機床機械桁架機械手的設計與結構分析

吳鎧瑞

（安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001）

近年來，在中國基礎勞動力市場價格持續上漲的同時，自動化生產技術取得了穩定發展。一些中小型機械制造加工企業和數控機床的市場銷售環境，不斷增加對自動化加工制造技術和設備的需求。有的是簡單的批量加工制造，有的產品是單機加工制造的，增加了對自動化加工制造技術和設備的依賴。隨著現代科學技術的發展和進步，機械手的應用范圍不斷擴大。機械手可以處理和抓取材料和商品，是高度自動化的生產設備，機械手與數控機床相結合的自動化生產線，可以提高生產效率，獨立完成上料、生產、組裝、回收等所有生產過程，減少人力資源投入。在上述機械加工制造產品的制造加工中，引進和應用自動化技術和設備形式，可以提高制造加工技術的效率，有效降低經濟成本投入。在這個階段，為了提高機器手的應用水平，將分析機械手在自動數控機床上的應用，明確設計要求、開發選擇、開發平臺、相關結構等設計方案。最后，結合以上因素設計機械手的數據結構，展開相關討論，為后續相關工作提供參考。

1 數控機床設備機械桁架結構分析

1.1 立柱技術組件

立柱技術部件的主要作用是在數控機床設備中支撐機械桁架部件的整體結構，使機械桁架部件在任何工況下都能保持穩定良好的運行狀態。雙立柱結構通常在大多數單機自動化設備采用，作為支撐結構。對于一些小工件，或者安裝和使用環節的空間比較有限，可以采用單立柱結構支撐結構。

1.2 橫梁技術組件

橫梁技術部件通常由鋼和鋁合金材料制成，是加工工件在傳輸環節需要依賴的技術通道，在制造過程中一些小型機械零部件需要大量的鋁合金柱結構。但是，在制造過程中，一些具有大中型結構特征的機械零件主要以鋼材作為主要生產資料。從比較的角度解釋和分析，在應用過程中鋼結構技術材料，主要優勢是制造過程中相對較低的經濟成本和較好性能的剛性。鋁合金橫梁主要技術優點是質地輕、造型可塑性強、便于安裝和運輸，其范圍不斷擴大。鋁合金材料技術性能優良，適合配套大量機械設備技術零部件的加工生產，具有更美觀的外觀特點。

1.3 驅動技術組件

由帶有傳動結構的驅動技術、齒輪減速箱部件和電氣設備組成，數控機床的內部機械桁架部件。現階段，大多數數控機床中，60.00～170.00m/min 為機械桁架的運行速度，在運行引入一般的絲杠傳動裝置，難以滿足桁架結構時的速度要求。在生產設計過程中，數控機床的內部機械桁架部件大多傾向于使用小齒輪部件和帶齒條的電機設備，在特定的實現過程中這種設計思想能達到0.06mm 精度。如果在運行中數控機床的傳遞環節精度比較低，也可以考慮伺服電機裝置與同步帶總成的傳遞方式。這種傳動方式的主要優點是經濟成本較低，使用過程中維護保養比較方便，結構設計比較簡單，這種傳輸方式適用于中小型企業。使用過程中同步帶斷裂的可能性很大，這類傳動的精度一般可以達到0.09mm。

1.4 潤滑技術組件

對于數控機床內部的機械桁架部件，機械手在操作過程中必須經歷長行程，速度也比較高。用稀油潤滑時，潤滑效果比較低，對外界環境的污染程度比較高。對于某些潤滑過程，應考慮脂潤滑或480 高粘度潤滑劑，導軌需要在自動潤滑泵的幫助下定期潤滑。

1.5 控制技術組件

談到數控機床的內部機械桁架部件，重點是在運行過程中，機械手的技術部件能否順利發揮其最佳功能。為了減少各種技術故障的可能性，有效提高數控機床內部機械桁架部件的運行可靠性，通常采用航空連接器來處理設備中各種電氣部件的連接。因焊接工作不當而導致系統運行不穩定的情況，可以在應用上述技術的過程中避免。同時，采取適當的安全措施，在設備系統運行過程中，安裝和配置設備系統的受限設計元件、集成安全元件、零回延時開關元件、零開關元件。

