出的V形导向系统比线性导向器具有更多优势。主要有以下几个方面：

（1）可以实现高线速度。它采用V型辊+V型导轨的驱动方式，V型辊在V型导轨上滚动，很容易实现高速传输，速度可以达到600M/min。

（2）具有很强的防尘能力。在传动过程中，V形轮中心的轴承不会直接接触导轨的表面。这样可以防止灰塵进入滚动体。此外，在传动过程中，V形轮会刮擦V形导轨以清除灰尘。

（3）为了减少组装的难度，V形导向系统通常使用对应于4个滑块的4组V形轮。V形轮和V形引导件之间的接触对应于球和线性引导件之间的接触。这大大降低了对安装基准面的要求。特别适合排长队的场合。

（4）维护成本低。如果在使用过程中损坏了V形轮，则可以在不拆卸导轨的情况下单独进行更换，从而节省了时间和精力。可以根据需要随时调整预紧力。始终确保桁架的平稳运行。

2.5 润滑部件

桁架机械手一般行程都比较长，而且速度较高。采用稀油润滑效果差，而且对环境污染大。通常都采用油脂润滑或者480 号高粘度润滑油。用自动润滑泵定期对导轨进行润滑。

2.6 控制部件

桁架机械手臂成功与否的要点在于其可靠性。为了提高部件的可靠性并降低故障率，通常通过航空连接器连接电气部件。这样就可以防止焊接时，焊接不准确带来的稳定性影响。同时，系统需要采取安全措施，例如整个系统安装保险，限位设计，零位开关和零返回延迟开关。

3 机械手及手臂

3.1 机械手的特点

机械手是目前自动线加工系统中较为常见的一种输送装置。根据其作用和结构，归类于工业机器人之列。单从表面上看，桁架机械手似乎不如工业机器人那么华丽，智能化程度也不尽“人”意，一个是“手”，一个是“人”。

3.2 机械手的结构形式及原理

机械手由多轴运动主体、驱动系统和控制系统三大部分组成。按机械手结构形式可为直角坐标型，机床上下料常用的两自由度机械手，沿二维直角坐标系移动。主体部分通常采用龙门式结构，由Y轴横梁、Z轴竖梁、立柱、中间过渡连接板及基座等部分组成。Z轴的直线运动均为伺服电动机通过减速机驱动齿轮与Z轴竖梁上固定的齿条进行滚动，从而驱动移动负载（零部件）沿Z轴导轨进行快速运动。Z轴为了减轻自身重量通长采用铝合金拉制的型材。横梁一般根据抓取负载重量考虑采用方钢型材或铝合金型材。Y轴横梁上安装有导轨和齿条，通过齿轮齿条传动导轨导向，使Z 轴进行左右运动。整个机械手都悬挂在Z轴下端。

由于机械手移动的速度快、加速度大，因此，当输送较重的工件时，伺服驱动电动机就要有足够的驱动和制动的能力，支撑元件也要有足够的刚度及强度。只有这样，才能使伺服电动机满足桁架机械手输送的高刚度和高精度的要求。同时考虑到断电的影响，Z轴电机采用自动抱闸，具有制动的能力，保证设备使用过程中的安全。Z轴与Z轴考虑移动速度快的因素容易产生飞车的危险。在型材两端配有软限位和硬限位。用双层保护来保证生产过程中的安全。

3.3 机械手

桁架操纵器的作用是起到运输的作用。它使工件在装卸导轨和机床之间移动，从机床上取走加工零件，并且从导轨上取走加工零件，将其放在机器上。主要动作是：张开爪子，抓住，抬起并左右移动。机械手的爪的构造有很多方案和形状，并且可以根据需要选择各种构造方法。

机械自锁式抓爪：设计师非常喜欢这种结构，因为这种结构在消费者中非常受欢迎。它的结构相对简单，但是它也进行了复杂的抓握设计，以防止在夹持件掉落时增加自锁装置。带有连接杆的夹爪：此结构可能会受到名称的启发。在其构造中，使用机械连杆机构穿过连杆并建立和释放夹持器。机架夹爪：这种类型的机构具有最佳的便携性和最快的响应速度。它通过齿轮之间的传动来控制抓爪的打开和关闭，从而可以实现速度的突破。

3.4 手臂

在桁架上设计机械手臂时，必须考虑机械手的负载，并且运动想要实现快速控制，其机械结构必须有足够的承受力。机床桁架上的操纵器通常执行线性运动。因此，在手臂的设计时，通常选择气缸来直接驱动臂。选择机械手的圆柱体时，圆柱体的直径应较大，以使臂的整体强度较高。

4 驱动系统

对于机床桁架机械手驱动方式的选择可分为回转型和移动型，是通过手指的方法区分，要是通过机械手夹持的不同可以分为内外两种。

（1）气动驱动方式：这种控制方式是通过电磁阀来控制机械手，在通过利用气流调节阀来控制机械手的运动速度，这种驱动的成本比较低，因为得到气体成本低。

（2）电动驱动方式：在机床桁架机械手设计上，这种驱动方式使用最频繁，因为机床也需要用电，而这驱动系统只是需要利用电机，就可以达到速度上的控制。

5 结语

目前国内大部分生产商已经感受到自动化生产线带来的收益，并且都在加强对这方面的投入力度。然而对于一个生产机械手臂的生产商来说，开发和制作一个机械手臂并不困难，要保证其稳定性和高效性才是难点。所以只有保证了其稳定性和准确性才会得到各个生产商的信赖，从而获得机械手臂的市场。

参考文献：

[1]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京机械工业出版社，2009.

[2]机床设计手册编写组.机床设计手册：第二册北京机械工业出版社，1979.

[3]王雪，刘大敏.机床机械桁架机械手的设计与结构分析[J].中国新技术新产品，2017，000（007）：33-34.