大連連城數(shù)控機(jī)器股份有限公司 （遼寧 116036） 權(quán)占群 張樹禮

大連連城數(shù)控機(jī)器股份有限公司自動(dòng)化生產(chǎn)線主管工程師 權(quán)占群

桁架機(jī)械手作為時(shí)尚的一種輸送工具，越來(lái)越受到青睞。目前，國(guó)內(nèi)外主流的柔性自動(dòng)線物流系統(tǒng)主要有兩種形式：由桁架機(jī)械手輸送工件組成的全自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)和由機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行上下料組成自動(dòng)生產(chǎn)線。在歐美日等發(fā)達(dá)工業(yè)體系，由高速加工中心和桁架機(jī)械手組成的敏捷柔性生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)是主流產(chǎn)品，桁架機(jī)械手在高空中輸送零件，直接把被加工零件從一臺(tái)機(jī)床輸送到另一臺(tái)機(jī)床上，桁架機(jī)械手兼有工序間運(yùn)輸和自動(dòng)上下料及物料回轉(zhuǎn)等輔助功能。由于它輸送快捷、精準(zhǔn)、柔性，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)捷，便于組合。因而，被機(jī)床制造商所器重。

桁架機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1

桁架機(jī)械手由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。按機(jī)器人結(jié)構(gòu)分類為直角坐標(biāo)型，機(jī)械手沿二維直角坐標(biāo)系移動(dòng)。主體部分通常采用龍門式結(jié)構(gòu)，由y向橫梁與導(dǎo)軌、z向滑枕、十字滑座、立柱、過(guò)渡連接板和基座等部分組成，z向的直線運(yùn)動(dòng)皆為交流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)蝸輪減速器驅(qū)動(dòng)齒輪與y向橫梁、z向滑枕上固定的齒條作滾動(dòng)，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)部件沿導(dǎo)軌快速運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)部件為質(zhì)量較輕的十字滑座和z向滑枕，滑枕采用由鋁合金拉制的型材。橫梁采用方鋼型材，在橫梁上安裝有導(dǎo)軌和齒條，通過(guò)滾輪與導(dǎo)軌接觸，整個(gè)機(jī)械手都懸掛在其上，如圖1所示。由于桁架機(jī)械手輸送的速度快，加速度大，加減速時(shí)間短。當(dāng)輸送較重的工件時(shí)，慣量大，因此，伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)要有足夠的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)的能力，支撐元件也要有足夠的剛度及強(qiáng)度。只有這樣，才能使伺服電動(dòng)機(jī)滿足桁架機(jī)械手輸送的高響應(yīng)、高剛度及高精度要求。在選擇合適伺服電動(dòng)機(jī)的情況下，根據(jù)物料運(yùn)動(dòng)的距離和運(yùn)行節(jié)拍，計(jì)算出伺服系統(tǒng)的位移和軌跡，對(duì)驅(qū)動(dòng)器PID參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。桁架機(jī)械手根據(jù)接收到的位移、速度指令，經(jīng)變化、放大并調(diào)整處理后，傳遞給運(yùn)動(dòng)單元，通過(guò)光纖傳感器對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，在高速搬運(yùn)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)部件在極短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)給定的速度，并能在高速行程中瞬間準(zhǔn)停，通過(guò)高分辯率絕對(duì)式編碼器的插補(bǔ)運(yùn)算，控制機(jī)械誤差和測(cè)量誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響。由于被輸送的工件不同，質(zhì)量也不同，因此，桁架機(jī)械手有多種規(guī)格和系列。在選擇時(shí)，根據(jù)被輸送工件的質(zhì)量，加工的節(jié)拍來(lái)選取。但機(jī)械手的手臂，夾持方式，則根據(jù)被輸送工件的形狀、結(jié)構(gòu)及機(jī)床夾具定夾方式來(lái)設(shè)計(jì)（見圖2）。

圖2

機(jī)械手能夠借助可編程序來(lái)處理和執(zhí)行任務(wù)。機(jī)械手主要由手臂、回轉(zhuǎn)裝置、運(yùn)動(dòng)部件及驅(qū)動(dòng)部件組成。通過(guò)對(duì)工件外形或工件上定位支撐點(diǎn)定位夾持工件。例如，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)加工柔性自動(dòng)線物流輸送中，桁架機(jī)械手的夾持模塊會(huì)根據(jù)缸體、缸蓋、曲軸等工件的外形特點(diǎn)，選取不同的定位和夾持方式。柔性機(jī)械手上采用氣缸和電機(jī)進(jìn)行定位和夾持模塊的切換驅(qū)動(dòng)，一套機(jī)械手可完成不同品種的工件搬運(yùn)工作。夾持定位模塊可根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量和外形的大小采用系列化設(shè)計(jì)，機(jī)械手上的夾持定位模塊安裝方式相同，針對(duì)不同系列的工件，只需切換相應(yīng)的夾持定位模塊即可，滿足快速切換的需要。這樣，當(dāng)加工不同品種的工件，只須變換夾持模塊就可實(shí)現(xiàn)，提高了桁架機(jī)械手的柔性化。

