氣動平衡裝填機械手技術研究

劉 威，姚 濤

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

氣動控制和傳動系統以其裝置結構簡單、輸出力及工作速度的調節容易、可靠性高，使用壽命長等優點，廣泛應用于汽車制造行業、電子制造行業和生產自動化等行業。氣動平衡裝填機械手采用氣動平衡技術，實現機械臂和負載重力平衡控制，靠人力或其他外力驅動氣缸，完成物料裝填工作。結合工程實例，通過裝填機械手結構設計和力學計算，設計氣動回路，并研制樣機，實現物料裝填，節省了人力，減輕了勞動強度[1-2]。

1 機械手結構設計和力學分析

1.1 結構設計[3-5]

氣動平衡裝填機械手主要功能是將圓柱狀物料從地面豎直狀態抓取，與水平方向成一定角度裝入圓管內，其主要技術指標見表1。主機結構符合人機工程設計，提供所需的垂直方向和水平方向的最大行程，設有可轉動的連接靈活的機械臂，工作半徑2 500 mm，可圍繞立柱350度旋轉。主要由升降機構、平衡器機構、夾具翻轉機構和夾具夾持機構四大部分組成。升降機構主要用于立柱的升降，下降到最低可以將主體結構收攏，便于儲存；上升到最高點時，系統進入工作狀態。平衡器機構實現負載力平衡控制，氣缸靠人手的推力驅動。夾具翻轉機構實現物料在90度角度空間的任意位置的翻轉。夾具抓取機構實現對圓柱狀物料夾持。抓取物料狀態時，機械手三維模型見圖1；裝填物料時間，機械手三維模型見圖2。

表1 相關基本數據

圖1 氣動平衡裝填機械手抓取狀態

圖2 氣動平衡裝填機械手提升裝填狀態

主要工作程序：升降機構將立柱升到最高位置，操作人員手動驅動平衡器機構下降到最低位置，夾具翻轉機構將夾具翻轉豎直狀態，夾具抓取機構夾住豎直放置圓柱狀物料，操作人員驅動平衡機構提升物料，夾具翻轉機構翻轉物料到一定角度，操作人員驅動平衡機構將物料送入鋼管內，松弛夾具抓取機構，繼續重復裝填物料。裝填工作完成后，立柱下降到最低位置，收攏機械臂。

1.2 力學分析

（1）平衡器機構

平衡器機構主要由折返臂機構、平行四邊形連桿機構組成。機械臂采用折返臂結構，全臂長2 500 mm，半臂長1 250 mm。根據平行四邊形連桿機構計算分析：機械臂水平位置時，氣缸口到連桿鉸點距離L1；機械臂最低位置時，氣缸口到連桿鉸點距離L2；機械臂最高位置時，氣缸口到連桿鉸點距離L3。機械臂升降的全過程中，氣缸往復行程L平衡。

平衡器機構抓取物料時，平行四邊形連桿機構的兩端力臂相等。

其中，M平衡器為平衡力矩，G負載為負載重量，G機械臂為機械臂自重，L臂為平衡器懸臂夾具到立柱支點的垂直距離，F平衡為平衡器氣缸產生的作用力，L平衡為平衡器氣缸到立柱支點的垂直距離，P平衡為氣缸需要的氣體壓力，S平衡為有效作用面積，R平衡圓缸半徑。

由式（2）、（3），可得：

（2）夾具翻轉機構

翻轉機構采用曲柄滑塊機構，氣缸伸縮過程實際是滑塊往復運動，曲柄擺動實際是夾具翻轉運動。氣缸伸縮過程中，曲柄發生擺動，擺動角度范圍為90°，運動結構簡圖如圖3所示。

其中，L翻轉為翻轉氣缸有效行程。

其中，M翻為翻轉力矩，G物為物料重力，L物為物料重心偏距；F翻為翻轉氣缸產生的作用力，L翻為翻轉氣缸對支點的力臂，P翻為翻轉氣缸需要壓力，S翻為翻轉氣缸的有效作用面積，R翻為圓翻轉氣缸的半徑。

圖3 氣動平衡裝填機械手提升裝填狀態

由式（6）、（7），可得：

（3）夾具抓取機構

夾具抓取機構采用對稱布置的曲柄滑塊機構，由作圖法，可得氣缸往復有效行程為L抓取。

其中，G物為物料重力，F靜摩為抓取氣缸產生的摩擦力，F抓取為抓取氣缸推力，μ靜為玻璃缸（圓形）與夾具橡膠的靜止摩擦系數，P抓取為抓取氣缸氣壓，S抓取為抓取氣缸有效面積，R抓取為圓形抓取氣缸的有效半徑。

由（9）、（10）可得：

圖4 氣動平衡裝填機械手夾具抓取機構圖

由作圖法，經計算可得各氣缸的主要參數，具體見表2。

表2 各氣缸相關基本數據

2 氣動基本回路設計

圖5 氣動基本回路

氣動平衡裝填機械手的氣動系統主要包括碟剎控制回路、平衡器控制回路、夾具翻轉控制回路、夾具抓取控制回路四大回路。碟剎控制回路主要由1個人力控制換向閥（二位三通）驅動1個氣控換向閥（二位五通），再由氣控換向閥（二位五通）控制3個碟剎氣缸，達到鎖緊或解鎖機械臂目的，見圖5（a）。平衡器控制回路由1個低摩擦力氣缸、1個大流量減壓閥等組成，利用大流量減壓閥與負載進行力平衡控制，低摩擦氣缸減少操作人員驅動機械臂的手力，見圖5（b）。夾具翻轉控制回路主要由2個人力控制換向閥（二位三通）驅動1個氣控換向閥（三位五通），再由氣控換向閥（三位五通）驅動1個雙作用缸，實現夾具翻轉功能，見圖5（c）。夾具抓取控制回路與夾具翻轉控制回路相似，由2個人力控制換向閥（二位三通）驅動1個氣控換向閥（三位五通），再由氣控換向閥（三位五通）驅動1個雙作用缸，實現夾具抓取功能，見圖5（d）。夾具控制回路與夾具翻轉控制回路分別通過各自減壓閥，調節壓力與負載相匹配。

圖6 氣動平衡裝填機械手抓取圓柱狀物料

3 工程樣機應用

氣動平衡裝填機械手廣泛應用于汽車、發動機裝配、化工等行業，在現代工業裝配自動化工業起著重要的作用。圖6中展示了氣動平衡裝填機械手如何抓取圓柱狀物料。

4 結論

氣動平衡助力機械手通過壓縮空氣這唯一動力源，結合多自由度機構，實現了對物料抓取，大大減輕了工人的勞動強度，提高自動化程度。

［1］鐘輝.氣動搬運助力平衡系統［J］.科協論談，2007（6）：7-8.

［2］張憲青，張楊，李修仁.搭載系統氣動平衡回路的影響因素分析［J］.液壓與氣動，2005（6）：11-13.

［3］江凱，楊佳華.電力系統污閃分析及其清掃機械手的設計［J］.機電工程，2012（10）：1183-1186.

［4］曹國軍.噴漿機械手軌跡控制研究［J］.機電工程技術，2013（1）：45-48.

［5］肖立軍，米學寧，石雷，等.氣動平衡助力機械手的原理及應用［J］.制造業自動化，2011（6）：230-232.