氣動通用上下料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

賀東坤，田 明

(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022)

1 上下料機械手總體設(shè)計

1.1 機械手總體設(shè)計方案

對氣動機械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。該機械手采用氣缸作為動力源，能夠快速、準(zhǔn)確地拾放和搬運物件。設(shè)計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，抓取、搬運時的受力特性、尺寸、質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定機械手的結(jié)構(gòu);本設(shè)計多數(shù)選用了定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化了設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。

本文設(shè)計出機械手的各執(zhí)行機構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂的設(shè)計。該機械手是通用氣動上下料機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面更廣，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣動通用上下料機械手總體結(jié)構(gòu)圖1.聯(lián)接螺栓 2.油霧器 3.手臂回轉(zhuǎn)氣缸 4.底板5.回轉(zhuǎn)液壓緩沖器 6.手臂升降氣缸 7.立柱 8.箱蓋9.手部 10.腕部回轉(zhuǎn)氣缸 11.手臂伸縮氣缸12.伸縮液壓緩沖器 13.控制閥 14.升降液壓緩沖器15.氣管 16.箱體 17.氣泵接口

1.2 機械手各組成部分設(shè)計方案

為使機械手實現(xiàn)各種運動和姿態(tài)，機械手如圖2所示，設(shè)計成四個自由度，并采用圓柱座標(biāo)型式。各部分設(shè)計方案如下:

1.2.1 手臂設(shè)計

按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運動。按照實際要求，手臂伸縮行程600mm，升降行程200mm，回轉(zhuǎn)范圍0°～240°。

圖2 機械手自由度分配示意圖

1.2.2 手部設(shè)計

為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料(φ80～φ150mm)時，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料(面積不大于0.5m2)時，使用氣流負(fù)壓式吸盤。夾持式手部可抓重10kg，吸附式手部可抓中5kg。

1.2.3 腕部設(shè)計

由于被抓取工件是水平放置，因此手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)運動以滿足工作的要求。實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。回轉(zhuǎn)范圍0°～180°。

2 機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)設(shè)計

夾持式手部結(jié)構(gòu)按照實際工作情況要求，設(shè)計成一支點兩指回轉(zhuǎn)型。它由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所組成，傳力機構(gòu)主要有夾緊缸體、活塞、齒條活塞桿、扇形齒輪等構(gòu)件組成。手部詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該手部結(jié)構(gòu)具有足夠的夾緊力和一定的開閉角，保證了最大尺寸工件能夠順利的進(jìn)入和脫開。由于被抓取工件的形狀多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成“V”形，以便自動定心，從而使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置。

手部夾緊氣缸驅(qū)動力計算:

如圖4所示，最大工件重量G=10kg，“V”形手指的角度2θ=120°，b=120mm，R=24mm，摩擦系數(shù)f=0.1，氣缸驅(qū)動力為P。

圖3 夾持式手部結(jié)構(gòu)1.夾緊缸體 2.活塞 3.齒條活塞桿 4.彈簧5.扇形齒輪 6.帶軸齒輪 7.手指 8.密封圈

圖4 手部傳動示意圖

根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:

因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取η=0.94，并取K1=1.5。被抓取工件的最大加速度取a=g時，則:

所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為1563(N)。

2.2 氣流負(fù)壓式吸盤

圖5所示為可調(diào)的噴射式負(fù)壓吸盤結(jié)構(gòu)圖。噴嘴口與噴嘴套之間留有適當(dāng)?shù)拈g隙，以便將被抽氣體帶走。當(dāng)間隙太小時，噴射氣流和被抽氣體將由于與套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽氣速率;當(dāng)間隙太大時，離噴射氣體越遠(yuǎn)的氣體被帶著向前運動的速度就越低，同時間隙過大，從噴嘴套出口處反流回來的氣體就越多，這就使抽氣速率大大的降低。在圖5中，噴嘴5與噴嘴套6的相對位置是可以調(diào)節(jié)的，以便改變間隙的大小，可使噴嘴更有效地工作。

