桁架式機(jī)械手在汽車(chē)零件生產(chǎn)中的應(yīng)用

譚運(yùn)生　張超

摘 要：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，桁架式機(jī)械手的應(yīng)用非常廣泛，針對(duì)機(jī)械加工行業(yè)所設(shè)計(jì)的桁架式機(jī)械手與數(shù)控機(jī)床相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)在該設(shè)備或多設(shè)備之間的工件自動(dòng)抓取、上料、裝卡、下料、工件轉(zhuǎn)序加工，桁架式機(jī)械手不僅高效準(zhǔn)確，而且可以連續(xù)作業(yè)。該文將敘述一種為某專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床特別設(shè)計(jì)的桁架式機(jī)械手，該數(shù)控機(jī)床用于生產(chǎn)同步器內(nèi)齒圈。所述機(jī)械手由兩軸組成，即X軸、Z軸，結(jié)構(gòu)上包括橫梁、雙立柱、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手臂、運(yùn)輸料盤(pán)、附屬氣動(dòng)裝置及安全防護(hù)與檢測(cè)裝置，直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)有自動(dòng)潤(rùn)滑裝置，終端手爪可前后伸縮并90°翻轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)工件抓取與裝夾。

關(guān)鍵詞：桁架式機(jī)器手 自動(dòng)化 上下料 數(shù)控機(jī)床

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（a）-0088-02

隨著科技的不斷進(jìn)步，各企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備在不斷地更新?lián)Q代，以降低生產(chǎn)成本、擴(kuò)大產(chǎn)能，越來(lái)越多的自動(dòng)化生產(chǎn)線被應(yīng)用其中，代替以往繁重的人力勞動(dòng)，從而解放了生產(chǎn)力，提高了生產(chǎn)效率。該文將從桁架式機(jī)械手的整體參數(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與安全防護(hù)、工作過(guò)程來(lái)闡述為專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床配套設(shè)計(jì)的桁架式機(jī)械手。

該文所述的專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床是為加工汽車(chē)同步器內(nèi)齒圈專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。該機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)上分為床身、工具軸（Z）、工件主軸（X）、電柜等幾部分，床身上有機(jī)械手的安裝平臺(tái)。

為該機(jī)床配套的桁架式機(jī)械手包括機(jī)械部分：橫梁、雙立柱、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手臂、運(yùn)輸料盤(pán)及附屬氣動(dòng)裝置及安全防護(hù)與檢測(cè)裝置；電氣方面：桁架式機(jī)械手采用與原機(jī)床相同的SIEMENS 840Dsl數(shù)控系統(tǒng)、SIEMENS驅(qū)動(dòng)及電機(jī)。

1 整體參數(shù)與機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 桁架

桁架包括橫梁、雙立柱、連接座，三者之間采用螺栓連接并可調(diào)節(jié)。

橫梁由一根方鋼管與兩根導(dǎo)軌安裝板焊接而成，焊接后加工橫梁所有安裝面并鉆直線導(dǎo)軌安裝孔，加工的公差等級(jí)要求為7級(jí)，除導(dǎo)軌安裝孔外其他加工面加工后粗糙度要求不大于3.2 μm，為達(dá)到直線導(dǎo)軌的安裝要求，即保證直線導(dǎo)軌安裝后的直線度與平行度，應(yīng)在加工橫梁時(shí)提出相應(yīng)的形位公差要求。

雙立柱是將機(jī)械手與所述專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行連接的重要部件，每根立柱采用一根方鋼管與兩塊鋼板焊接而成，焊接后加工整體立柱的兩個(gè)端面，加工的公差等級(jí)要求為7級(jí)，端面加工后粗糙度要求不大于6.3 μm，并需保證方鋼管與鋼板的垂直度、所述兩端面的平面度及兩端面之間的平行度。

連接座是將橫梁與雙立柱連接到一起的部件，二者采用螺栓連接，連接座上加工有長(zhǎng)圓孔，可以通過(guò)螺栓微調(diào)節(jié)保證橫梁的水平度，進(jìn)而控制直線導(dǎo)軌的水平度。

