桁架機(jī)械手在加工自動(dòng)生產(chǎn)線上的應(yīng)用

摘要：近年來(lái)隨著我國(guó)機(jī)床行業(yè)的迅速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)水平有了明顯提升，與外國(guó)的差距也越來(lái)越小。自桁架機(jī)械手被引入加工中心機(jī)床后，進(jìn)一步提高了加工自動(dòng)生產(chǎn)線的工作效率，大幅提升了企業(yè)的生產(chǎn)效率。為此，本文就桁架機(jī)械手在加工自動(dòng)生產(chǎn)線上的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：桁架機(jī)械手;自動(dòng)生產(chǎn)線;應(yīng)用

0 ?引言

桁架機(jī)械手與機(jī)床是構(gòu)成自動(dòng)加工生產(chǎn)線的主要設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)全部工藝過(guò)程中的工件自動(dòng)抓取、上下料、裝卡、工件移位翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序加工等操作。不僅大幅提高了生產(chǎn)效率，而且也極大減少了人工成本，非常適合大批量、小型零部件的加工。

1 ?關(guān)于桁架機(jī)械手的發(fā)展歷史

美國(guó)是世界上第一個(gè)研發(fā)機(jī)械手的國(guó)家，后被大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。第一臺(tái)機(jī)械手是由美國(guó)聯(lián)合控制公司于1958年設(shè)計(jì)，它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，直接在機(jī)體上配備了一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，在頂部安裝了電磁塊。4年后該公司對(duì)這臺(tái)機(jī)械手進(jìn)行改進(jìn)后制作了一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手，命名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。其中，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模仿坦克炮塔，手臂能夠俯仰、伸縮、轉(zhuǎn)動(dòng)，也能液壓驅(qū)動(dòng)，而控制系統(tǒng)將磁鼓作為存儲(chǔ)設(shè)備。在這一設(shè)備的基礎(chǔ)上研發(fā)出了大量球面坐標(biāo)機(jī)械手，用途廣泛。美國(guó)機(jī)械制造公司也于1962年成功制造了一種機(jī)械手，稱為Vewrsatran，借助液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以讓機(jī)械手的中心柱完成轉(zhuǎn)動(dòng)與提升。上世紀(jì)六十年代出現(xiàn)了以上兩種機(jī)械手極大促進(jìn)了西方工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展。美國(guó)Unimate公司在1978年與斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院合作，共同研發(fā)了一種Unimate-vicarm型工業(yè)機(jī)械手。由小型電子計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手，使定位誤差低于1mm[1]。

2 ?機(jī)械手與手臂

2.1 機(jī)械手具有的特性

在自動(dòng)線加工系統(tǒng)中最常見(jiàn)的一種輸送設(shè)施就是機(jī)械手。分析機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與用途，將其歸為工業(yè)機(jī)器人的范圍。與工業(yè)機(jī)器人相比，桁架機(jī)械手給人的最初印象顯得不是那么華麗，智能化也略遜一籌。其實(shí)，機(jī)器人前面加有“工業(yè)”二字，說(shuō)明二者實(shí)際上并無(wú)明顯差異。不管是多關(guān)節(jié)的機(jī)械手，還是帶有三個(gè)坐標(biāo)的機(jī)械手實(shí)質(zhì)上都屬于機(jī)械手。就金屬加工機(jī)床領(lǐng)域，機(jī)械手與工業(yè)機(jī)器人屬于機(jī)床的常用輔助設(shè)備，主要用于搬運(yùn)與輸送。因此，對(duì)于主機(jī)性能來(lái)說(shuō)，二者的功效是無(wú)差異的，均屬于主機(jī)開(kāi)展自動(dòng)化操作的組件。

工件與刀具對(duì)機(jī)床的加工性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。機(jī)械手的作用是搬運(yùn)，不會(huì)直接參與到零件加工環(huán)節(jié)。機(jī)床主機(jī)選用哪種機(jī)械手需要考慮到多種因素，包括機(jī)床的加工形式，被加工零件的大小、形狀、重量特性以及儲(chǔ)料、搬運(yùn)空間等。就桁架機(jī)械手而言，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、搬運(yùn)迅速、可靠、精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，多用于直線形式的搬運(yùn)[2]。同時(shí)，由于具有柔性輸送的優(yōu)勢(shì)，多用于長(zhǎng)距離變步距的物料運(yùn)輸，而且組合便捷。柔性輸送是相對(duì)于剛性輸送的，后者屬于傳統(tǒng)自動(dòng)加工線上的定步距輸送模式。

