氣動搬運機械手機械結構設計策略

倪海洋 壽灃 方衛春

浙江亞太機電股份有限公司/浙江大華技術股份有限公司 浙江杭州 310053

機械手能夠對人的手和手臂的功能進行模仿，并能夠按照固定的程序來實現對物件的搬運和抓取，屬于機械電子裝置的一種。氣動搬運機械手的投入使用，大大減小了人們的生活壓力和勞動量，大大提高了生產活動中的自動化水平和機械化水平，在我國的機械制造業、電子、冶金、原子能以及輕工等行業獲得了廣泛的應用，有效保證了工作人員的人身安全。氣動搬運機械手通過對空氣的壓縮實現工作，具備多種優勢，例如輕便、環保、節能、動作迅速等，應用較為廣泛。

1 氣動搬運機械手機械結構設計總體方案

按照機械手臂運行形式及其組合的不同，氣動搬運機械手形式可分為圓柱座標式、直角座標式、關節式、球座標式等幾種形式。在此，以圓柱座標式的氣動搬運機械手為研究對象，氣動搬運機械手主要包括手部、手腕、手腕回轉氣缸、手臂、手臂伸縮氣缸、底座、立柱、立柱升降氣缸、立柱回轉氣缸、基體等部分，有手臂升降、手腕回轉、手臂伸縮等多個自由度運動[1]。

2 氣動搬運機械手手部結構設計分析

2.1 夾持類型手部結構工作的原理分析

一般情況下，可以按照標準劃分氣動搬運機械手手部結構得到以下兩種類型：第一個是夾持式手部；第二種是氣流負壓式手部，本次研究著重介紹夾持式手部，在有效配合手爪與傳力機構兩個部分的基礎上來實現人手功能的有效模仿。倘若氣動搬運機械手是齒輪齒條式的一種手部結構的話，那么配合一支點跟兩指。圓柱形是大部分氣動搬運機械手中工件的形狀。所以，在設計氣動搬運機械手中的手指部分的過程中，需要按照相關的原則將其設計成V 型形狀，配合齒輪齒條兩個部分，實現手指之間的開閉操作，并且還需要在活塞桿位置上完成相應的齒條固定的操作，對于手指部分，則需要按照標準完成齒輪的有效固定。在實際工作中，倘若活塞桿向下操作情況存在，那么齒條也需要滿足其向下的標準進行運動，其中，右面的齒輪需要配合進行逆時針運動，左面的齒輪需要配合進行順時針運動，這時候就會張開氣動搬運機械手手指，想要實現手指的閉合，就應逆向操作。

2.2 計算氣動搬運機械手驅動力和夾緊力

在氣動搬運機械手的應用過程中，工件所承受的手指施加的夾緊力，用N 表示，驅動力用F 來表示，假設工件的重量是5kg，手指V 的角度在w=120°，R=24mm，b=120mm。工件所需的夾緊力就可以使用下列公式進行計算：

N ≥K1K2K3G

在齒輪齒條傳動的條件下，K1 的拿權系數取數值1．5，而工件所具備的最大加速度a=0．3kg/s2，工件由于重力而產生的加速度是g=9．8kg/s2的話，工作情況系數K2 就用下列數值表示：K2=1+a/g=1．03，K3=0．5，將已知數值帶入上述所說的公式就可以求出工件所需的夾緊力：

N=K1K2K3G=1．5×1．03×0．5×5×9．8=37．9N

手部完成動作所需的驅動力可以使用下列公式求出：

F=2bN/R=2×120×37．9/24=379N

如果η 的取值是0．94 的話，那么氣動搬運機械手所需的實際驅動力是：

F 實際=F/η=379/0．94=403N

3 氣動搬運機械手手腕結構與氣壓系統的設計分析

3.1 氣動搬運機械手手腕結構設計

在進行氣動搬運機械手手腕設計的過程中，需要重視手腕位置的設計。手腕是手部與手臂之間的重要部件。主要的目的是完成手部動作的針對調整，這樣一來，就可以從根本上滿足模仿人手動作的標準。在一般情況下，氣動搬運機械手需要具備非常高的通用性以及實用性，所以，應該從根本上水平放置機械手中的全部工件，所以，在手腕設計的過程中，爭取使用回轉結構進行設計，同時還需要使用單葉片回轉氣缸進行輔助，需要從根本上滿足機械手最基本動作的標準需要。在進行手腕部位設計的過程中，定片和缸體兩者之間的固定連接使用的是螺釘，固定連接動片和回轉軸兩者使用的是螺釘，同時還可以將手腕位置的氣腔分成兩個部分，主要的依據是動片，上述這種設計形式主要的目的是實現手腕設計的簡便化以及緊湊化[2]。

3.2 氣動搬運機械手手腕結構氣壓系統設計

根據本氣動搬運機械的動作要求進行氣壓系統設計。本系統有兩個氣缸，一個是大氣缸，另一個是小氣缸。大氣缸主要作用是操控機械手的提升、下降兩個動作，小氣缸主要作用是操控手爪抓取動。在機械手動作過程中，大小氣缸一同伸出，大氣缸被提起，小氣缸中的活塞桿向儲氣罐輸入壓縮空氣，當儲氣罐空氣充滿后，大氣缸隨即下降，埋入水中。此時，工作人員對儲氣罐氣密封情況進行認真觀察，判斷其質量是否達到合格要求。若要求不符，重新調整；若符合要求，可順利實現機械手各類操作動作[3]。

4 結語

綜上所述，氣動搬運機械手可以從根本上實現人手動作模擬的構建，主要的基礎是氣壓傳動作用的使用。氣動搬運機械手動作非常的迅速，且還存在非常良好的適用性，其反應的速度也非常的快等，同時還具有非常高的穩定性以及針對性，所以基本上不會對環境造成嚴重的影響，并且也能正常的工作。在使用的過程中，氣動搬運機械手存在不明顯的泄漏情況等，所以，不會增加相應的環境污染程度，并且其所耗費的制作資金成本和設計資金成本還是比較低的，所以對于氣動搬運機械手的開發，很多企業還是非常愿意投入資金的。所以，氣動搬運機械手可以實現大范圍的針對推廣以及使用，在我國制造業、貨運等多個生產領域中，氣動搬運機械手都有使用的情況。在實際操作的過程中，可以選擇PLC 編程的使用來實現氣動搬運機械手的針對有效的控制，這樣一來，在操作的過程中氣動搬運機械手就可以具備非常高的生產可靠性以及標準性，其存在的靈活性非常的顯著，并且還會存在非常高的通用性。