1.2 水平運(yùn)動(dòng)部件

機(jī)械手水平運(yùn)動(dòng)部件包括電機(jī)、減速機(jī)、直線導(dǎo)軌、滑塊、齒輪、齒條、安裝板及其他結(jié)構(gòu)件，電機(jī)與減速機(jī)直接連接并安裝到安裝板上，減速機(jī)輸出軸與直齒輪靠鍵連接，并設(shè)計(jì)軸端蓋限制齒輪的軸向位移，齒輪齒條嚙合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手X軸方向移動(dòng)，X軸即橫梁。

電機(jī)采用西門(mén)子伺服電機(jī)，輸入電壓3相380 V。

X軸電機(jī)型號(hào)：1FK7060-2AF71-1*A1，功率1.5 kW，額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm，額定轉(zhuǎn)矩4.7 N·m，電機(jī)每轉(zhuǎn)機(jī)械行程19.634 mm，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，機(jī)械手軸移動(dòng)速度為每分鐘20 m。

減速機(jī)采用紐氏達(dá)特2級(jí)減速機(jī)，型號(hào)：PS115L1-8-P2-S2/24-50-110-130-M8，減速比為8∶1，額定輸出扭矩為120 N·m，額定輸入轉(zhuǎn)速3 500 rpm。

機(jī)械手水平運(yùn)動(dòng)部件采用兩根直線導(dǎo)軌配備四個(gè)滑塊，導(dǎo)軌有效行程1 200 mm，導(dǎo)軌長(zhǎng)度1 900 mm，最大運(yùn)動(dòng)速度為0.98 m/s，直線導(dǎo)軌的型號(hào)HGH25CA2R，重復(fù)定位精度為±0.05 mm。

傳動(dòng)方式采用齒輪齒條傳動(dòng)，齒輪采用直齒圓柱齒輪，模數(shù)M=2，齒數(shù)25，壓力角20°，有效行程1 200 mm，齒條長(zhǎng)1 400 mm，重復(fù)定位精度為±0.05 mm。

1.3 垂直運(yùn)動(dòng)部件

垂直運(yùn)動(dòng)部件包括Z軸、電機(jī)、減速機(jī)、直線導(dǎo)軌、滑塊、齒輪、齒條、安裝板及其他結(jié)構(gòu)件，電機(jī)與減速機(jī)直接連接，再與Z軸減速機(jī)調(diào)整板連接，減速機(jī)輸出軸與直齒輪靠鍵連接，并設(shè)計(jì)軸端蓋限制齒輪的軸向位移，齒輪齒條嚙合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手Z軸的移動(dòng)，Z軸即型材。

Z軸采用60×90的型材，型材上安裝有齒條、直線導(dǎo)軌，型材不進(jìn)行加工。

電機(jī)采用西門(mén)子伺服電機(jī)，輸入電壓3相380 V。

Z軸：1FK7060-2AF71-1*B1（帶抱閘），功率1.5 kW，額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm，額定轉(zhuǎn)矩4.7 N·m，電機(jī)每轉(zhuǎn)機(jī)械行程19.634 mm，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，機(jī)械手軸移動(dòng)速度為每分鐘20 m。

減速機(jī)采用紐氏達(dá)特2級(jí)減速機(jī)，型號(hào)為：PS115L1-8-P2-S2/24-50-110-130-M8，減速比為8∶1，額定輸出扭矩為120 N·m，額定輸入轉(zhuǎn)速3 500 rpm。

機(jī)械手垂直運(yùn)動(dòng)部件采用兩根直線導(dǎo)軌配備四個(gè)滑塊，有效行程600 mm，導(dǎo)軌長(zhǎng)度950 mm，最大運(yùn)動(dòng)速度為0.98 m/s，直線導(dǎo)軌的型號(hào)HGH20CA2R。

