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摘 要：桁架机械手与机床组成的自动加工生产线，可以实现所有工艺过程的工件自动抓取、上料、 下料、装卡、工件移位翻转、工件转序加工等，能够极大的节约人工成本，提高生产效率。特别适用于大批量、小型零部件的加工。
关键词：桁架机械手；柔性生产线
1. 桁架机械手的结构与工作原理
桁架机械手由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。直角坐标型机械手其主体部分通常采用龙门式结构，由y向横梁与导轨、z向滑枕、十字滑座、立柱、过渡连接板和基座等部分组成，z向的直线运动皆为交流伺服电动机通过蜗轮减速器驱动齿轮与y向横梁、z向滑枕上固定的齿条作滚动，驱动移动部件沿导轨快速运动。移动部件为质量较轻的十字滑座和z向滑枕，滑枕采用由铝合金拉制的型材。横梁采用方钢型材，在横梁上安装有导轨和齿条，通过滚轮与导轨接触，整个机械手都悬挂在其上，如图1所示。
图1.1 直角坐标型机械手
由于桁架机械手输送的速度快，加速度大，加减速时间短。当输送较重的工件时，惯量大，因此，伺服驱动电机要有足够的驱动和制动的能力，支撑元件也要有足够的刚度及强度。只有这样，才能使伺服电动机满足桁架机械手输送的高响应、高刚度及高精度要求。
在选择合适伺服电动机的情况下，根据物料运动的距离和运行节拍，计算出伺服系统的位移和轨迹并对驱动器PID参数进行动态调整。桁架机械手根据接收到的位移、速度指令，经变化、放大并调整处理后，传递给运动单元，通过光纤传感器对运行状态进行实时检测，在高速搬运过程中，运动部件在极短的时间内到达给定的速度，并能在高速行程中瞬间准停，通过高分辩率绝对式编码器的插补运算，控制机械误差和测量误差对运动精度的影响。
在选择桁架机械手要根据被输送工件的质量，加工的节拍来选取。机械手的手臂，夹持方式，则根据被输送工件的形状、结构及机床夹具定夹方式来设计（见图1.2）。
图1.2 典型定夹方式
机械手能够借助可编程序来处理和执行任务。机械手主要由手臂、回转装置、运动部件及驱动部件组成。通过对工件外形或工件上定位支撑点定位夹持工件。夹持定位模块可根据产品质量和外形的大小采用系列化设计，机械手上的夹持定位模块安装方式相同，针对不同系列的工件，只需切换相应的夹持定位模块即可，满足快速切换的需要并且提高了桁架机械手的柔性化。
2. 桁架机械手在柔性加工自动线上的应用
2.1自动线桁架机械手输送装置的发展及现状
自动线的发展，经历了刚性自动线和柔性自动线的两个时代。刚性加工自动线的输送分为棘轮棘爪、摆杆、抬起步伐、机动滚道等形式。随着加工中心机床的发展，由其组成的自动线逐步替代组合机床组成的自动线，称为柔性加工自动线。自动线采用桁架机械手输送后，输送步距可根据机床的配置随意改变，自动线上的机床与机床之间的安装位置不再象刚性输送那样，按照输送步距或步距倍数的要求进行严格的安装，且输送速度也可根据生产节拍及输送的距离而改变。而真正体现柔性输送的重要一面是，当被加工零件的产品改变后，输送部分不会不适应而全部更换，只要改变输送程序和机械手局部结构即可。采用桁架机械手输送更先进的一面是，机床柔性加工自动线整体的自动化、智能化的协调统一。因此桁架机械手才在当今柔性加工自动线上越来越多地被采用，使整个生产过程通过信息流系统进行控制。在加工和运输过程中，所需各种信息收集、处理、反馈，并通过电子计算机或其他控制装置（液压、气压装置等），对机床或运输设备实行分级控制。信息流系统分为由中央管理计算机、物流控制计算机、单元控制计算机、各数控机床以及信息传送网络组成。
