工业生产中气动机械手的设计

李晶茹

摘 要：伴随着科学技术的不断发展和市场竞争的加剧，我国的工业生产进入到了一个更加严峻的环境之中。尤其是在改革开放之后，在市场机制的调节下，对工业生产技术和生产能力的要求越来越高。在工业生产中，机械手起到了重要的作用，机械手有着人力所不能达到的功用，其灵活性、耐久性、实用性更高。在工业生产中，机械手能够长时间从事生产加工工作，对提高工业的生产效率有重要的作用。由此可以看出，其在工业生产中被广泛应用不无道理。工业机械手与其他机械手相比具有一定的特殊性，文章简要介绍了机械手的组成和种类，在此基础上，主要进行了气动机械手的设计研究和分析，希望能够为今后的气动机械手设计工作提供一些借鉴，仅供参考。

关键词：机械手臂；极限位置；导向管

1 机械手

设计符合需求的气动机械手，需要对机械手的组成和种类进行分析，了解他们的具体结构，这样才能设计出结构合理、功用适合的气动机械手。

1.1 机械手的组成

由于机械手属于一种简易的工业机器人，其操作与使用具有一定的特殊性。根据机械手的特点与功用，一般的机械手由三部分组成。（1）手部。机械手的手部是其直接进行工作的部位，对材质、质量、形状等都有一定的具体要求，尤其是在具体的作业要求的影响下，被抓取工件的大小、形状等对机械手手部影响较大，在日常的工业生产作业中，常见的有托持型、夹持型等。（2）运动控制部。机械手是一种动态的生产加工工具。运动控制部是控制机械手手部工作的直接部位，它可以根据需求控制机械手手部进行各种抓取、旋转、摆动、伸缩、升降、移动等动作，协调机械手手部进行作业。机械手的运动方式具有一定的自由度，自由度是影响机械手灵活性的重要参考因素，自由度越高，设计越复杂，灵活度与适用性也就越符合操作需求。（3）控制系统。控制系统是通过电机的控制来实现的，可以指定机械手完成特定的操作需求。

1.2 机械手的种类

机械手有两种不同的分类方式。下面来做简要的介绍：

1.2.1 按用途进行分类

专用机械手。专用机械手一般用于对机械手工作时的要求单一、操作简单固定的作业，适合生产量大的自动化生产。其在工作中无法自主的通过电机控制操作系统。

通用机械手。通用机械手的操作灵活，可适应多种作业。其控制系统灵活，可根据不同的作业需求进行调整。在使用的过程中，适合小批量的自动化的生产。通用机械手比专用机械手的造价高，但是其精确度更高、通用性更强。

1.2.2 按驱动方式分类

液压传动机械手。主要工作原理是通过液压压力进行机械手的运动控制部的操作，对液压技术的要求比较高。在使用的过程中，手部抓取物品可达一百公斤以上，且操作的灵活性高。

气压传动机械手。是利用压力进行机械手的机构执行操作。这种机械手具有结构简单、成本低的特点。

机械传动机械手。是利用机械结构进行操作驱动执行的机械手，其工作方式是通过动力机械来执行的，结构较复杂。

电力传动机械手。是通过电机进行驱动控制的机械手，结构简单，操作方便。

2 机械手的设计

气动机械手是工业生产中最常用的机械手，具有使用方便、精度高、反映迅速、自由度高等特点，气动机械手在进行作业时能够更好的适应作业需求，根据加工材料的特性和结构形状进行控制。在进行气动机械手设计时需要根据加工材料的具体需求进行设计，明确加工材料的性质和基本结构，准确定位加工材料对机械手的精度、自由度等进行具体设计，使其符合作业需求和生产工艺。本次设计的机械手是通用的气动上下料机械手，这种机械手在日常的工业生产中适合中小机械加工企业进行小批量的加工生产，在运行过程中，在操作程序上能够自动抓取、搬运物品，使劳动强度过大和频繁的作业能够简化，在恶劣的操作环境中同样适用。

2.1 机械手的坐标型式与自由度

机械手手臂的坐标型式能够直接影响机械手手臂的操作，本款气动机械手的坐标型式采用了圆柱坐标型式，能够满足机械手在工作时对升降、收缩、抓取等动作的需求。同时，由于气动机械手对自由度的特殊需求，在进行本款气动机械手的设计时，增加了一个手臂上下摆动的装置，从而提升了手臂上下摆动的自由度，使机械手的适用性与通用性更强，更能弥补手臂升降、伸缩过程中行程小、手臂摆动不到位的缺陷。

2.2 手部结构设计

为了使本款机械手在生产中的通用性更强，在进行设计时，将本款机械手的手部结构设计成可更换式的，有利于在生产中根据实际需要进行结构更换。设计成夹持式和气压吸盘式这两种结构可进行互换。其中夹持式手部结构主要由手爪和传力机构组成，能够有效的进行物品的抓取，尤其对棒料物品，具有更好的作用。

2.3 手腕结构的设计

在进行本款气动机械手的手腕结构的设计时，要考虑其回转设计，根据作业需求，设计了一款适合的回转气缸用来调整或改变水平工件的方位，使本款气动机械手能够适应复杂的动作要求。在进行本款气动机械手的设计时，还充分的考虑到了机械手的自由度需求，设置了合理的手腕结构的自由度，使之能够符合工业生产的加工件的加工工艺的需求和加工件的精度需求。

同时，在进行设计时为了使之能够符合生产加工的通用性的需求，回转气缸在设计时充分考虑到其结构的紧凑性，尤其是进行了严格的密封设计，满足机械手手腕回转运动的需求，且使回转角度小于360度，达到工业生产对气动机械手的需求。

2.4 手臂结构设计

气动机械手的手臂运动主要是通过气压驱动来进行的，在工业生产的加工工作中，主要通过手臂的伸缩运动来进行具体操作，在日常的工业生产工作中，经常出现手臂绕轴线转动的现象，为了避免这种现象的出现，在进行本款气动机械手设计时，设计了相应的导向装置，增加手臂的实用性，采用了单导向杆，这种导向杆符合本设计的具体要求和生产需求，能够减少弯曲力矩对活塞杆的作用，从而达到增加机械手手臂刚性的作用。

3 结束语

本款气动机械手的设计在按用途分类上属于通用机械手的一种，与专业机械手相比，灵活性更强，更符合多变的工业生产需求，尤其是在复杂多变的作业环境下，仍能够进行良好的作业，在生产成本上，本款机械手造价低、制作成本低，节省了工业的生产成本，而且自由度高、精度高，能够满足日益提高的工业生产对机械手的需求。

从相关的研究可以看出，机械手在工业生产的历史上起到了不可替代的重要作用，代替了人力从事一些人力无法进行的工作，其适用性和耐力都是人类手臂无法企及的，在现阶段的工业生产发展中，机械手仍占据重要地位，并且不同需求、不同结构的机械手不断涌现，大大提高了工业生产的效率，使工业生产的利润空间更大，然而，机械手仍旧存在一些问题，相关的工作人员应该通过增加科技创新，对机械手进行创新设计，使之更能符合日益提高的生产需求，为工业生产作出更大的贡献。

参考文献

[1]张建民.工业机器人[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

[2]郑洪生.气压传动及控制[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]徐钢涛，等.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社，2008.

[4]刘明保，吕春红，等.机械手的组成机构及技术指标的确定[J].河南高等专科学校学报，2004，1.

[5]李超.气动通用上下料机械手的研究与开发[D].陕西科技大学，2003.