氣動搬運機械手機械結構設計及分析

龍創平，陳豪

（陜西航天機電環境工程設計院有限責任公司，陜西 西安 710000）

機械手設計完成之后，可以模仿人的手和手臂，完成手和手臂的功能，最后對一些物件，按照固定的程序來完成抓取跟搬運。所以，機械手設計屬于機械電子裝置范圍。在實現空氣壓縮的基礎上，氣動搬運機械手可以完成固定的各項工作，其優勢非常的明顯，用起來非常的輕便，且還有環保節能的優勢，動作非常的迅速無故障等，所以在實際工作中得到了非常廣泛的應用。

1 氣動搬運機械手的設計方案

可以對氣動搬運機械手進行以下四個部分的劃分：第一個部分是圓柱坐標式；第二個部分是直角坐標式；第三個部分是關節式；第四個部分是球坐標式。劃分的依據是具備的運動形式以及具備的組合情形。本次研究著重分析圓柱坐標式氣動搬運機械手。分析圓柱坐標式氣動搬運機械手設計結構圖就可以得到圖1（圓柱坐標式氣動搬運機械手設計結構示意圖）。在分析圖 1 的基礎上可以得到，結構底座、結構手臂、結構手部結、結構立柱以及結構手腕是氣動搬運機械手的主要結構構成部分，該設計可以實現手臂伸縮、手臂升降、手腕回轉、手腕回轉等自由度的運動。手臂回轉與升降運動主要是依靠機座部分的立柱來完成。可以選擇使用PLC 編程，在采取PLC 編程的基礎上，可以從根本上有效的控制氣動搬運機械手中的每一個氣缸的工作。分析圖1 中的圖標得到：1號為手部結構、2號為手腕回轉氣缸結構、3號為手腕結構、4號為手臂結構、5號為手臂仲縮氣缸結構、6號為結構立柱圖、7號結構為立柱升降氣缸、8號結構為立柱回轉氣缸、9號為底座結構、10號結構為基體。

2 氣動搬運機械手手部結構設計分析

2.1 夾持類型手部結構工作的原理分析

圖1 圓柱坐標式氣動搬運機械手設計結構示意圖

一般情況下，可以按照標準劃分氣動搬運機械手手部結構得到以下兩種類型：第一個是夾持式手部；第二種是氣流負壓式手部，本次研究著重介紹夾持式手部，在有效配合手爪與傳力機構兩個部分的基礎上來實現人手功能的有效模仿。倘若氣動搬運機械手是齒輪齒條式的一種手部結構的話，那么配合一支點跟兩指。圓柱形是大部分氣動搬運機械手中工件的形狀。所以，在設計氣動搬運機械手中的手指部分的過程中，需要按照相關的原則將其設計成V型形狀，配合齒輪齒條兩個部分，實現手指之間的開閉操作，并且還需要在活塞桿位置上完成相應的齒條固定的操作，對于手指部分，則需要按照標準完成齒輪的有效固定。在實際工作中，倘若活塞桿向下操作情況存在，那么齒條也需要滿足其向下的標準進行運動，其中，右面的齒輪需要配合進行逆時針運動，左面的齒輪需要配合進行順時針運動，這時候就會張開氣動搬運機械手手指，想要實現手指的閉合，就應逆向操作。

2.2 計算氣動搬運機械手驅動力和夾緊力

在實際應用氣動搬運機械手的過程中，使用字母N來表示工件需要承受的手指施加夾緊力，使用字母F來表示驅動力。之后完成以下假設：手指V的角度在w為120°，工件的重量=5kg，b=120mm，R=24 mm，計算工件所需的夾緊力的公式1。以齒輪齒條傳動條件為基礎前提，將K1的拿權系數假設取值大小為 1.5，并且假設工件具備最大的加速度a為0.3kg/s2。在實際工作中，因為重力的條件下，會產生加速度，這里的加速度為 g= 9.8 kg/s2的前提下，使用下列數值表示工作情況系數K2：K3= 0.5，K2= 1 + a/g =1.03，之后將已知的數值大小逐個代入各個公式，順利將工件所需夾緊力計算出來，計算工件所需的夾緊力為公式2。使用以下公式3完成手部完成動作所需的驅動力的計算。在實際工作中，如果取值η=0.94 ，那么得到的氣動搬運機械手所需實際驅動力大小使用以下公式4計算出來。