图2.1 机床加工柔性生产线
2.2 国内外差距
目前我国机床的发展很快，技术水平有了很大的提高，在有些机床与国外相比已经没有什么差距。但柔性加工自动线的技术水平和档次，较国外的差距还很明显，国外采用桁架机械手输送的柔性加工自动线较为普遍，而国内却为数不多且多数采用国外公司设计的生产线。沈阳机床集团生产出了该方面的柔性加工自动线，并在生产实际中得到了应用。见图2.2。
该产品主要由桁架机械手、机床、料仓、工序翻转站等设备组成，通过系统集成，可以实现单台机床、加工单元、流水线和柔性加工单元的机加工自动化。具有定位准确、工作节拍可调、工作空间大、性能优良、运行平稳可靠、维修方便等特点，打破国产市场被外国人的垄断。
桁架机械手作为柔性输送系统，已成为柔性加工自动线中的重要组成部分，过去未采用桁架机械手输送的自动线中的输送部分称之为输送带或输送装置。而当前将采用桁架机械手则称之为输送系统或物流系统。过去的输送带驱动或是用油缸或减速机通过链条或机动辊子驱动，用时间较长且位置精度较差，而现在普遍的做法是由伺服系统驱动，完成多个坐标的复合运动，以达到用时间短，效率高，且运动位置精准的目的。
图2.2 沈阳机床集团生产的TURNKEY32jcyc自动化生产线
结论
随着技术水平的提高，解决了桁架机械手的关键技术及难点技术。相信，随着国产桁架机械手技术水平的不断提高，桁架机械手在柔性加工自动线上的应用会越来越多，采用桁架机械手的柔性加工自动线将会成为今后的一大卖点，市场前景非常可观，从而带动国产柔性加工自动线有一个质的飞跃。■
参考文献
[1] 王龙. 基于注塑机的三伺服机械手的研究与开发[P]. 江门：五邑大学，2009.
[2] 陆俊百，周凯. 工装机器人无线控制系统的研究[J]. 制造技术与机床，2009，（3）：14—17.
关键词：桁架机械手；柔性生产线
1. 桁架机械手的结构与工作原理
桁架机械手由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。直角坐标型机械手其主体部分通常采用龙门式结构，由y向横梁与导轨、z向滑枕、十字滑座、立柱、过渡连接板和基座等部分组成，z向的直线运动皆为交流伺服电动机通过蜗轮减速器驱动齿轮与y向横梁、z向滑枕上固定的齿条作滚动，驱动移动部件沿导轨快速运动。移动部件为质量较轻的十字滑座和z向滑枕，滑枕采用由铝合金拉制的型材。横梁采用方钢型材，在横梁上安装有导轨和齿条，通过滚轮与导轨接触，整个机械手都悬挂在其上，如图1所示。
图1.1 直角坐标型机械手
由于桁架机械手输送的速度快，加速度大，加减速时间短。当输送较重的工件时，惯量大，因此，伺服驱动电机要有足够的驱动和制动的能力，支撑元件也要有足够的刚度及强度。只有这样，才能使伺服电动机满足桁架机械手输送的高响应、高刚度及高精度要求。
在选择合适伺服电动机的情况下，根据物料运动的距离和运行节拍，计算出伺服系统的位移和轨迹并对驱动器PID参数进行动态调整。桁架机械手根据接收到的位移、速度指令，经变化、放大并调整处理后，传递给运动单元，通过光纤传感器对运行状态进行实时检测，在高速搬运过程中，运动部件在极短的时间内到达给定的速度，并能在高速行程中瞬间准停，通过高分辩率绝对式编码器的插补运算，控制机械误差和测量误差对运动精度的影响。
在选择桁架机械手要根据被输送工件的质量，加工的节拍来选取。机械手的手臂，夹持方式，则根据被输送工件的形状、结构及机床夹具定夹方式来设计（见图1.2）。
