机床机械桁架机械手的设计与结构探索

机床机械桁架机械手的设计与结构探索

郭春梅 杨谊

一拖（洛阳）汇德工装有限公司 河南洛阳 471000

摘要：机械手作为近些年机械工业中普遍应用的设备，无论是大、小机床生产线都能够在加工中有效应用，同时在自动化生产线中起到了至关重要的作用。基于此，本文针对机床桁架机械手的设计与结构进行深入性的分析与探究。

关键词：机床机械；桁架机械手；设计；结构

机械手在其行业领域中的应用得到了显著的提高，机械手臂是一种高度自动化的生产设备，能够实现材料以及货物的搬运和抓取。在生产设备中属于自动化设备，充分结合机械手与数控机床的自动化生产线能够对上料、生产等多项工作进行独立完成，缩减人力资源的投入。

1.数控机床设备机械桁架结构分析

1.1立柱技术组件

立柱技术部件的主要作用是在数控机床设备中支撑机械桁架部件的整体结构无论在任何情况下，机械桁架部件都具备良好、稳定的运行^[1]。在大部分应用单机自动化设备时，双立柱结构作为重点支撑结构。针对小工件，由于安装、应用的空间存在限制，可通过单立柱结构支撑整体结构。

1.2横梁技术组件

通常情况下，铝合金材料、钢可制成横梁技术部件，在具体制造时，机械零件具备大众型结构特点的生产资料主要是以钢材为主。而钢结构技术材料在实际应用过程中所呈现的优势体现在经济成本较低，性能与刚能较强。而质地轻、具有可塑性、利于运输、安装等则是铝合金横梁的技术优势。

1.3驱动技术组件

驱动技术组建是通过带有传动结构的驱动技术、齿轮减速箱部件和电气设备组合而成，数控机床的内部机械桁架部件。现阶段,大多数数控机床中,60.00~170.00m/min为机械桁架的运行速度，在运行引入一般的丝杠传动装置,难以满足桁架结构时的速度要求。在生产设计过程中，数控机床的内部机械桁架部件大多倾向于使用小齿轮部件和带齿条的电机设备，在特定的实现过程中这种设计思想能达到0.06mm精度。如果在运行中数控机床的传递环节精度比较低,也可以考虑伺服电机装置与同步带总成的传递方式。这种传动方式的主要优点是经济成本较低，使用过程中维护保养比较方便,结构设计比较简单,这种传输方式适用于中小型企业。使用过程中同步带断裂的可能性很大，这类传动的精度一.般可以达到0.09mm。

1.4润滑技术组件

数控机床内部的机械桁架部件，在具体操作时，机械手需要通过较长的行程，速度较快。在通过稀油进行润滑的过程中，效果不够显著，也会对外界造成严重的污染^[2]。基于此，在实际润滑时，可对润滑剂进行充分的考虑，可采用480高粘度的润滑剂进行，可定期对其进行润滑，通过自动润滑泵对导轨进行相关工作。

1.5控制技术组件

数控机床的内部机械桁架部件，重点是在运行过程中,机械手的技术部件能否顺利发挥其最佳功能。为了减少各种技术故障的可能性，有效提高数控机床内部机械桁架部件的运行可靠性，通常采用航空连接器来处理设备中各种电气部件的连接。因焊接工作不当而导致系统运行不稳定的情况,可以在应用上述技术的过程中避免。同时,采取适当的安全措施,在设备系统运行过程中,安装和配置设备系统的受限设计元件、集成安全元件、零回延时开关元件、零开关元件。

2数控机床设备机械桁架总体设计

2.1桁架结构

桁架结构能够充分满足加工的相关需求，具备较高的运行速度以及可靠性。机床的桁架机械手在实际运行过程中，对桁架结构十分依赖，并为桁架结构提供相应的动力^[3]。

现阶段的桁架机械手的相关结构中主要包括驱动部件、横梁部件，其整体结构主要是利用立柱组件来负责支撑，基于此，桁架机械手的操作环境需要具备一定的稳定性，避免存在振动、噪声等。通常单立柱方式主要应用于狭窄的工作环境中，针对自动化生产加工线所应用的主要形式为双立柱支撑，通常柱子的数量需要超出多级连接，并是其的两倍。立柱的原材料作为铝合金材料，针对承载力要求较高的立柱结构，因为运输通道需要具备较高的承载力，因此大型生产线的主要材料可以钢结构替代，钢结构具有较多的优势特点，主要体现在成本低、韧性高等。通常，驱动部件主要应用伺服电机结合齿轮减速器，桁架运行速度每分钟在60~170r，无法满足丝杠的速度要求。驱动系统由伺服电机和齿轮减速机相结合，其优点在于兼容性强、利于维护，缺点主要是存在安全问题，包括同步带断裂等情况。