1.6 直線運動技術組件

CNC 機床的內部機械桁架部件通常需要與V 形導軌技術系統或直線導軌技術部件相匹配。在120.00m/min 的運行速度下將直線導軌組件引入高速桁架技術結構中，則存在滑塊組件脫落的風險。為有效解決上述問題，將引入V 型導軌系統來代替在高速桁架件制造中使用多年的常規直線導軌。直線導軌與V 型導軌系統從對比分析來看，相比具有多元化的技術優勢，主要體現在以下幾個方面：①具有很強的防塵能力。V 形輪中心的軸承在某些傳動過程中，通常不與導軌的表面位置直接接觸。在傳動過程中，V 型輪有效去除V 型導軌刮削過程中的灰塵和物質。②在操作和使用過程中可以表現出更高水平的線速度?！癡 型琨+V 型導軌”的驅動技術引進在V 型導軌系統中，在V 型導軌上V 型琨可以進行滾動運動，作業過程的速度可達600.00m/min，是一個非常高速的傳動目標。③為有效減少裝配環節的運作難度，四組V 型輪對應四個滑塊通常需要安裝在V 型導軌系統。滾珠組件與直線導軌組件的相互接觸關系對應于V 型輪與V 型導軌的相互接觸關系，關系結構大大降低了對安裝數據的基本要求。④技術維護成本低。如果設備運行過程中V 型輪損壞，無須拆卸導軌即可更換V 型輪，在設備系統運行過程中，可顯著減少技術人員的操作時間，隨時結合實際要求調查預緊系數，以保證數控機床中機床桁架部件在運行過程中的穩定性和有序性。

2 機床機械桁架機械手總體設計

在設計機械機床桁架手時，可分為兩部分：機械手和機械抓手。在設計桁架時，可以降低設計復雜性并簡化其結構。因為，力學中結構梁的受力結構于桁架的受力結構類似，所以，可以將機械手簡化為結構梁。支梁的彎矩圖從力學角度看，可以作為桁架與簡支梁水平比較的依據，從中可以分析出機械手的力學分析圖，機床制造過程中必須注意對機械臂穩定性的高要求。因此，在選擇立柱時，應選用高度高、空間小的立柱、重量輕和穩定性為主力。

2.1 機械手臂的總體設計

機械手根據工作原理和具體結構可歸類為機器人，是現階段自動化生產線中廣泛使用的一種傳送裝置。從表面來看，桁架機械手的智能化程度有一定的限制，外觀遠沒有工業機器人那么華麗。但是當智能設備應用于工業時，機械手所體現的價值就會增加。現階段，在自動化行業中桁架機械手起到一定的輔助作用，主要作用是工件和產品的搬運和運輸，也是實現自動化生產線建設的關鍵組成部分。操作金屬加工機床時，是工件與刀具關系的調整，最重要的標志是材料的加工，這種關系在一定程度上影響了機床的整體性能，而桁架機械手只參與工件和成品的加工，在工作時并不直接參與工件的加工。這個過程需要科學計算夾爪抓地力和行走速度，并在設計時進行分析，以防止在運輸過程中損壞工件。此外，自動機床桁架機械手需要更大的自由度來滿足加工要求，操作空間受多種因素影響，因此，框架分析機械手設計過程應盡可能避免復雜的運動。與傳統加工方式的擺桿輸送機、步進輸送機、板條輸送機相比，可以選擇可靠、準確的桁架機械手，精度更高、運行速度更快、適合長期工件運輸。

自動化機床為了增強可操作性和水平，軟件Autodesk Inventor 設計，可以使用三維設計控制程序。在此內容上，可以利用VB.NET 語言擴展和重新開發Visual Studio 工具得控制程序，使桁架操縱器能夠實現控制程序，這有兩個主要原因。首先，實際二次開發需求可以滿足Autodesk Inven-tor 這類系統，也有很好的二次開發接口。其次，Autodesk Inventor 可以完成復雜模型的構建，是一款高價值的3D 建模軟件，幫助設計師從整體的角度設計和開發桁架機械手。

