氣動搬運機械手的機械結構設計

馬青華

（伯曼機械制造上海有限公司，上海 201700）

0 引 言

機械手廣泛用于機械制造、冶金、電子、輕工等行業[1-4],可以完成很多工作，例如搬運，裝配、噴漆等。氣動機械手以壓縮空氣為介質,具有結構簡單、重量輕、動作迅速、工作可靠、節能、環保等優點，而被廣泛應用。文中介紹柔性生產系統中的氣動搬運機械手裝置，基于三菱FX系列的PLC實現氣動機械手的控制[5-7]，能使手腕旋轉、手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉的四個自由度運動，用以實現搬運功能。

1 機械手的總體方案設計

按機械手手臂的運動形式及其組合情況，可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節式。本文機械手采用圓柱座標型式，總體方案，見圖1，主要由底座、立柱、手臂、手腕、手部結構組成。具有四個自由度的運動（手腕回轉，手臂伸縮、回轉、升降）：手臂回轉和升降運動是通過機座的立柱實現的，手臂回轉通過回轉氣缸帶動立柱旋轉實現，手臂升降通過升降氣缸帶動立柱升降實現；手臂伸縮通過伸縮氣缸實現，手指抓取運動通過氣缸配合齒輪齒條機構實現；各氣缸的控制主要通過PLC實現的。

圖1 機械手總體結構

2 機械手手部的結構設計

2.1 夾持式手部的工作原理

手部結構一般有夾持式和氣流負壓式吸盤。本文采用夾持式手部，由手指(或手爪)和傳力機構組成。傳力結構形式較多，例如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。采用齒輪齒條式的手部結構是：一支點兩指回轉型。由于工件多為圓柱形，手指形狀設計成V型，見圖2（a），主要通過齒輪齒條相配合實現手指的張開與閉合，齒條固定在活塞桿上，齒輪固定在手指上，當活塞桿向下移動時，齒條向下移動，左齒輪順時針旋轉，右齒輪逆時針旋轉，手指張開；相反，齒條隨活塞桿向上移動，實現手指閉合。

圖2 齒輪齒條式手部結構

2.2 夾緊力及驅動力的計算

見圖2（b），手指對工件的夾緊力為N，驅動力為F，工件的重量力為5 kg，V形手指的角度2?=120°，b=120mm，R=24mm 。

手指對工件的夾緊力公式[8]為：

齒輪齒條傳動，取安全系數K1=1.5，若工件最大加速度取 a=0.3kg/s2，重力加速度 g=9.8kg/s2時，則工作情況系數K2=1+a/g=1.03；若手指是水平放置夾取水平放置的工件，則夾緊力的方位系數取K3=0.5。將已知條件代入式（1）:

手部的驅動力為:

若取η=0.94，則實際的驅動力為：

所以，夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為403 N。確定液壓缸的直徑按下式：

選取活塞桿的直徑d=0.5D，壓力油的工作壓力p=0.9MPa，則其缸徑D：

根據JB 826—66，標準液壓缸內徑系列，選擇D=80 mm，則活塞桿直徑d=0.5D=40 mm。

3 機械手手腕的結構設計

手腕是連接手部和手臂的部件，用以調整或改變方位。考慮到機械手的通用性，由于工件是水平放置，手腕設計成回轉結構，選用單葉片回轉氣缸，見圖3。定片與缸體通過螺釘固連，動片與回轉軸通過螺釘固連，動片封圈把氣腔分隔成兩個。當回轉氣缸的兩腔分別通入壓縮空氣時，驅動動片連同氣缸缸體一起轉動，即是手腕的回轉運動。此手腕具有結構簡單和緊湊等優點。單葉氣缸壓力P與氣缸驅動力矩M的關系[8]如下:

圖3 手腕回轉氣缸簡圖

氣缸動片寬度b=100mm,氣缸內孔半徑 R=48mm,輸出軸半徑 r=13mm,回轉氣缸工作壓力P=0.4MPa,將以上數據代入式（5），則驅動力矩：

4 結束語

氣動搬運機械手采用氣壓傳動，動作迅速，反應靈敏，工作環境適應性好，不會因環境變化影響傳動及控制性能；阻力損失和泄漏較小，不會污染環境；同時成本低廉。機械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優點，便于自動控制，因此適用面廣，通用性強。

[1] 于復生，沈孝芹，范文利，等．三自由度氣動教學機械手的研制與應用[J]．電氣電子教學學報，2006,28（3）63-65.

[2] 邱家浩，蔣剛．氣壓式仿人機器人的腰部設計與運動仿真[J]．機械設計與制造,2012(5):57-58.

[3] 樊明，魏澤鼎，韓提文．封焊機自動上料機械手設計［J］．機械，2008,35（2）:56-57.

[4] 王海葉．輕型氣動平動搬運機械手設計[J]．電氣技術與自動化，2010,39（4）:167-168.

[5] 羅庚興，歐陽錫暢．基于PLC的氣動安裝搬運機械手設計[J]．機電工程技術，2010，39（7）：33-35.

[6] 孫燕良，張厚江，翟艷鳳，等．基于PLC氣動機械手的研究設計［J］．森林工程，2011,27（3）:45-50.

[7] 范金玲.基于PLC的氣動機械手控制系統設計［J］．液壓與氣動，2010（7）：36－38.

[8] 李允文.工業機械手設計［M］．北京：機械工業出版社，1996.