2.2驱动系统

机床桁架机械手的两种驱动方式，分别为移动式、旋转式。这两种驱动方式的主要操作区别在于手指不同，按照机械手的实际抓握方式进行区分，分别形成内、外两部。（1）启动驱动系统，机械手抓主要是通过电磁阀进行控制，气流调节阀能够对机械手抓的移动速度进行有效的调节，但是此种驱动系统的优势在于成本较低^[4]。（2）电驱动方式，当广泛应用电驱动方式，由于在具体应用过程中，机床需要通过电力进行支撑，此种驱动方式的动力来源主要由驱动系统提供，通过机械手驱动方式有效控制机械手的完全速度。（3）液压驱动方式，此种模式对机械手的控制主要是利用液压系统进行，其优点体现在能够将高刚性充分表现在操作位置中的连续控制以及传动过程中。通常情况下，液压驱动系统的主要是输出源是液压马达。表1为内部驱动元件的使用位置和特点。

表1 液压驱动系统内部元件特点及使用位置

2.3机械手臂

在对机械手的手臂进行设计的过程中，需要根据相关结构对机械手的承载能力进行充分的考虑，必须满足机械臂的容量要求。以运动的方向进行分析，需要达到快速运动^[5]。机械手安装于机床桁架上，因此只能够进行直线运动，当前机械手的驱动方式主要是通过液压对其进行直接驱动，确保液压油缸的最大直径，在对液压油缸进行选择的过程中，需要对机械臂的整体强度进行提升，在选择、验证液压缸尺寸的过程中，活塞杆校验公式可通过以下作为参考：

（1）

上述公式中 —活塞杆材料的许用应力；F—活塞杆上的作用力。

液压缸壁厚度确认公式为：

（2）

上述公式中：D—液压缸内径；Py—液压缸的试验压力。在实际操作桁架机械手的过程中主要是水平的，机械手通过上下方向的运动后一旦达到指定位置时，抓手可及时将料件夹起，并向反方向运动将料件抬起。当零件满足一定生产线后，抓手与零件分别保持移动与松动的状态。在此过程中，多个位置的PLC控制限位器会对机械手的操作范围进行局限。一旦机械手拿起任意一个组件，另一个逐渐会将其添加到保持区域中，组件的运输机械手完成后，回到零件夹持区域，随之下降，将零件于生产线上放置，再次返回。PLC会对限幅器进行良好的控制，脉冲输出会在机械手返回到工件夹持区域后及时停止。当机械手将相关运动完成后，桁架机械手会及时对以上操作进行执行，从而达到产业开发自动化。

2.4机械手抓手设计

桁架机械手在自动化生产线上的作用主要是材料以及成品的运输,它能够使生产原料在生产机床与上料以及下料的轨道之间进行移动,并将生产后的零件从生产线上去除。主要的工作包括升降、抓取以及平行移动。机械手抓手的设计种类繁多,需根据实际生产需求合理的选择，常规的机械手抓手结构图如图1。

图1常规机械手抓手结构

不同种类的机械手抓手适用于不同的生产需求,现将常见的几种抓手的形式进行充分的介绍。机械自锁抓手:这种机械手抓手结构较为简单,其在抓取动作的实现上进行了完善的设计,为了能够防止抓手在夹持零件的时候出现脱落情况,该类型的抓手增加了自锁装置^[6]。以其极高的精准性以及安全性,深受广大使用者的青睐,也是设计者最喜欢的系统设计形式。连杆杠杆式抓手:此类抓手在机械连杆结构的基础上进行设计，通过杠杆与连杆的传递实现抓手的抓取以及松放。但这种类型的机械手抓手有一个致命的缺点,就是抓手的夹持力度较大,极易导致生产材料以及最终产品出现损坏，因此此类抓手的应用程度较低。齿轮齿条式抓手:此种抓手通过齿轮之间的传动实现对抓手的控制,这种结构下的抓手专递性能较高,控制指令的响应速度也较快,能够满足高速生产的需求。

2.5机械手的结构形式

由控制系统、主体和驱动系统三部分组成桁架机械手，在平面直角坐标系中可以通过将桁架机械臂分布来控制其运动^[7]。在这个过程中,设计以龙门结构为主，y轴梁、z轴垂直梁、底座、立柱和过渡板为整体结构。在z轴上桁架机械手的水平运动由伺服电机控制，通常采用铝合金导轨来减轻自身质量，减少滑道的摩擦。

结束语：

综上所述，在相关领域中普遍对精密机床加工技术、现代机械制造设计进行应用。为了能够提升整体工作效率与技术水平，设计人员可通过PLC控制方法进行，以此强化桁架机械手的实际工作效果，确保生产线的自动化稳定发展。

参考文献：

[1]宋庆龙.SOLIDWORKSPDM系统在非标自动化设备行业的应用研究[J].大科技,2021(15):242-243.

[2]程俊,刘滨.基于数控系统的桁架机械手并行控制器开发[J].机床与液压,2021,49(10):108-112.

[3]李龙平.桁架机械手在机加工生产线上的应用浅析[J].科学与信息化,2020(20):122.

[4]赵荣中,曹斌,董伯麟.基于WinCE桁架机器人控制系统与机床之间的通讯[J].制造技术与机床,2020(6):22-24.

[5]张宁,杜金隆,凌静秀,等.齿侧间隙对桁架机械手定位精度的影响[J].福建工程学院学报,2020,18(1):18-22.

[6]费拓,张望.浅谈提高数控机床机械加工效率的方法[J].科学与信息化,2021(11):123.

[7]薛德镇.提高数控机床机械加工效率的措施研究[J].中外交流,2021,28(1):1234.