2.2 桁架機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與工作原理

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、主體是構(gòu)成桁架機(jī)械手的主要組成部分。根據(jù)結(jié)構(gòu)分類主要有兩種，包括順著二維直角坐標(biāo)系移動(dòng)的機(jī)械手，直角坐標(biāo)型機(jī)械手。其中，龍門(mén)式結(jié)構(gòu)屬于其主體，主要構(gòu)成部分除了y向橫梁與導(dǎo)軌、z向滑枕外，還包括十字滑座、過(guò)渡連接板、基座、立柱等。交流伺服電機(jī)向z向直線運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)能，通過(guò)渦輪減速器實(shí)現(xiàn)對(duì)y向橫梁與齒輪的驅(qū)動(dòng)作用。同時(shí)，z向滑枕上的齒條在伺服電機(jī)的作用下開(kāi)始滾動(dòng)，相關(guān)移動(dòng)部件在導(dǎo)軌上快速運(yùn)行。對(duì)于移動(dòng)部件來(lái)說(shuō)，要求質(zhì)量要輕，一般是z向滑枕與十字滑座，滑枕材質(zhì)為鋁合金[3]。橫梁材質(zhì)為方鋼型材，在其上面配有齒條與導(dǎo)軌，利用滾輪與導(dǎo)軌接觸，而機(jī)械手就懸掛在上面（見(jiàn)圖1）。

桁架機(jī)械手在輸送工件時(shí)速度快，加速度大，加減速耗時(shí)短。遇到偏重的工件時(shí)，機(jī)械手慣量大，要求伺服驅(qū)電機(jī)應(yīng)有充足的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)功能，相關(guān)支撐部件也應(yīng)有較強(qiáng)的剛度與強(qiáng)度。因?yàn)闄C(jī)械手輸送要求的特點(diǎn)是高剛度、高響應(yīng)、高精度，因此，要求伺服電動(dòng)機(jī)達(dá)到以上要求。在選取伺服電動(dòng)機(jī)的時(shí)候一般需參照物料運(yùn)動(dòng)距離及運(yùn)行節(jié)拍算出數(shù)據(jù)，根據(jù)伺服系統(tǒng)的軌跡與位移數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上面的PID參數(shù)。當(dāng)收到位移、速度等指令后，桁架機(jī)械手通過(guò)變化、放大后進(jìn)行調(diào)整，再傳送至運(yùn)動(dòng)單元，由光纖傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)。在高速搬運(yùn)工件的時(shí)候，在極短時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件可到達(dá)給定速度，并能在高速行程的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)瞬間準(zhǔn)停。開(kāi)展插補(bǔ)運(yùn)算，可通過(guò)分辨率高的絕對(duì)式編碼器進(jìn)行，有助于提高運(yùn)動(dòng)精度，減少機(jī)械誤差與測(cè)量誤差。桁架機(jī)械手有很多種規(guī)格與系列，以滿足不同規(guī)格、種類、質(zhì)量的工件運(yùn)輸。因此，要想選出合適的桁架機(jī)械手必須注意輸送工件的質(zhì)量與加工節(jié)拍等細(xì)節(jié)。機(jī)械手的手臂與夾持方式在設(shè)計(jì)時(shí)都充分考慮到被輸送工件的結(jié)構(gòu)、形狀以及機(jī)床夾具定夾方式等內(nèi)容[4]。利用工件外形或工件上的定位支撐點(diǎn)，機(jī)械手就能完成定位夾持操作。比如，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的柔性自動(dòng)線上，所用的機(jī)械手上面配置的夾持模塊符合缸蓋、曲軸、缸體等不同工件的外形特點(diǎn)，可以牢固準(zhǔn)確地夾持運(yùn)輸工件。就柔性機(jī)械手來(lái)說(shuō)，通過(guò)氣缸與電機(jī)完成定位與夾持模塊的切換驅(qū)動(dòng)?？梢?jiàn)，數(shù)種不同工件可能只需一套機(jī)械手就會(huì)完成運(yùn)輸搬運(yùn)?？蓢@產(chǎn)品質(zhì)量及外形規(guī)格對(duì)夾持定位模塊進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)夾持定位模塊的快速切換。機(jī)械手上夾持定位模塊的安裝流程是無(wú)差異的。由此可知，在處理不同種類的工件時(shí)一般只需將夾持定位模塊加以更換即可（見(jiàn)圖2）。

2.3 手臂

在設(shè)計(jì)桁架機(jī)械手的手臂時(shí)需要研究手臂的載荷大小，能夠?qū)崿F(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)，在機(jī)構(gòu)層面也能有較好的承受力。機(jī)床桁架上的機(jī)械手通常是直線運(yùn)動(dòng)，因此，在設(shè)計(jì)手臂的過(guò)程中通常會(huì)采用氣缸驅(qū)動(dòng)手臂的方式，盡量選擇直徑大一點(diǎn)的氣缸可增強(qiáng)手臂的整體強(qiáng)度。

