气动搬运机械手的机械结构设计

马青华

（伯曼机械制造上海有限公司，上海 201700）

0 引 言

机械手广泛用于机械制造、冶金、电子、轻工等行业[1-4],可以完成很多工作，例如搬运，装配、喷漆等。气动机械手以压缩空气为介质,具有结构简单、重量轻、动作迅速、工作可靠、节能、环保等优点，而被广泛应用。文中介绍柔性生产系统中的气动搬运机械手装置，基于三菱FX系列的PLC实现气动机械手的控制[5-7]，能使手腕旋转、手臂伸缩、手臂升降、手臂回转的四个自由度运动，用以实现搬运功能。

1 机械手的总体方案设计

按机械手手臂的运动形式及其组合情况，可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。本文机械手采用圆柱座标型式，总体方案，见图1，主要由底座、立柱、手臂、手腕、手部结构组成。具有四个自由度的运动（手腕回转，手臂伸缩、回转、升降）：手臂回转和升降运动是通过机座的立柱实现的，手臂回转通过回转气缸带动立柱旋转实现，手臂升降通过升降气缸带动立柱升降实现；手臂伸缩通过伸缩气缸实现，手指抓取运动通过气缸配合齿轮齿条机构实现；各气缸的控制主要通过PLC实现的。

图1 机械手总体结构

2 机械手手部的结构设计

2.1 夹持式手部的工作原理

手部结构一般有夹持式和气流负压式吸盘。本文采用夹持式手部，由手指(或手爪)和传力机构组成。传力结构形式较多，例如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。采用齿轮齿条式的手部结构是：一支点两指回转型。由于工件多为圆柱形，手指形状设计成V型，见图2（a），主要通过齿轮齿条相配合实现手指的张开与闭合，齿条固定在活塞杆上，齿轮固定在手指上，当活塞杆向下移动时，齿条向下移动，左齿轮顺时针旋转，右齿轮逆时针旋转，手指张开；相反，齿条随活塞杆向上移动，实现手指闭合。

图2 齿轮齿条式手部结构

2.2 夹紧力及驱动力的计算

见图2（b），手指对工件的夹紧力为N，驱动力为F，工件的重量力为5 kg，V形手指的角度2ϑ=120°，b=120mm，R=24mm 。

手指对工件的夹紧力公式[8]为：

齿轮齿条传动，取安全系数K1=1.5，若工件最大加速度取 a=0.3kg/s2，重力加速度 g=9.8kg/s2时，则工作情况系数K2=1+a/g=1.03；若手指是水平放置夹取水平放置的工件，则夹紧力的方位系数取K3=0.5。将已知条件代入式（1）:

手部的驱动力为:

若取η=0.94，则实际的驱动力为：

所以，夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为403 N。确定液压缸的直径按下式：

选取活塞杆的直径d=0.5D，压力油的工作压力p=0.9MPa，则其缸径D：

根据JB 826—66，标准液压缸内径系列，选择D=80 mm，则活塞杆直径d=0.5D=40 mm。

3 机械手手腕的结构设计

手腕是连接手部和手臂的部件，用以调整或改变方位。考虑到机械手的通用性，由于工件是水平放置，手腕设计成回转结构，选用单叶片回转气缸，见图3。定片与缸体通过螺钉固连，动片与回转轴通过螺钉固连，动片封圈把气腔分隔成两个。当回转气缸的两腔分别通入压缩空气时，驱动动片连同气缸缸体一起转动，即是手腕的回转运动。此手腕具有结构简单和紧凑等优点。单叶气缸压力P与气缸驱动力矩M的关系[8]如下:

图3 手腕回转气缸简图

气缸动片宽度b=100mm,气缸内孔半径 R=48mm,输出轴半径 r=13mm,回转气缸工作压力P=0.4MPa,将以上数据代入式（5），则驱动力矩：

4 结束语

气动搬运机械手采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能；阻力损失和泄漏较小，不会污染环境；同时成本低廉。机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，便于自动控制，因此适用面广，通用性强。

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