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桁架机械手结构和设计分析

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  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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  [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(7):33-34.
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