2.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

①氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式：主要利用電磁閥對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，借助氣流調(diào)節(jié)閥完成對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)控。這種驅(qū)動(dòng)方式成本低廉，因?yàn)楂@得氣體比較容易。②電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式：此種驅(qū)動(dòng)方式在機(jī)床桁架機(jī)械手設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)用到，由于機(jī)床會(huì)用電，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只是利用電機(jī)就可控制速度。

3 ?桁架機(jī)械手在柔性加工自動(dòng)線上的應(yīng)用

3.1 桁架機(jī)械手自動(dòng)線輸送裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

最初的自動(dòng)線采用的是剛性加工自動(dòng)線，其主要組成部分包括擺桿、升降步、棘輪棘爪、機(jī)動(dòng)滾道等。伴隨加工中心機(jī)床的不斷發(fā)展，柔性加工自動(dòng)生產(chǎn)線形成，它是由機(jī)床構(gòu)成的自動(dòng)生產(chǎn)線，并非過(guò)往的傳統(tǒng)自動(dòng)生產(chǎn)線（組合機(jī)床組成）。配置有桁架機(jī)械手的自動(dòng)管路，再結(jié)合機(jī)床配置可隨意改變輸送機(jī)的距離。傳統(tǒng)的剛性輸送模式是機(jī)床間的安裝位置以及機(jī)床運(yùn)行需根據(jù)輸送步距或步距倍數(shù)來(lái)嚴(yán)格安裝，柔性輸送模式則沒(méi)有上述要求，傳輸速度也可參照生產(chǎn)節(jié)拍與輸送機(jī)的距離進(jìn)行調(diào)整。柔性運(yùn)輸模式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)加工零件的產(chǎn)品有了變化后，只需對(duì)輸送機(jī)程序及機(jī)械手的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整即可，無(wú)需對(duì)輸送零件作任何調(diào)整[5]。桁架機(jī)械手比較先進(jìn)的一點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)加工線的自動(dòng)化與智能化。近年來(lái)這種機(jī)械手在柔性加工自動(dòng)生產(chǎn)線領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，借助信息流系統(tǒng)就能對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。在加工與運(yùn)輸工件的時(shí)候，計(jì)算機(jī)與其它控制設(shè)備根據(jù)獲得的相關(guān)信息負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器或運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行控制。信息流系統(tǒng)的組成部分包括中央管理計(jì)算機(jī)、物流控制計(jì)算機(jī)、單元控制計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床和信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。

3.2 國(guó)內(nèi)外在桁架機(jī)械手方面的差距

近年來(lái)中國(guó)機(jī)床行業(yè)發(fā)展迅速，相關(guān)技術(shù)工藝有了明顯的進(jìn)步。部分機(jī)床生產(chǎn)制造水平與西方基本無(wú)差異。但在柔性加工自動(dòng)線技術(shù)方面，我國(guó)與國(guó)外仍存在一定的差距。在國(guó)外桁架機(jī)械手多用于柔性加工自動(dòng)線上，但國(guó)內(nèi)卻較少。目前，我國(guó)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)所用的桁架機(jī)械手柔性加工自動(dòng)線一般都是從外國(guó)引進(jìn)的。究其原因主要是國(guó)產(chǎn)的桁架機(jī)械手的技術(shù)水平仍與外國(guó)存在不小的差距。最初大連機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的柔性加工自動(dòng)線所使用桁架機(jī)械手也是進(jìn)口的，那時(shí)國(guó)內(nèi)無(wú)一家生產(chǎn)桁架機(jī)械手的企業(yè)。今天國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了一些生產(chǎn)桁架機(jī)械手的企業(yè)，為國(guó)產(chǎn)柔性加工自動(dòng)線帶來(lái)了一些希望。桁架機(jī)械手屬于柔性加工自動(dòng)線中的核心構(gòu)件，需完成多個(gè)、單獨(dú)動(dòng)作，需要盡快突破一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

總之，隨著制造產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展，自動(dòng)加工生產(chǎn)線的應(yīng)用也越來(lái)越多。在此過(guò)程中桁架機(jī)械手會(huì)發(fā)揮出積極的作用。相信在不久的將來(lái)國(guó)內(nèi)桁架機(jī)械手的生產(chǎn)制造水平也會(huì)有重大突破，國(guó)內(nèi)企業(yè)攻克了相關(guān)技術(shù)難題，帶動(dòng)國(guó)產(chǎn)柔性加工自動(dòng)線邁上新的發(fā)展臺(tái)階。

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作者簡(jiǎn)介：陳智元（1991-），男，河北衡水人，本科，助理工程師，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化。