基于物料搬運三自由度氣動機械手設計及夾緊氣缸選用

莫 堅，左繼紅

(湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲 412001)

0 引言

隨著社會的發展及技術的高速發展，傳統的人工搬運已經不能適應高溫、易燃、易爆等惡劣環境，機械手作為一種新興的技術慢慢應用在一些簡單、重復、笨重及危險的操作中。

機械手有電動式機械手、油壓機械手和氣動式機械手3種。電動式機械手和液壓機械手不能適應高溫等惡劣環境。氣動式機械手主要是用壓力空氣充入氣缸推動活塞動作來完成這些簡單、重復、笨重及危險的操作，具有結構簡單、穩定可靠、成本較低、控制方便、過載保護等特點，因此還可設計一些動作較復雜的操作。

本文設計了三自由度物料搬運機械手，可以實現機械手的上下、前后、左右三個自由度動作，穩定可靠。

1 三自由度氣動機械手結構

三自由度氣動機械手主要由命令控制系統、位置檢測系統、氣壓驅動系統、執行機構系統四部分組成，如圖1所示。

圖1 氣動機械手控制原理圖

1.1 命令控制系統

本設計主要由PLC程序控制系統和定位系統兩部分組成，主要操作如下：①LC程序控制系統發出控制指令(作業操作順序、作業路線、作業時間及速度等)。②壓力空氣根據指令到達不同氣缸(夾緊氣缸、伸縮氣缸、伸降氣缸)，從而可以控制上下、前后、左右三個自由度動作，還可以通過節流閥控制速度和時間。③位置檢測系統監控過載、動作錯誤、系統故障等信息反饋到命令控制系統，從而重新調整命令。

1.2 氣壓驅動系統

本系統需要壓力空氣作為動力，包括空壓機、干燥器、調壓閥、夾緊氣缸、伸縮氣缸、升降氣缸及其他部件。

1.3 位置檢測裝置

主要是位置檢測監控過載、動作錯誤、系統故障等信息反饋到命令控制系統并根據命令不斷調整，滿足機械手的控制精度。

1.4 執行機構

1.4.1 手部

手部是搬運部件直接接觸部位，有夾持式機器手和吸附式機器手2種，吸附式機器手成本較高，一般運用較少，采用的夾持式機器手由手指和傳動力機構組成。手指有回轉型和平移型2種運動方式，平移型運動方式結構復雜適合圓形部件。所以本文設計的為回轉型手指的夾持式機器手，可以應用于不同的場合。傳動力機構的主要工作任務是把手指的夾緊力傳遞到被抓取的部件。

1.4.2 手臂

吸附式機器手一般由氣缸、連桿機構、氣源等相互協調，控制手部來完成不同的動作，把物件搬運到指定的位置，是執行機構的重要部件。

1.4.3 立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。

1.4.4 機座

機座是機械手的基礎部分，機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，起到支撐和連接的作用。

2 三自由度氣動機械手結構原理

本文設計的三自由度氣動機械手可以完成機械手的手臂的伸縮、手臂的上下、機械手的夾緊與旋轉(原理見圖2)。夾緊氣缸由電控式二位五通閥7控制，線圈1Y得電，2Y失電，夾緊氣缸排氣機械手松開，線圈1Y失電，2Y得電，夾緊氣缸充氣機械手夾緊，快慢由11、12單向節流閥控制；伸縮氣缸由電控式二位五通閥8控制，線圈3Y得電，4Y失電，夾緊氣缸排氣機械手手臂伸出，線圈3Y失電，4Y得電，伸縮氣缸排氣機械手手臂回縮，快慢由13、14單向節流閥控制；升降氣缸由電控式二位五通閥9控制，線圈5Y得電，6Y失電，升降氣缸充氣機械手手臂上升，線圈5Y，失電6Y，得電升降氣缸排氣機械手手臂下降，快慢由15、16單向節流閥控制；電控式二位五通閥9控制回轉氣缸動作線圈7Y由電缸逆時針旋轉，線圈8Y由電缸順時針旋轉。

1—手動塞門(通斷)；2—總氣缸；3—空氣過濾器；4—調壓閥；5—油霧過濾器；6—壓力表；7、8、9、10—電控式二位五通閥；11、12、13、14、15、16—單向節流閥。

3 關鍵部件(夾緊氣缸)設計

本設計要求設計的氣動機械手滿足系統功能要求，并且在惡劣環境條件下能夠快速靈活準確地執行命令，在機械設計中盡可能選擇標準件，減少非標零件的設計。氣動機械手的整體結構如圖3所示。本設計主要關鍵部件式機械手的夾緊力及驅動力計算，夾緊力及驅動力主要考慮夾緊氣缸是否能耐受，所以夾緊氣缸的選用尤為重要，本設計夾持重量：5 kg(g=9.8 N/kg)。

圖3 氣動機械手的整體結構

3.1 夾緊力計算

3.2 驅動力計算

3.3 夾緊氣缸內徑D計算

內徑不低于37 mm，內徑D取整40 mm。

3.4 夾緊氣缸內徑D取40 mm校核

因為：F氣缸>F實際，經校核符合要求。

根據經驗氣缸內活塞桿直徑d和氣缸內徑D比值一般0.2～0.3；氣缸內活塞桿直徑:d=(0.2～0.3)D=8～12 mm。圓整后，取活塞桿直徑d=12 mm。

3.5 夾緊氣缸缸筒外徑計算

缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:

δ=DPP/2[σ]

式中:δ為 缸筒壁厚，mm；D為氣缸內徑，40 mm；PP為實驗壓力，取PP=1.2 P=6×105Pa，缸筒材料為ZL3，[σ]=3 MPa，代入己知數據，則壁厚為:

δ=DPP/2[σ] =40×6×105/2×3×106=4 mm

取δ=4 mm，則缸筒外徑為:D=40+4×2 =48 mm。

根據要求設計盡量選擇標準間，經選擇SC-40×50型的夾緊氣缸滿足要求。

4 結語

本文設計的三自由度物料搬運機械手適合在高溫、易燃、易爆等惡劣環境下進行一些重復簡單及笨重的工作。本文對控制原理及工作原理進行了分析，對關鍵部件進行了闡述，最后假定了最大抓取重量5 kg。對關鍵部件夾緊氣缸進行了設計、計算、校核，并選用標準SC-40×50型夾緊氣缸。