通用上下料氣動機械手結構設計

摘 要：氣動機械手具有結構簡單、重量輕、動作迅速、可靠、節能、不污染環境、可實現無級調速、易實現過載保護等優點，應用特點廣泛。論文介紹了氣動機械手的原理，對機械手的主要部件和設計要求做了相關的闡述，另外對機械手回轉臂的結構幫了優化措施。

關鍵詞：氣動機械手，結構優化，結構設計

前 言：

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。氣動機械手具有結構簡單、重量輕、動作迅速、可靠、節能、不污染環境、可實現無級調速、易實現過載保護等優點，特別適用于汽車制造業、食品和藥品包裝行業、化工行業、精密儀器制造業和軍事工業等。

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.氣動機械手的原理

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可完成以下動作：送料、預夾緊、手臂上升、手臂旋轉、小臂伸長、手腕旋轉。

圖1：氣動機械手系統工作原理圖

氣壓傳動機械手的優點：（1）不用增速機構就能獲得較高的運動速度，這是簡易機械手的一項主要性能，其可適應各種快速自動搬運的工作。（2）能源方便，工廠都有壓縮工作站。（3）空氣泄漏基本無害。（4）適應易爆、易燃等惡劣環境。

（5）結構、保養都簡單，成本低。（6）可將直線風缸和擺動風缸做成手臂的一部分，結構簡單，剛性好。

2.氣動機械手的主要部件和設計要求

根據模塊化設計思想，機械手的各模塊化機構分別為：立柱、手臂、小臂、手腕和手爪幾個部分。論文選擇圓柱坐標式機械手，木設計的機械手具有3個自由度：手臂伸縮；機身回轉；機身升降。木設計的機械手主要由3個大部件和3個氣缸組成：手部，采用一個氣爪，通過機構運動實現手爪的運動。臂部，采用直線缸來實現手臂的伸縮。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。

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，即手爪的內表而設計成與圓臺斜度相同的斜而，即保證了抓取的穩定又不會因“線接觸”而影響炮彈的表而質量。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不功能：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，保證工件表而不會被刮傷。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。

3.機械手回轉臂的結構優化措施

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。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，在完全伸出和回縮位置之間進行切換。

具體優化措施：第一，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。第二，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。

作者簡介：曾榮超（1990.11-），男，本科在讀，就讀于西南科技大學制造學院。