公式 1：N ≥ K1K2K3G；

公式 2：N=K1K2K3G = 1.5×1.03×0.5×5×9.8 ，得到結果為37.9 N；

公式3：F = 2b N / R = 2×120×37.9/24，得到結果為379 N；

公式 4：F實際= F/η = 379/0.94 ，得到結果為403N。

3 氣動搬運機械手手腕結構與氣壓系統的設計分析

3.1 氣動搬運機械手手腕結構設計

在進行氣動搬運機械手手腕設計的過程中，需要重視手腕位置的設計。手腕是手部與手臂之間的重要部件。主要的目的是完成手部動作的針對調整，這樣一來，就可以從根本上滿足模仿人手動作的標準。在一般情況下，氣動搬運機械手需要具備非常高的通用性以及實用性，所以，應該從根本上水平放置機械手中的全部工件，所以，在手腕設計的過程中，爭取使用回轉結構進行設計，同時還需要使用單葉片回轉氣缸進行輔助，需要從根本上滿足機械手最基本動作的標準需要。在進行手腕部位設計的過程中，定片和缸體兩者之間的固定連接使用的是螺釘，固定連接動片和回轉軸兩者使用的是螺釘，同時還可以將手腕位置的氣腔分成兩個部分，主要的依據是動片，上述這種設計形式主要的目的是實現手腕設計的簡便化以及緊湊化。

3.2 氣動搬運機械手手腕結構氣壓系統設計

在實際工作中，應立足于氣動搬運機械手動作標準完成大氣缸和小氣缸的設置，設置1個大氣缸和1個小氣缸即可。大氣缸主要的工作就是完成氣動搬運機械手中的提升和氣動搬運機械手中的下降動作。而小氣缸主要的工作就是進行抓取氣罐動作，在實際工作中，氣動搬運機械手完成動作的時候，會同時伸出大氣缸跟小氣缸，還會明顯提升大氣缸的位置，儲氣罐就會承受來自于小氣缸中活塞桿施加給力，并且呈現一個越來越大的趨勢，在完成工人儲氣罐充氣操作之后，就會明顯的降低大氣缸的位置，并且導致儲氣罐沒入水中。在實際工作中，需要工作人員嚴謹細致的檢查儲氣罐的氣密性情況，進而有效的劃分合格的產品，剔除那部分不合格的產品，找到合適工作實際的產品，還可以從根本上保證氣動搬運機械手設計順利完成，在上述的基礎上就可以促使氣動搬運機械手設計的質量得到基礎的改善以及提升。

為了驗證該項氣動搬運機械手設計的可行性以及實效性, 對設計加工制作氣動搬運機械手進行相應的實踐檢驗，之后得到以下的結果：氣動搬運機械手可以快速的、高精度的模擬人的手部動作, 還具有顯著的穩定性。在實際工作中，會存在泄漏的情況，不會對周圍環境造成大的影響。且氣動搬運機械手具有非常簡單的結構設計以及較低的制作成本。在使用PLC技術的前提下,可以保證氣動搬運機械手動作工作的精準性以及靈活性，提升動作精度，提升通用性。

4 結語

綜上所述，氣動搬運機械手可以從根本上實現人手動作模擬的構建，主要的基礎是氣壓傳動作用的使用。氣動搬運機械手動作非常的迅速，且還存在非常良好的適用性，其反應的速度也非常的快等，同時還具有非常高的穩定性以及針對性，所以基本上不會對環境造成嚴重的影響，并且也能正常的工作。在使用的過程中，氣動搬運機械手存在不明顯的泄漏情況等，所以，不會增加相應的環境污染程度，并且其所耗費的制作資金成本和設計資金成本還是比較低的，所以對于氣動搬運機械手的開發，很多企業還是非常愿意投入資金的。所以，氣動搬運機械手可以實現大范圍的針對推廣以及使用，在我國制造業、貨運等多個生產領域中，氣動搬運機械手都有使用的情況。在實際操作的過程中，可以選擇 PLC 編程的使用來實現氣動搬運機械手的針對有效的控制，這樣一來，在操作的過程中氣動搬運機械手就可以具備非常高的生產可靠性以及標準性，其存在的靈活性非常的顯著，并且還會存在非常高的通用性。

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