氣動搬運機械手設計及運動仿真研究

王宇鋼 朱彥松

（遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，錦州 121001）

1 研究背景

機械手是能模仿人手的動作，在驅動系統和控制系統配合下完成某些抓放、搬運物件或操持工具等工作的自動機械化裝置，在機械加工生產中已廣泛應用于材料的搬運等工作。機械手按驅動形式通常可分為氣缸驅動、液壓缸驅動及電動機驅動。其中，氣缸驅動具有結構簡單、速度快、反應靈敏、易于維護和控制等特點，在機械手的驅動系統中被大量采用[1]。

針對活塞桿類零件在機械生產中的自動上下料問題，本文設計了氣缸驅動搬運機械手，采用三維設計軟件Pro/E進行三維造型并通過運動仿真驗證機械手設計的合理性。將該系統與相應機床配套使用，可實現自動上下料和機床之間工件的自動傳送，有效提高活塞桿類零件的加工效率，減輕企業生產負擔。

2 輸送機械手工作原理

為節省空間，機械手采用整體架空式安裝布置，將機械手通過連接支架安裝在機床上方，實現機械手沿連接板上導軌水平整體移動搬運工件。機械手安裝布局如圖1所示。

圖1 機械手安裝布局圖

設計的機械手機械結構包括一個連接在機床上的無桿氣缸，實現水平方向移動；連接在無桿氣缸滑塊上的三桿氣缸，實現豎直方向移動，以及連在三桿氣缸下方的氣動手指，實現夾緊動作。搬運定位采用電磁限位開關與機械擋塊相結合的定位方式。如當無桿氣缸的滑塊運動至最右端，觸碰到右限位開關后，停止運動，但因為慣性不能立即停止，所以兩端采用橡膠緩沖，之后便緊靠擋塊定位[2]，結構如圖2所示。

圖2 氣動機械手結構圖

當上料臺運送上來一根活塞桿時，無桿氣缸位于連接板右端，三桿氣缸向下運動，依靠下限位開關停到指定位置，氣動手指夾緊活塞桿零件，停頓后向上運動直到接觸上限位開關停止運動。接著，無桿氣缸的滑塊向左端滑動，依靠左限位開關停在左端極限位置，然后無桿氣缸向下運動，將工件落在V型塊和輔助支撐上，氣動手指松開，停頓后按運動路徑向上運動及水平移動返回上料初始位置。當零件被加工完成后，另一個機械手取走工件，實現自動下料。

3 氣動系統設計

氣壓傳動系統根據機械手的動作軌跡通過電磁閥設計實現各氣缸活塞桿的往復作用。電磁閥YA1、YA2控制無桿氣缸水平方向移動，電磁閥YA3、YA4控制三桿氣缸豎直方向移動，電磁閥YA5、YA6氣動手指夾緊、松開動作。限位開關sQ0、sQ1用于實現豎直方向限位，限位開關sQ0、sQ1用于實現水平方向限位[3]。氣動原理圖如圖3所示。

4 機械手虛擬仿真研究

機構虛擬運動仿真技術就是通過對機構添加運動副、驅動器，使其運動起來，實現機構的運動模擬。通過仿真研究可以在任意時刻查看各個組成部件的位置、速度、加速度、軌跡、位移、運動干涉等參數并加以分析，根據結果調整模型設計，以達到最優的零件機構配置。機構仿真還可以分析力與運動之間的關系，分析運動量以及運動副之間的相互關系，實時測量指定部分的各種運動參數并繪制相應的曲線、圖表，以便直觀了解運動主體上某點的運動軌跡[4-5]。

圖3 氣動原理圖

本文在分析機械手工作原理的基礎上，通過計算進行氣缸選型，再通過三維設計軟件Pro/E對機械手各部分進行具體設計，實現三維實體造型。通過Pro/E-Assembly裝配模塊完成各零件的組裝，形成整機。然后，設置運動環境，定義機械系統運動所必需的各種條件，如動力源、初始位置和狀態等，分析運動機構是定義要分析的屬性。將分析結果通過可視化方法表現出來，可分析干涉檢驗、運動包絡等，還可測量系統中需要跟蹤參數，并將其變化趨勢通過圖形的形式直觀表現出來[6-7]。

基于以上有關Pro/E機構運動學仿真與分析的相關步驟，結合本設計工序動作要求，對其進行動畫仿真，實現如下各個動作：滑塊右行—三桿氣缸向下伸出—抓取工件—三桿氣缸向上返回—滑塊左行—三桿氣缸向下伸出—松開工件。

無桿氣缸滑塊的運動規律曲線如圖4所示。

由滑塊運動規律曲線可知，滑塊最大行程約為620mm，運動時間約為60s。運動過程中，滑塊開始滑動時速度較大，之后開始減小，通過中點后反向增大，而在整個運動過程中加速度較小，且無太大變化。

三桿氣缸的運動規律曲線如圖5所示。

由三桿氣缸運動規律曲線可知氣缸活塞最大行程約為280mm，伸縮運動一次時間約為35s。速度變化規律類似三角函數，呈簡諧運動規律，而在整個運動過程中，加速度無明顯變化。

圖4 無桿氣缸滑塊的運動規律曲線

圖5 三桿氣缸的運動規律曲線

氣動手指的運動規律曲線如圖6所示。

圖6 氣動手指的運動規律曲線

由氣動手指運動規律曲線可知，手指行程約為20mm，夾持一次所需時間約為15s。在夾緊與松開的時候，加速度有突變，且夾緊時加速度突然增大，松開時加速度減小。

仿真動畫顯示，機械手整機運動平穩，結構各部件無干涉。由各氣缸運動規律曲線可知，機械手整機機構的水平和豎直方向位移曲線光滑，而速度變化均較小，表明機械手在運動過程中產生的慣性力和慣性力矩較小。通過仿真分析，所設計的機械手各組成機構運行及定位均滿足工作要求。仿真結果顯示氣動搬運機械手可按要求完成運動路徑。

5 結論

基于虛擬仿真技術，采用Pro/E軟件設計實現了搬運機械手三維實體模型，并對機械手進行運動學仿真。通過仿真得到機械手的運動仿真動畫及運動規律曲線。仿真結果表明：設計的機械手結構設計合理，運行平穩，能有機結合在一起工作，可用于桿類零件運輸，實現上下料自動化。同時，仿真得到的參數可為實物樣機的研制提供參考依據，有效縮短開發周期并降低設計成本。