桁架機(jī)械手在柔性加工自動(dòng)線上的應(yīng)用

1.自動(dòng)線桁架機(jī)械手輸送裝置的發(fā)展及現(xiàn)狀

自動(dòng)線的發(fā)展，經(jīng)歷了剛性自動(dòng)線和柔性自動(dòng)線的兩個(gè)時(shí)代。就目前而言，在國(guó)內(nèi)二者均有之。剛性加工自動(dòng)線的輸送分為棘輪棘爪、擺桿、抬起步伐、機(jī)動(dòng)滾道等形式。隨著加工中心機(jī)床的發(fā)展，由其組成的自動(dòng)線逐步替代組合機(jī)床組成的自動(dòng)線，它以適應(yīng)小批量多品種的優(yōu)點(diǎn)，得到市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，并稱其為柔性加工自動(dòng)線。這種以加工中心機(jī)床組成的柔性加工自動(dòng)線，就其輸送裝置或輸送帶依然為剛性，這類柔性自動(dòng)線可謂是準(zhǔn)柔性。當(dāng)今的柔性加工自動(dòng)線又有了飛躍，輸送形式以剛性加柔性（桁架機(jī)械手）并存，或純?nèi)嵝暂斔停摧斔拖到y(tǒng)全部由桁架機(jī)械手組成，這是真正的柔性加工自動(dòng)線，即主機(jī)柔性，輸送系統(tǒng)也柔性。如主機(jī)是高速加工中心配以桁架機(jī)械手輸送，又稱之為敏捷柔性加工自動(dòng)線，是敏捷制造系統(tǒng)的重要組成部分。自動(dòng)線采用桁架機(jī)械手輸送后，輸送步距可根據(jù)機(jī)床的配置隨意改變，自動(dòng)線上的機(jī)床與機(jī)床之間的安裝位置不再象剛性輸送那樣，按照輸送步距或步距倍數(shù)的要求進(jìn)行嚴(yán)格的安裝，且輸送速度也可根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍及輸送的距離而改變。而真正體現(xiàn)柔性輸送的重要一面是，當(dāng)被加工零件的產(chǎn)品改變后，輸送部分不會(huì)不適應(yīng)而全部更換，只要改變輸送程序和機(jī)械手局部結(jié)構(gòu)即可。采用桁架機(jī)械手輸送更先進(jìn)的一面是，機(jī)床柔性加工自動(dòng)線整體的自動(dòng)化、智能化的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。因此，桁架機(jī)械手才在當(dāng)今柔性加工自動(dòng)線上越來(lái)越多地被采用，使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程通過(guò)信息流系統(tǒng)進(jìn)行控制。在加工和運(yùn)輸過(guò)程中，所需各種信息收集、處理、反饋，并通過(guò)電子計(jì)算機(jī)或其他控制裝置(液壓、氣壓裝置等)，對(duì)機(jī)床或運(yùn)輸設(shè)備實(shí)行分級(jí)控制。信息流系統(tǒng)分為由中央管理計(jì)算機(jī)、物流控制計(jì)算機(jī)、單元控制計(jì)算機(jī)、各數(shù)控機(jī)床以及信息傳送網(wǎng)絡(luò)組成。目前，汽車制造業(yè)中加工發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋及曲軸等大批量關(guān)鍵零件的柔性加工自動(dòng)線，大都采用了桁架機(jī)械手輸送（見圖3）。