图1.2 典型定夹方式
机械手能够借助可编程序来处理和执行任务。机械手主要由手臂、回转装置、运动部件及驱动部件组成。通过对工件外形或工件上定位支撑点定位夹持工件。夹持定位模块可根据产品质量和外形的大小采用系列化设计，机械手上的夹持定位模块安装方式相同，针对不同系列的工件，只需切换相应的夹持定位模块即可，满足快速切换的需要并且提高了桁架机械手的柔性化。
2. 桁架机械手在柔性加工自动线上的应用
2.1自动线桁架机械手输送装置的发展及现状
自动线的发展，经历了刚性自动线和柔性自动线的两个时代。刚性加工自动线的输送分为棘轮棘爪、摆杆、抬起步伐、机动滚道等形式。随着加工中心机床的发展，由其组成的自动线逐步替代组合机床组成的自动线，称为柔性加工自动线。自动线采用桁架机械手输送后，输送步距可根据机床的配置随意改变，自动线上的机床与机床之间的安装位置不再象刚性输送那样，按照输送步距或步距倍数的要求进行严格的安装，且输送速度也可根据生产节拍及输送的距离而改变。而真正体现柔性输送的重要一面是，当被加工零件的产品改变后，输送部分不会不适应而全部更换，只要改变输送程序和机械手局部结构即可。采用桁架机械手输送更先进的一面是，机床柔性加工自动线整体的自动化、智能化的协调统一。因此桁架机械手才在当今柔性加工自动线上越来越多地被采用，使整个生产过程通过信息流系统进行控制。在加工和运输过程中，所需各种信息收集、处理、反馈，并通过电子计算机或其他控制装置（液压、气压装置等），对机床或运输设备实行分级控制。信息流系统分为由中央管理计算机、物流控制计算机、单元控制计算机、各数控机床以及信息传送网络组成。
图2.1 机床加工柔性生产线
2.2 国内外差距
目前我国机床的发展很快，技术水平有了很大的提高，在有些机床与国外相比已经没有什么差距。但柔性加工自动线的技术水平和档次，较国外的差距还很明显，国外采用桁架机械手输送的柔性加工自动线较为普遍，而国内却为数不多且多数采用国外公司设计的生产线。沈阳机床集团生产出了该方面的柔性加工自动线，并在生产实际中得到了应用。见图2.2。
该产品主要由桁架机械手、机床、料仓、工序翻转站等设备组成，通过系统集成，可以实现单台机床、加工单元、流水线和柔性加工单元的机加工自动化。具有定位准确、工作节拍可调、工作空间大、性能优良、运行平稳可靠、维修方便等特点，打破国产市场被外国人的垄断。
桁架机械手作为柔性输送系统，已成为柔性加工自动线中的重要组成部分，过去未采用桁架机械手输送的自动线中的输送部分称之为输送带或输送装置。而当前将采用桁架机械手则称之为输送系统或物流系统。过去的输送带驱动或是用油缸或减速机通过链条或机动辊子驱动，用时间较长且位置精度较差，而现在普遍的做法是由伺服系统驱动，完成多个坐标的复合运动，以达到用时间短，效率高，且运动位置精准的目的。
图2.2 沈阳机床集团生产的TURNKEY32jcyc自动化生产线
结论
随着技术水平的提高，解决了桁架机械手的关键技术及难点技术。相信，随着国产桁架机械手技术水平的不断提高，桁架机械手在柔性加工自动线上的应用会越来越多，采用桁架机械手的柔性加工自动线将会成为今后的一大卖点，市场前景非常可观，从而带动国产柔性加工自动线有一个质的飞跃。■
参考文献
[1] 王龙. 基于注塑机的三伺服机械手的研究与开发[P]. 江门：五邑大学，2009.
[2] 陆俊百，周凯. 工装机器人无线控制系统的研究[J]. 制造技术与机床，2009，（3）：14—17.