桁架机械手结构和设计分析.pdfVIP

桁架机械手结构和设计分析

根据组成结构的不同，可以将机械手分为关节机械手、桁架机械

手等不同的类型。在机床领域应用桁架机械手，可代替人工开展上、

下料工作。作为自动化设备的桁架机械手，具有高效、稳定、高精度、

高强度、操作简单、性价比高的优势，在工业自动化发展过程中发挥

着重要的作用。

1桁架机械手的结构组成

目前我国机械加工领域，很多均是采取人工或者是专用机械来开

展机床上下料，但随着科技的进步，机械加工产品的更新换代速度不

断加快，人工或者是专用机械在很多方面存在着不足，如生产效率较

低、柔性不够、占地面积大、人工劳动强度大等，无法实现大批量生

产，基于此，迫切需要对桁架机械手进行应用。机床制造过程中有效

运用桁架机械手，是实现自动化生产的主要策略，同时与集成加工技

术有机结合起来，便可以开展上下料、工程转序、工件翻转等生产线

上的相关工作。桁架机械手的结构组成部分主要包括3个，即主体、

控制系统以及驱动系统。

首先，主体。桁架机械手的主体部分，多为龙门式结构，主要由

基座、十字滑座、过渡连接板、z向滑枕、y向横梁、立柱以及导轨

等组成。交流伺服电动机借助蜗轮减速器来驱动齿轮与z向滑枕、y

向横梁上固定的齿条进行滑动，从而实现在z向上的直线运动，并驱

动z向滑枕、十字滑座等质量较轻的移动部件沿着导轨进行快速运动。

滑枕多为铝合金拉制型材，横梁多为方钢型材，将齿条、导轨安装在

横梁上，通过导轨与滚轮的接触，使得桁架机械手悬挂在横梁上。

其次，控制系统。对于桁架机械手来说，其控制核心主要通过各

种工业控制器来得以实现，如单片机、运动控制或者是PLC等。借助

控制器，对按钮、各种传感器等提供的输入信号进行分析处理，经过

相应逻辑判断之后，对指示灯、电动驱动器或继电器等各种输出元件

下达执行命令，使桁架机械手完成X轴、Y轴、Z轴的联合运动，从

而实现一整套作业流程的全自动化。控制系统的有效运算，是实现桁

架机械手高效运行的重要前提。

最后，驱动系统。桁架机械手的各部分，均设有执行机构，可以

是手指，也可以是手臂，主要负责确定物料的抓取角度、装夹物料。

同时，也要具备驱动机构，来带动分结构的运动，目前桁架机械手的

常见驱动方式主要包括电动式驱动、气动式驱动、液压式驱动等多种

方式。

2桁架机械手的结构设计

桁架机械手结构设计中，可以将其分为桁架、机械手两个部分来

进行分析。

首先，在对桁架进行设计的时候，可以将其简化成梁，原因在于

桁架的机构与力学中的结构梁相类似，从力学角度考虑，可对简支梁、

桁架进行横向对比，以简支梁弯矩图为根据，来对桁架进行分析，在

此基础上，充分考虑机械手为桁架所造成的作用力，便可得到桁架的

力學分析图，如图1所示。需要注意的是，机床领域中，对桁架机械

手的要求相对较高，即可靠性强、效率高等。为确保桁架机械手的稳

定性、可靠性，对桁架立柱进行选择的时候，应确保其能够稳定支撑

桁架，并要确保其占用空间较小，因此，桁架机械手的立柱结构，多

选择质量轻、稳定性好的钢结构。

其次，在对机械手进行设计的时候，可以将其分为机械手、手臂

两个部分进行设计。（1）机械手。对于桁架机械手来说，其主要作用

便是运输，即使工件在上下料轨道、机床之间进行移动，从上下料轨

道上拿起要加工的零件放到机床上，并从机床上拿出加工后的零件。

由此可以看出，机械手的主要动作便是升降、爪张开、抓取以及左右

移动。手爪设计中，可采取多种方案及形式，根据实际需求，可采取

不同的方案。第一种是机械自锁手爪，其结构相对简单，但对抓取进

行了一些复杂的设计，其通过设置自锁装置，来避免夹持零件时发生

脱落的状况;第二种是齿轮齿条式手爪，其具有良好的传递性，且动作

反应速度非常快，其主要利用齿轮间的传动来对手爪进行控制，在速

度方面实现了突破;第三种是连杆杠杆式手爪，其主要采取机械连杆

机构，借助杠杆、连杆之间的传递，来控制手爪松开、夹持，但其夹

持力比较大，因此容易造成零件损坏。（2）手臂。桁架上机械手结构

设计过程中，在对手臂进行设计的时候，应对机械手臂载荷因素进行

充分考虑，并要实现手臂的快速运动，也要确保其承受力。桁架机械

手主要进行直线运动，因此，在手臂设计时，多采取液压直接驱动的

方式，在对液压缸进行选择的时候，应