2.國(guó)內(nèi)外的差距

圖3

當(dāng)下，我國(guó)機(jī)床的發(fā)展很快，技術(shù)水平有了很大的提高，與國(guó)外的差距變得越來(lái)越小，甚至有些機(jī)床與國(guó)外相比已經(jīng)沒(méi)有什么差距。特別是國(guó)家重大科技專項(xiàng)的開展，為我國(guó)機(jī)床上檔次上水平提高了加速度，成績(jī)顯而易見。加工中心機(jī)床這幾年發(fā)展的特別快，但柔性加工自動(dòng)線的技術(shù)水平和檔次，較國(guó)外的差距還很明顯，國(guó)外采用桁架機(jī)械手輸送的柔性加工自動(dòng)線較為普遍，而國(guó)內(nèi)卻為數(shù)不多，國(guó)內(nèi)龐大的汽車生產(chǎn)市場(chǎng)所采用的帶桁架機(jī)械手輸送的柔性加工自動(dòng)線，大多從國(guó)外進(jìn)口。如無(wú)錫柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廠的缸體缸蓋柔性加工自動(dòng)線由德國(guó)GROB公司總承包，由BZ800加工中心、GROB專機(jī)、清洗機(jī)、擰緊機(jī)、試漏機(jī)、壓裝機(jī)在線檢具、輔機(jī)及珩磨機(jī)組成。輸送采用空中桁架機(jī)械手和機(jī)動(dòng)滾道自動(dòng)線輸送。僅以汽車制造業(yè)而言，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的柔性自動(dòng)線，采用桁架機(jī)械手輸送的屈指可數(shù)。大連機(jī)床集團(tuán)和沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)等生產(chǎn)出了該方面的柔性加工自動(dòng)線，并在生產(chǎn)實(shí)際中得到了應(yīng)用。圖4是大連機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的DKX017缸體加工柔性自動(dòng)線。加工兩種缸體，分別為四缸和六缸，其輸送采用空中桁架機(jī)械手和自動(dòng)線兩端為機(jī)動(dòng)滾道等形式。桁架機(jī)械手兩個(gè)，一個(gè)上料，一個(gè)下料。它的成功，標(biāo)志著我國(guó)國(guó)產(chǎn)由桁架機(jī)械手輸送的柔性加工自動(dòng)線開始向國(guó)際水準(zhǔn)邁進(jìn)。

圖4

上述提及的只是數(shù)量上的比較，其實(shí)真正的原因還是國(guó)產(chǎn)桁架機(jī)械手的技術(shù)水平與國(guó)外有著一定的差距。早些年，大連機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的柔性加工自動(dòng)線采用的桁架機(jī)械手，也是從國(guó)外進(jìn)口的桁架機(jī)械手。那時(shí)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專門生產(chǎn)桁架機(jī)械手的廠家。如今，國(guó)內(nèi)巨一等一些桁架機(jī)械手生產(chǎn)廠家的涌出，為國(guó)產(chǎn)柔性加工自動(dòng)線帶來(lái)了希望，進(jìn)而縮小了與國(guó)外在生產(chǎn)桁架機(jī)械手方面的差距，國(guó)產(chǎn)桁架機(jī)械手在柔性加工自動(dòng)線的應(yīng)用也越來(lái)越多，從而打破國(guó)產(chǎn)市場(chǎng)被外國(guó)人的壟斷。

桁架機(jī)械手作為柔性輸送系統(tǒng)，已成為柔性加工自動(dòng)線中的重要組成部分，過(guò)去未采用桁架機(jī)械手輸送的自動(dòng)線中的輸送部分稱之為輸送帶或輸送裝置。而今，用了桁架機(jī)械手則稱之為輸送系統(tǒng)或物流系統(tǒng)。過(guò)去的輸送帶由機(jī)床生產(chǎn)廠自己生產(chǎn)，而今則由外部專業(yè)生產(chǎn)廠來(lái)提供；過(guò)去的輸送帶驅(qū)動(dòng)或是用一個(gè)油缸，或是減速機(jī)通過(guò)鏈條或機(jī)動(dòng)輥?zhàn)域?qū)動(dòng)，各個(gè)動(dòng)作單獨(dú)來(lái)完成，所用時(shí)間較長(zhǎng)且位置精度較差，而今則由伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，完成多個(gè)坐標(biāo)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，所用時(shí)間短，效率高，且運(yùn)動(dòng)位置精準(zhǔn)。這些的進(jìn)步，都緣于技術(shù)水平的提高，解決了桁架機(jī)械手的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)技術(shù)。相信，隨著國(guó)產(chǎn)桁架機(jī)械手技術(shù)水平的不斷提高，桁架機(jī)械手在柔性加工自動(dòng)線上的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，采用桁架機(jī)械手的柔性加工自動(dòng)線將會(huì)成為今后的一大賣點(diǎn)，市場(chǎng)前景非?？捎^，從而帶動(dòng)國(guó)產(chǎn)柔性加工自動(dòng)線有一個(gè)質(zhì)的飛躍。