2.2 桁架結構

桁架結構的可靠性和運行速度較高、滿足加工要求，在運行時機床的桁架機械手，很大程度上依賴于桁架結構為其提供動力。橫梁部件、立柱部件、驅動部件、直線運動部件等是現階段桁架機械手的桁架結構，由于立柱組件主要負責支撐整個結構，因此桁架機械手始終保持穩定的操作環境，并避免操作過程中的噪聲和振動。一般工作環境狹窄的地方采用單立柱方式，自動化生產加工線主要采用雙立柱支撐形式，柱子的數量通常是多級連接的兩倍。鋁合金材料作為立柱的原材料，對于一些對立柱承載力要求較高的結構，由于運輸通道的承載能力要求較高，鋼結構可作為大型生產線的主要材料，鋼結構材料的優點是成本低、韌性高。驅動部件通常采用齒輪減速器和伺服電機的組合，60～170r/min 在此階段是桁架運行速度，無法支持常規工作模式下的絲杠速度。齒輪減速機和伺服電機相結合的驅動系統，具有維護相對容易，兼容性強、精度高的優點，存在同步帶斷裂等安全問題。但鋁合金材料的主要特點是外形美觀、便于攜帶和安裝、重量輕、不易生銹，適用于大型生產線。但由于其價格較高，其應用范圍相對較窄。齒輪減速機與伺服電機相結合的驅動系統，維護相對容易，具有兼容性強、精度高等優點，但存在同步帶損壞等安全問題。

2.3 驅動系統

機床桁架機械手主要有兩種驅動方式：移動式和旋轉式。以上兩種操作方式的區別主要是手指的不同，根據機械手的抓握方式可分為內部和外部。①氣動驅動系統，其中電磁閥控制機械手爪，氣流調節閥調節機械手爪的移動速度，這種驅動系統是主要原因成本會更低。②電驅動方式，現階段以電驅動方式最為頻繁，因為機床在使用過程中也需要電力支撐，而且這種驅動方式也需要使用電機為驅動系統提供動力，是使用的機械手驅動方式實現對機械手的完全速度控制。③液壓驅動方式，該模式主要用于通過液壓系統控制機械手，最大的優點是操作位置的連續控制和傳動過程中表現出的高剛性。液壓驅動系統一般采用液壓馬達作為輸出源，表1 為內部驅動元件的使用位置和特點。

表1 液壓驅動系統內部元件特點及使用位置

2.4 機械手抓手設計

物料和成品的輸送主要是桁架機械手在自動化生產線中的作用，在生產機床和上下料導軌之間移動生產原材料，將生產出來的零件從生產線上移動。應根據實際生產需要合理選擇機械手夾爪的種類，主要包括抓取、提升和平移。不同類型的機械手夾持器適用于不同的生產需求。目前，正在推出一些流行的抓手模型。

①連桿杠桿式抓手。該類抓手通過杠桿和連桿的傳動可以抓取和釋放抓手，是基于機械連桿結構設計的，但是，這種機械手抓手有一個致命的缺點，抓手容易損壞制造材料和最終產品，這意味著具有相對較高的抓地力，使這種類型的抓手具有相對較高的應用水平。②機械自鎖抓手：這種機械抓手非常適合抓取運動，結構比較簡單，此類抓手具有自鎖式抓手，可防止抓手在夾持零件時脫落。由于其極高的精度和安全性，深受廣大用戶的青睞，也是設計人員首選的系統設計形式。③齒條齒輪抓手。該抓手通過齒輪之間的傳動裝置控制，這種結構的機械手的高傳輸性能和控制命令的高響應速度可以滿足高要求，加快生產。此外，在操作和使用數控機床時，需要根據實際的基本工作環境，在設計和成型過程中確認機械手爪的外形小巧輕便，滿足數控機床的基本功能要求。同時，具有相對緊湊的結構特點和充足的技術多樣性，機械手爪設計工作的具體開展應圍繞3 個基本點：①在數控機床的實際操作和使用過程中，支持檢查機械手爪部是否出現各類技術故障，相關人員可以更方便地完成維護工作。②必須遵守相關的技術管理和指導流程。③要綜合考慮設計工作過程中必須付出的經濟成本。在根據以上3 個設計環節的技術控制點推進機械手抓手設計的具體過程中，可以具體考慮杠桿式機械手抓手的設計工作，活塞施加的推力，用于支撐實際涉及的各種技術結構，聯動過程完成，最后支撐特定安裝的機械手的爪子，保證穩定、放松和夾緊動作。

