气动机械手回转臂结构设计

工作。

1 气动机械功能以及优点

气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。它巧妙地应用力的平衡原理，使操作者对重物进行相应的位移，就可在空间内平衡移动定位负荷。重物在提升或下降时形成浮动状态，靠气路实现微重力的物料位移，操作力受工件重量影响。无需熟练的点动操作，操作者用手推拉重物，就可以把重物正确地放到空间中的任何位置，或者通过操作台控制工件的位移。可完成以下动作：送料、预夹紧、手臂上升、手臂旋转、小臂伸长、手腕旋转。

图1 机械手回转臂系统工作原理图

气动技术有以下优点：（1）全程平衡、运动顺滑，可使不同物料或工件达到重力平衡状态，实现物料的精确位移操作。（2）空载、满载及处理不同工件时，系统可感知其重量变化，并实现载荷在三维空间中的浮动状态，便于精确定位。（3）刚性手臂可使机械手带工件越过障碍；系统可始终保持机械手头部的水平，发挥高作业性。（4）能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，可适应突然断电等情况。（5）关节刹车装置，具有多个回转关节，以实现广域范围内的物料取置；配备有刹车装置，操作者可在操作过程中随时中断机械手的运动。

2 气动机械手的主要部件和设计要求

选择圆柱坐标式机械手，本设计的机械手具有3个自由度：手臂伸缩；机身回转；机身升降。本设计的机械手主要由3个大部件和3个气缸组成：（1）手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的运动。（2）臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。（3）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。

2.1 对手部设计的要求

机械手的手部是机械手上承担抓取工件的机构，由于被抓取物件（炮弹）的形状近似于圆台，所以，其手爪采用特殊的V字型结构，即手爪的内表面设计成与圆台斜度相同的斜面，即保证了抓取的稳定又不会因“线接触”而影响炮弹的表面质量。通过对平衡气缸内空气压力快速精确的调节，实现对某一重量范围内工件的实时平衡状态。机械手可选择定制功能：平衡系统；垂直提升；负载平衡。设备回转关节设置刹车系统，可在任意所需要的位置刹车，使机械手可以长期或定期保持需要的状态。翻转90度、翻转180度和翻转任意角度（MAX270°）；断气保护：设备被意外断气时，设备上的储气罐装置可保证工人正常完成一个循环工作，然后进入刹车状态。指示功能：负载指示、到位指示。误操作保护功能：工件在悬空时不可被释放。人性化操作手柄：控制按钮和人性化防滑手柄集成一体，让操作人更便捷操纵机体。工件表面保护：夹具接触工件部位装置保护物件，保证工件表面不会被刮伤。高效率工作：夹具设置抓取导向，让工件的拾取更高效。

控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作程序的存储方式有分离存储和集中存储两种。分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存储装置中，如顺序信息存储于插销板、凸轮转鼓、穿孔带内；位置信息存储于时间继电器、定速回转鼓等；集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存储装置内，如磁带、磁鼓等。这种方式使用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合，即连续控制的情况下使用。

2.2 腕部设计计算

考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。腕部采用回转结构，可以实现回转运动，手臂采用双作用式汽缸，可以实现伸缩、升降、回转运动。腕部是将手部和臂部联接的部件，其运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求：回转±90°角速度W=45°/s以最大负荷计算：当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，长度l=650mm。

（1）计算扭矩M1、M2、M摩

设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩M1=F×S =10×9.8×0.2=20（N·M）

油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩M2=F×S=5×9.8×0.1 =5（N·M）

摆动缸的摩擦力矩M摩=F摩×S=6（N·M）

（2）摆动缸的总摩擦力矩M；M=M1+M2+M摩=31（N·M）；W=8Q/（ΦA12-Φmm2）b 所以Q=W（ΦA12-Φmm2）b/8 =28ml/s

3 机械手回转臂的结构优化措施

伸缩手臂在进行运动时，为防止手臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。伸缩手臂的导向装置需根据伸缩手臂的安装形式、结构及负荷等条件来确定。常用的有单导向杆和双导向杆。在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难，将旋转气缸安装在底板上，实现机械手的回转运动，使机械手向左或向右摆动。机械手末端执行器的水平伸缩运动和竖直升降运动各由一个气缸控制，即以最简单的形式，在两个位置（完全伸出和回缩位置）之间进行切换。

结构优化：（1）由于最大应力出现在齿轮的齿根处，所以，为了减小应力给齿轮寿命带来的影响，应采用热处理方法增强齿根强度。（2）由于最大变形出现在手爪受压的地方，长期使用定会加剧磨损，从而间接影响炮弹在检测平台上的位置。因此，对于下半部分手爪结构进行热处理，以增强其耐磨性和强度。

4 结束语

本文所设计的气动机械手结构比较简单，功能比较简单，设计比较合理，能够满足部分不同形状的工件的转移、夹取、安装等功能，方便快捷。气动机械手回转臂在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。

参考文献

[1]周惠明.关节型机械手的结构创新设计[J].煤矿机械，2007（10）.

[2]彭光正，申珉珉，张宏立，范伟.一种新型气动混联运动模拟器的结构设计[J].机床与液压，2010（9）.