圖5 可調(diào)噴射式負(fù)壓吸盤結(jié)構(gòu)1.橡膠吸盤 2.吸盤芯子 3.通氣螺釘4.吸盤體 5.噴嘴 6.噴嘴套

3 手臂伸縮與腕部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該機械手的手臂結(jié)構(gòu)如圖6所示，手臂主要由雙作用式氣缸1、導(dǎo)向桿2、定位拉桿3和兩個可調(diào)定位塊4等組成。雙作用式氣缸1的缸體固定，當(dāng)壓縮空氣分別從進(jìn)出氣孔進(jìn)入雙作用式氣缸1的兩腔時，空心活塞套桿11帶動手腕回轉(zhuǎn)缸5和手部一同往復(fù)移動。在空心活塞套桿11中通有三根伸縮氣管，其中兩根把壓縮空氣通往手腕回轉(zhuǎn)氣缸5，一根把壓縮空氣通往手部的夾緊氣缸。在雙作用式氣缸1缸體上方裝置著導(dǎo)向桿2，用它防止活塞套桿11在做伸縮運動時的轉(zhuǎn)動，以保證手部按正確的方向運動。手臂伸縮運動的行程大小，通過調(diào)整兩塊可調(diào)定位塊4的位置而達(dá)到。手臂伸縮運動的緩沖采用液壓緩沖器實現(xiàn)。手腕回轉(zhuǎn)是由回轉(zhuǎn)氣缸5實現(xiàn)，直線氣缸1內(nèi)的三根氣管采用了伸縮氣管結(jié)構(gòu)，其特點是機械手外觀清晰整齊，并可避免氣管的損傷。另外活塞套桿11做成筒狀零件可增大活塞套桿的剛性，并能減少充氣容積，提高氣缸活塞套桿的運動速度。

圖6 手臂伸縮與回轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)圖1.雙作用式氣缸 2.定位拉桿 3.導(dǎo)向桿 4.可調(diào)定位塊5.右進(jìn)氣孔 6.定片 7.左進(jìn)氣孔 8.動片 9.回轉(zhuǎn)缸體10.可伸縮氣管 11.空心活塞套桿 12.活塞 13.密封圈14.管接頭 15.后罩

圖7 手臂升降與回轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)圖1.轉(zhuǎn)柱 2.升降缸活塞軸 3.導(dǎo)向桿 4.升降缸體5.碰鐵 6.定位塊 7.定位拉桿 8.緩沖鐵塊9.回轉(zhuǎn)中間定位塊 10.回轉(zhuǎn)定位塊 11.定位塊連接盤12.定片 13.轉(zhuǎn)軸 14.動片 15.回轉(zhuǎn)缸體 16.支撐架 17.套筒

4 手臂升降與回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

其結(jié)構(gòu)如圖7所示。手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱1、升降缸活塞軸2、升降缸體4、碰鐵5、可調(diào)定位塊6、定位拉桿7、緩沖撞鐵8、定位塊聯(lián)接盤11和導(dǎo)向桿3等組成。轉(zhuǎn)柱1上鉆有六條氣路，在轉(zhuǎn)柱上端用管接頭和氣管分別將壓縮空氣引到手腕回轉(zhuǎn)氣缸、手部夾緊氣缸、手臂伸縮氣缸，轉(zhuǎn)柱下端的氣路，將壓縮空氣引到升降缸上腔，當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入上腔后，推動升降缸體4上升，并由兩個導(dǎo)向桿進(jìn)行導(dǎo)向，同時碰鐵5隨升降缸體4一同上移，當(dāng)碰觸上邊的可調(diào)定位塊6后，即帶動定位拉桿7、緩沖撞鐵8向上移動碰觸升降用液壓緩沖器進(jìn)行緩沖。當(dāng)J、K兩面接觸時而定位。上升行程大小通過調(diào)整可調(diào)定位塊6來實現(xiàn)。最大可調(diào)行程為170mm，緩沖行程根據(jù)抓重和手臂移動速度的要求亦可調(diào)整，其范圍為15-30mm，故上升行程最大值為200mm。手臂下降靠自重實現(xiàn)。

在本機械手中，手臂回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)缸體15、轉(zhuǎn)軸13(它與動片焊接成一體，見A-A剖面)、定片12、回轉(zhuǎn)定位塊10、回轉(zhuǎn)中間定位塊9和回轉(zhuǎn)液壓緩沖器等組成。當(dāng)壓縮空氣通過管路分別進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的兩腔時，推動動片連同轉(zhuǎn)軸一同回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過平鍵而帶動升降氣缸活塞軸、定位塊聯(lián)接盤、導(dǎo)向桿、定位拉桿、升降缸體和轉(zhuǎn)柱等同步回轉(zhuǎn)。因轉(zhuǎn)柱和手臂用螺栓連接，故手臂也作回轉(zhuǎn)運動。手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來密封，密封性能較好，手臂回轉(zhuǎn)角度的大小，通過調(diào)整兩塊回轉(zhuǎn)定位塊10和回轉(zhuǎn)中間定位塊9的位置而定。

(1)該機械手可以選擇配置普通的夾持手指，以抓取一般工件;也可更換噴射式氣流負(fù)壓吸盤，以吸附玻璃、墻地磚等板料及光盤、磁盤等薄型不透氣工件，使機械手的用途更多，使用范圍更廣。另外，該機械手既可以用于搬運小型零件，也可供教學(xué)、實驗使用。

(2)該機械手腕部采用回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動，以保證工件按工作要求擺放。手臂采用雙作用式汽缸，可以實現(xiàn)伸縮、升降、回轉(zhuǎn)運動。

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