桁架式機械手在汽車零件生產(chǎn)中的應用

譚運生　張超

摘 要：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，桁架式機械手的應用非常廣泛，針對機械加工行業(yè)所設計的桁架式機械手與數(shù)控機床相結(jié)合，可以實現(xiàn)在該設備或多設備之間的工件自動抓取、上料、裝卡、下料、工件轉(zhuǎn)序加工，桁架式機械手不僅高效準確，而且可以連續(xù)作業(yè)。該文將敘述一種為某專用數(shù)控機床特別設計的桁架式機械手，該數(shù)控機床用于生產(chǎn)同步器內(nèi)齒圈。所述機械手由兩軸組成，即X軸、Z軸，結(jié)構(gòu)上包括橫梁、雙立柱、傳動機構(gòu)、機械手臂、運輸料盤、附屬氣動裝置及安全防護與檢測裝置，直線導軌設計有自動潤滑裝置，終端手爪可前后伸縮并90°翻轉(zhuǎn)以實現(xiàn)工件抓取與裝夾。

關(guān)鍵詞：桁架式機器手 自動化 上下料 數(shù)控機床

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0088-02

隨著科技的不斷進步，各企業(yè)的生產(chǎn)設備在不斷地更新?lián)Q代，以降低生產(chǎn)成本、擴大產(chǎn)能，越來越多的自動化生產(chǎn)線被應用其中，代替以往繁重的人力勞動，從而解放了生產(chǎn)力，提高了生產(chǎn)效率。該文將從桁架式機械手的整體參數(shù)、機械結(jié)構(gòu)、運動檢測與安全防護、工作過程來闡述為專用數(shù)控機床配套設計的桁架式機械手。

該文所述的專用數(shù)控機床是為加工汽車同步器內(nèi)齒圈專門設計的。該機床機械結(jié)構(gòu)上分為床身、工具軸（Z）、工件主軸（X）、電柜等幾部分，床身上有機械手的安裝平臺。

為該機床配套的桁架式機械手包括機械部分：橫梁、雙立柱、傳動機構(gòu)、機械手臂、運輸料盤及附屬氣動裝置及安全防護與檢測裝置；電氣方面：桁架式機械手采用與原機床相同的SIEMENS 840Dsl數(shù)控系統(tǒng)、SIEMENS驅(qū)動及電機。

1 整體參數(shù)與機械結(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軌安裝孔，加工的公差等級要求為7級，除導軌安裝孔外其他加工面加工后粗糙度要求不大于3.2 μm，為達到直線導軌的安裝要求，即保證直線導軌安裝后的直線度與平行度，應在加工橫梁時提出相應的形位公差要求。

雙立柱是將機械手與所述專用數(shù)控機床進行連接的重要部件，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端面，加工的公差等級要求為7級，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，連接座上加工有長圓孔，可以通過螺栓微調(diào)節(jié)保證橫梁的水平度，進而控制直線導軌的水平度。

1.2 水平運動部件

機械手水平運動部件包括電機、減速機、直線導軌、滑塊、齒輪、齒條、安裝板及其他結(jié)構(gòu)件，電機與減速機直接連接并安裝到安裝板上，減速機輸出軸與直齒輪靠鍵連接，并設計軸端蓋限制齒輪的軸向位移，齒輪齒條嚙合傳動實現(xiàn)機械手X軸方向移動，X軸即橫梁。

電機采用西門子伺服電機，輸入電壓3相380 V。

X軸電機型號：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，電機每轉(zhuǎn)機械行程19.634 mm，當電機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，機械手軸移動速度為每分鐘20 m。

減速機采用紐氏達特2級減速機，型號：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。

機械手水平運動部件采用兩根直線導軌配備四個滑塊，導軌有效行程1 200 mm，導軌長度1 900 mm，最大運動速度為0.98 m/s，直線導軌的型號HGH25CA2R，重復定位精度為±0.05 mm。

傳動方式采用齒輪齒條傳動，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1 400 mm，重復定位精度為±0.05 mm。

1.3 垂直運動部件

垂直運動部件包括Z軸、電機、減速機、直線導軌、滑塊、齒輪、齒條、安裝板及其他結(jié)構(gòu)件，電機與減速機直接連接，再與Z軸減速機調(diào)整板連接，減速機輸出軸與直齒輪靠鍵連接，并設計軸端蓋限制齒輪的軸向位移，齒輪齒條嚙合傳動實現(xiàn)機械手Z軸的移動，Z軸即型材。

Z軸采用60×90的型材，型材上安裝有齒條、直線導軌，型材不進行加工。

電機采用西門子伺服電機，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，電機每轉(zhuǎn)機械行程19.634 mm，當電機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，機械手軸移動速度為每分鐘20 m。

減速機采用紐氏達特2級減速機，型號為：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。

機械手垂直運動部件采用兩根直線導軌配備四個滑塊，有效行程600 mm，導軌長度950 mm，最大運動速度為0.98 m/s，直線導軌的型號HGH20CA2R。

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

1.4 X軸與Z軸的連接與運動

Z軸可以相對于橫梁做水平和垂直運動，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、減速機、齒輪調(diào)整塊、減速機連接板；電機經(jīng)減速機減速增扭后驅(qū)動齒輪與齒條嚙合運動，從而實現(xiàn)機械手X、Z軸的運動，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)臺連接，氣動手爪安裝在手爪翻轉(zhuǎn)臺上，氣動手爪安裝L型手指，通過氣動手爪的漲緊與松開控制L型手指對同步器內(nèi)齒套的上下料；手爪部件可水平移動，通過推料氣缸推動滑塊在直線導軌上移動實現(xiàn)，推料氣缸型號為SC32x25-S。

1.6 運動檢測與工作過程

在桁架機械手的運動行程內(nèi)有限位開關(guān)，當機械手監(jiān)測點達到限位開關(guān)的檢測范圍，限位開關(guān)立刻向系統(tǒng)發(fā)出信號，系統(tǒng)終止機械手的機械動作；在機械結(jié)構(gòu)的極限位置還設置有硬限位塊，防止滑塊脫離直線導軌導致零部件配合失效。

機械手的工作過程概括分為：取料—運輸—上料—加工零件—下料—運輸。輸送料盤一側(cè)上放置有待加工零件，機械手從初始位置移動至運輸料盤上方，抓取待加工零件，然后移動至機床上方，給機床上料裝夾，等待零件加工完畢，機械手將零件取下，返回至運輸料盤上方，將零件放于運輸料盤的另一側(cè)，送至成品區(qū)，完成一個工作循環(huán)，機械手運動用時最快6 s（不包括機械手等待零件加工的時間），當電機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，機械手運動用時18 s。

2 結(jié)語

桁架式機械手在工業(yè)自動化生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用，它能夠解放生產(chǎn)力、提高機械加工效率、提升企業(yè)綜合競爭力、促進國民工業(yè)發(fā)展、夯實國家工業(yè)基礎。桁架式機械手在工業(yè)機器人的發(fā)展中，應更多的向智能化和精密化發(fā)展，相信在不久的將來，工業(yè)自動化一定會迎來它發(fā)展的春天。

參考文獻

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