气动机械手的结构设计

高　强　王　伟

（1.沈阳紫薇机电设备有限公司，沈阳 110000；2.沈阳华讯通电子科技工程有限公司，沈阳 110000）

气动机械手的结构设计

高强1王伟2

（1.沈阳紫薇机电设备有限公司，沈阳 110000；2.沈阳华讯通电子科技工程有限公司，沈阳 110000）

本文对气动机械手进行研究，对小臂升降以及手腕进行详细设计，给出了各个参数的定量计算，以期为下一步的机械手自动化控制提供有力的机械基础。

气动 结构 升降

机械手，顾名思义，其设计来自于人手，是遵循实现编辑好的程序来做到自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作，代替人类去做那些没有技术含量的熟练工种，大幅增加劳动生产率，使得产品质量稳中有升。本文重点对气动机械手进行设计。

1　机械手结构设计

为了使该机械手在实际应用中有着更强的通用性，这里将该机械手设计为可更换式手部结构，以期在实际应用中能够按照实际需要更换结构。

1.1小臂升降设计

小臂升降模块的作用是将模拟刀具从刀架槽中插入或提出。对其的设计需要考虑气缸内径、气缸的耗气量以及小臂升降气缸计算三个重点部分。

1.1.1气缸内径的确定

由初始工作压力以及工作载荷的相对关系，可以根据式（1）将缸径D计算出来。

其中，D为气缸的内径，F代表活塞推力，P代表初始压力，通常情况下P=（0.46-1）MPa，η=0.29-0.51，取值与速度呈相反的趋势。对于气缸的动态性能则没有特殊严格苛刻的要求。

1.1.2气缸耗气量

气缸的耗气量与气缸的行程S、直径D、换向阀到气缸管道的容积和缸的动作时间有关。一般情况下，忽略气缸管道自身的容积，那么气缸在单位时间内用掉的空压可以根据式（2）得出。

其中，Q代表每秒钟消耗的压缩空气量，Q1、Q2分别代表气缸有、无进气时消耗的压缩空气量，D与d分别代表缸的内径以及活塞杆直径，M则代表气缸的行程。

1.1.3小臂升降气缸计算

按照换刀机械手在实际生产中的最基本要求，气缸吸住载荷时要求的力F≤15N，所走的路程为30s，剩余的时间为0.3s。其主要尺寸的确定如下。

缸径D的计算：取d/D为0.5，取P为0.5MPa，η=0.3来进行计算，可以得到D=16.6mm。

按照文献报道，取SMC标准缸径为20mm，取活塞杆的直径为d=8mm，行程S取30mm，如图1所示。

图1　SMC标准气缸

1.2手腕结构的设计

实现机械手手臂手腕运动的机构形式是多种多样的。本文机械手的一切气动元件全部购买SMC标准气动件。

气缸的理论输出力矩为：

其中，M代表气缸所受到实际的力矩，η代表负载率，且η≤0.3。

如果工作压力处于0.5MPa，则输出的扭矩会达到0.53N·m，可以得出允许动能大约在0.40J左右。除此以外，摆动角度可以达到90°，可调角度也能够精确到在±5°，摆速也能够控制在0.2～1.0s/90°，使用气压可以从0.1MPa一直到0.99MPa。

2　结束语

本文对气动机械手进行研究，对小臂升降以及手腕进行详细设计，给出了各个参数的定量计算，

为下一步的机械手自动化控制提供了有力的机械基础。

[1]刘明保，吕春红，张春梅.机械手的组成机构及其技术指标的确定[J].河南高等专科学校学报，2004，（1）：18-20.

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

[3]张建民.工业机器人[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

Design Pneumatic Manipulator

GAO Qiang1,WANG Wei2

(1.Ziwei S henyang Electr ical Equ ipment Co.,Shenyang 110000; 2.Shenyang Electronic Technology Engineering Co., Ltd., Shenyang 110000)

The pneumatic manipulator was studied on the lift arm and wris t detail des ign, give a quantitative calculation of the various parameters for the next robotic automation provides a strong mechanical basis.

pneumatic, structure, movements