傳動(dòng)方式采用齒輪齒條傳動(dòng)，齒輪模數(shù)M=2，齒數(shù)25，壓力角20°，齒條長(zhǎng)650 mm，有效行程600 mm，重復(fù)定位精度為±0.05 mm。

1.4 X軸與Z軸的連接與運(yùn)動(dòng)

Z軸可以相對(duì)于橫梁做水平和垂直運(yùn)動(dòng)，二者靠XZ連接板連接，在所述XZ連接板上安裝有X、Z軸的滑塊、電機(jī)、減速機(jī)、齒輪調(diào)整塊、減速機(jī)連接板；電機(jī)經(jīng)減速機(jī)減速增扭后驅(qū)動(dòng)齒輪與齒條嚙合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手X、Z軸的運(yùn)動(dòng)，齒輪與齒條的嚙合程度采用調(diào)節(jié)塊調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)塊與XZ連接板連接。

1.5 終端手爪部件

終端手爪部件包括推料連接板、Z軸連接彎板、直線導(dǎo)軌、滑塊、推料氣缸、推料上連接板、推料下連接板、旋轉(zhuǎn)氣缸座、旋轉(zhuǎn)氣缸、氣動(dòng)手爪、L型手指。

在Z軸下端，手爪部件靠推料連接板、Z軸連接彎板與Z軸連接；在推料連接板底面安裝有直線導(dǎo)軌、滑塊，推料上連接板與滑塊連接，推料下連接板上面與推料上連接板下面連接，旋轉(zhuǎn)氣缸座與推料下連接板連接，旋轉(zhuǎn)氣缸安裝在旋轉(zhuǎn)氣缸座上，旋轉(zhuǎn)氣缸與手爪翻轉(zhuǎn)臺(tái)連接，氣動(dòng)手爪安裝在手爪翻轉(zhuǎn)臺(tái)上，氣動(dòng)手爪安裝L型手指，通過(guò)氣動(dòng)手爪的漲緊與松開(kāi)控制L型手指對(duì)同步器內(nèi)齒套的上下料；手爪部件可水平移動(dòng)，通過(guò)推料氣缸推動(dòng)滑塊在直線導(dǎo)軌上移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，推料氣缸型號(hào)為SC32x25-S。

1.6 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與工作過(guò)程

在桁架機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)有限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)機(jī)械手監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到限位開(kāi)關(guān)的檢測(cè)范圍，限位開(kāi)關(guān)立刻向系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，系統(tǒng)終止機(jī)械手的機(jī)械動(dòng)作；在機(jī)械結(jié)構(gòu)的極限位置還設(shè)置有硬限位塊，防止滑塊脫離直線導(dǎo)軌導(dǎo)致零部件配合失效。

機(jī)械手的工作過(guò)程概括分為：取料—運(yùn)輸—上料—加工零件—下料—運(yùn)輸。輸送料盤(pán)一側(cè)上放置有待加工零件，機(jī)械手從初始位置移動(dòng)至運(yùn)輸料盤(pán)上方，抓取待加工零件，然后移動(dòng)至機(jī)床上方，給機(jī)床上料裝夾，等待零件加工完畢，機(jī)械手將零件取下，返回至運(yùn)輸料盤(pán)上方，將零件放于運(yùn)輸料盤(pán)的另一側(cè)，送至成品區(qū)，完成一個(gè)工作循環(huán)，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)用時(shí)最快6 s（不包括機(jī)械手等待零件加工的時(shí)間），當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)用時(shí)18 s。

2 結(jié)語(yǔ)

桁架式機(jī)械手在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用，它能夠解放生產(chǎn)力、提高機(jī)械加工效率、提升企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力、促進(jìn)國(guó)民工業(yè)發(fā)展、夯實(shí)國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)。桁架式機(jī)械手在工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展中，應(yīng)更多的向智能化和精密化發(fā)展，相信在不久的將來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化一定會(huì)迎來(lái)它發(fā)展的春天。

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