氣動機械手回轉臂結構設計

摘 要：氣動機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批生產的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動強度大和操作單調頻繁的生產場合。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

關鍵詞：氣動機械手；設計；優化

氣動機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。在現代工業技術應用的氣動機械手能夠實現4個自由度的運動，其各自的自由度的驅動全部由氣動肌肉來實現。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動肌肉的驅動實現各自關節的轉動，使物品在空間上運動，根據合理的控制，最終實現機械手的動作要求。氣動機械手回轉臂的設計主要是選擇合適的控制閥，設計合理的氣動控制回路，通過控制和調節各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執行機構獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規定的程序工作。

1 氣動機械功能以及優點

氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執行機構運動的機械手。它巧妙地應用力的平衡原理，使操作者對重物進行相應的位移，就可在空間內平衡移動定位負荷。重物在提升或下降時形成浮動狀態，靠氣路實現微重力的物料位移，操作力受工件重量影響。無需熟練的點動操作，操作者用手推拉重物，就可以把重物正確地放到空間中的任何位置，或者通過操作臺控制工件的位移?？赏瓿梢韵聞幼鳎核土?、預夾緊、手臂上升、手臂旋轉、小臂伸長、手腕旋轉。

圖1 機械手回轉臂系統工作原理圖

氣動技術有以下優點：（1）全程平衡、運動順滑，可使不同物料或工件達到重力平衡狀態，實現物料的精確位移操作。（2）空載、滿載及處理不同工件時，系統可感知其重量變化，并實現載荷在三維空間中的浮動狀態，便于精確定位。（3）剛性手臂可使機械手帶工件越過障礙；系統可始終保持機械手頭部的水平，發揮高作業性。（4）能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，可適應突然斷電等情況。（5）關節剎車裝置，具有多個回轉關節，以實現廣域范圍內的物料取置；配備有剎車裝置，操作者可在操作過程中隨時中斷機械手的運動。

2 氣動機械手的主要部件和設計要求

選擇圓柱坐標式機械手，本設計的機械手具有3個自由度：手臂伸縮；機身回轉；機身升降。本設計的機械手主要由3個大部件和3個氣缸組成：（1）手部，采用一個氣爪，通過機構運動實現手爪的運動。（2）臂部，采用直線缸來實現手臂的伸縮。（3）機身，采用一個直線缸和一個回轉缸來實現手臂升降和回轉。

2.1 對手部設計的要求

機械手的手部是機械手上承擔抓取工件的機構，由于被抓取物件（炮彈）的形狀近似于圓臺，所以，其手爪采用特殊的V字型結構，即手爪的內表面設計成與圓臺斜度相同的斜面，即保證了抓取的穩定又不會因“線接觸”而影響炮彈的表面質量。通過對平衡氣缸內空氣壓力快速精確的調節，實現對某一重量范圍內工件的實時平衡狀態。機械手可選擇定制功能：平衡系統；垂直提升；負載平衡。設備回轉關節設置剎車系統，可在任意所需要的位置剎車，使機械手可以長期或定期保持需要的狀態。翻轉90度、翻轉180度和翻轉任意角度（MAX270°）；斷氣保護：設備被意外斷氣時，設備上的儲氣罐裝置可保證工人正常完成一個循環工作，然后進入剎車狀態。指示功能：負載指示、到位指示。誤操作保護功能：工件在懸空時不可被釋放。人性化操作手柄：控制按鈕和人性化防滑手柄集成一體，讓操作人更便捷操縱機體。工件表面保護：夾具接觸工件部位裝置保護物件，保證工件表面不會被刮傷。高效率工作：夾具設置抓取導向，讓工件的拾取更高效。

控制系統可根據動作的要求，設計采用數字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據規定的程序，控制機械手進行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。分離存儲是將各種控制因素的信息分別存儲于兩種以上的存儲裝置中，如順序信息存儲于插銷板、凸輪轉鼓、穿孔帶內；位置信息存儲于時間繼電器、定速回轉鼓等；集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲于一種存儲裝置內，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，即連續控制的情況下使用。

2.2 腕部設計計算

考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。腕部采用回轉結構，可以實現回轉運動，手臂采用雙作用式汽缸，可以實現伸縮、升降、回轉運動。腕部是將手部和臂部聯接的部件，其運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。本課題腕部具有回轉這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉缸驅動的腕部結構。要求：回轉±90°角速度W=45°/s以最大負荷計算：當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長度l=650mm。

（1）計算扭矩M1、M2、M摩

設重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩M1=F×S =10×9.8×0.2=20（N·M）

油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩M2=F×S=5×9.8×0.1 =5（N·M）

擺動缸的摩擦力矩M摩=F摩×S=6（N·M）

（2）擺動缸的總摩擦力矩M；M=M1+M2+M摩=31（N·M）；W=8Q/（ΦA12-Φmm2）b 所以Q=W（ΦA12-Φmm2）b/8 =28ml/s

3 機械手回轉臂的結構優化措施

伸縮手臂在進行運動時，為防止手臂沿伸縮方向軸線轉動、加大承載能力，以及提高運動精度，必須設有導向裝置。伸縮手臂的導向裝置需根據伸縮手臂的安裝形式、結構及負荷等條件來確定。常用的有單導向桿和雙導向桿。在氣動伺服系統中要實現高精度定位比較困難，將旋轉氣缸安裝在底板上，實現機械手的回轉運動，使機械手向左或向右擺動。機械手末端執行器的水平伸縮運動和豎直升降運動各由一個氣缸控制，即以最簡單的形式，在兩個位置（完全伸出和回縮位置）之間進行切換。

結構優化：（1）由于最大應力出現在齒輪的齒根處，所以，為了減小應力給齒輪壽命帶來的影響，應采用熱處理方法增強齒根強度。（2）由于最大變形出現在手爪受壓的地方，長期使用定會加劇磨損，從而間接影響炮彈在檢測平臺上的位置。因此，對于下半部分手爪結構進行熱處理，以增強其耐磨性和強度。

4 結束語

本文所設計的氣動機械手結構比較簡單，功能比較簡單，設計比較合理，能夠滿足部分不同形狀的工件的轉移、夾取、安裝等功能，方便快捷。氣動機械手回轉臂在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環境中，氣壓傳動與控制系統比機械、電器及液壓系統優越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。

參考文獻

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[2]彭光正，申珉珉，張宏立，范偉.一種新型氣動混聯運動模擬器的結構設計[J].機床與液壓，2010（9）.