2.5 機械手臂

在桁架上設計機械手的手臂時，從結構上看，需要考慮在操作過程中機械手的承載能力，必須滿足機械臂的容量要求。機械手從運動上看，必須滿足快速運動。由于安裝在機床桁架上的機械手通常只進行直線運動，通過液壓方式直接驅動機械手是現階段主要的驅動方式，使用直徑最大的液壓油缸，在選擇液壓油缸時，需要盡可能提高機械臂的整體強度，液壓缸尺寸的選擇和驗證，活塞桿校驗公式可參考式（1）。

式中：{σ}——活塞桿材料的許用應力；F——活塞桿上的力值作用。

液壓缸壁厚度確認公式見式（2）。

式中：D——液壓缸內徑；Py——氣缸的試驗壓力。

桁架機械手的操作主要是水平的，械手上下運動當到達指定位置時，抓手夾住料件，完成反向運動，抬起料件。當零件到達生產線時，抓手移動，零件松動。多個位置的PLC 控制限位器在這個過程中，限制了機械手的操作范圍。當機械手拿起一個組件時，另一個組件被添加到保持區域，組件的運輸機械手完成。然后返回零件夾持區，機械手下降，夾持零件并放置在生產線上，然后返回零件夾持區。PLC 控制限幅器當機械手返回到工件夾持區時，停止脈沖輸出。當機械手完成其運動時，桁架機械手會執行上述操作，實現產線開發自動化。

2.6 機械手的原理以及結構形勢分析

由控制系統、主體和驅動系統三部分組成桁架機械手，在平面上的直角坐標系中可以通過將桁架機械臂分布來控制其運動。在這個過程中，設計以龍門結構為主，y 軸梁、z 軸垂直梁、底座、立柱和過渡板為整體結構。在z 軸上桁架機械手的水平運動由伺服電機控制，通常采用鋁合金導軌來減少滑道的摩擦，為了減輕自身質量。

3 結語

綜上所述，隨著勞動力成本不斷增加，社會經濟的發展和進步。今天，精密車床加工技術和現代機械制造設計正在廣泛地實用化，為了確保技術水平，提高工作效率每個項目在產品開發的每一個環節都不是獨立的，包括產品銷售、加工制造、產品應用，所以任何一個特定環節的技術問題都會影響到整個過程。機床自動化的發展也提出了新的要求，桁架機械手是生產機床配套設施自動化程度的基礎，取代了傳統生產模式中的手工作業，但是在機床上桁架機械手的應用還存在一定的限制，這主要體現在控制系統和驅動系統的結構還沒有形成完整的系統標準。近年來，隨著科學技術不斷進步和世界經濟的快速發展，用戶對產品質量的要求越來越高，這可以加速精密數控車床加工技術和最新的機械設計制造技術的快速發展。因此，設計師可以增加PLC 控制方法的適用性。對結合多方力量設計的桁架機械手進行了徹底的測試，設計時要考慮諸多影響因素，從根本上提高了實用性能，避免了主觀盲目設計的增加。在經濟全球化進程中，我國工業技術的進步，促進了我國工業發展的快速發展和產品的改進。只有這樣，才能進一步提高桁架機械手的工作能力和質量，促進自動化生產線的健康穩定發展。