气动搬运机械手的机械结构设计

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机械手广泛用于机械制造、冶金、电子、轻工等行业” ，可以完成很多工作，例如搬运，装配、喷漆等。气动机械手以压缩空气为介质，具有结构简单、重量轻、动作迅速、工作可靠、节能、环保等优点，而被广泛应用。文中介绍柔性生产系统中的气动搬运机械手装置，基于三菱FX系列的PLC实现气动机械手的控制 。 ，能使手腕旋转、手臂伸缩、手臂升降、手臂回转的四个自由度运动，用以实现搬运功能。

1 机械手的总体方案设计按机械手手臂的运动形式及其组合情况，可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。本文机械手采用圆柱座标型式，总体方案，见 图1，主要由底座、立柱、手臂、手腕、手部结构组成。具有四个自由度的运动(手腕回转，手臂伸缩、回转、升降)：手臂回转和升降运动是通过机座的立柱实现的，手臂回转通过回转气缸带动立柱旋转实现，手臂升降通过升降气缸带动立柱升降实现；手臂伸缩通过伸缩气缸实现，手指抓取运动通过气缸配合齿轮齿条机构实现；各气缸的控制主要通过PLC实现的。

1-手部；2-手腕回转气缸；3-手腕；4-手臂；5-手臂伸缩气缸；6-立柱；7-立柱升降气缸；8-立柱回转气缸；9-底座；10-基体图1 机械手总体结构2 机械手手部的结构设计2.1 夹持式手部的工作原理手部结构-般有夹持式和气流负压式吸盘。本文采用夹持式手部，由手指(或手爪)和传力机构组成。传力结构形式较多，例如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。采用齿轮齿条式的手部结构是：-支点两指回转型。由于工件多为圆柱形，手指形状设计成V型，见图2(a)，主要通过齿轮齿条相配合实现手指的张开与闭合，齿条固定在活塞杆上，齿轮固定在手指上，当活塞杆向下移动时，齿条向下移动，左齿轮顺时针旋转，右齿轮逆时针旋转，手指张开；相反，齿条随活塞杆向上移动，实现手指闭合。

(a)手邵结构简图 (b)手邵原理简 幽图2 齿轮齿条式手部结构2.2 夹紧力及驱动力的计算见图2(b)，手指对工件的夹紧力为Ⅳ，驱动力为工件的重量力为5 kg，V形手指的角度 2 120。，b120mm，R24mm 。

手指对工件的夹紧力公式 为：N≥KlK2 G. (i)齿轮齿条传动，炔全系数KI1.5，若工件最大加速度取 0.3kg/s ，重力加速度 譬9.8kg/s时，则工作情况系数K21a/g1.03；若手指是水平放置夹取水平放置的工件，则夹紧力的方位系数取K30.5～已知条件代人式(1)：N1.5×1.03×0.5×5×9.837.9 N。

手部的驱动力为：F：26N/R2×120×37.9/24379N. (2)若取r/0.94，则实际的驱动力为：F实际F/r]379/0.94403N。

收稿日期：2013-01-12作者简介：-2 (1974-)，男，内蒙古赤峰人，工程师，学士，主要从事机械设计与制造及施工。E-mail：qinghuama###beume玛mup.c0m· 26·第3期(总第133期) 马青华：气动搬运机械手的机械结构设计所以，夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为403 N。

确定液压缸的直径按下式：F实际0.25"r(D ～d ) . (3)选阮塞杆的直径 0.5D，压力油的工作压力P0.9 MPa，则其缸径 ：D：f- - 4x403 ：0.087m.f4) J11 (1-0.5 ) .14X0. X10 ×0.75 、根据 JB 826-66，标准液压缸内径系列，选择D80 mm，则活塞杆直径 0.5D40 mm。

3 机械手手腕的结构设计手腕是连接手部和手臂的部件，用以调整或改变方位〖虑到机械手的通用性，由于工件是水平放置，手腕设计成回转结构，选用单叶片回转气缸，见图3。

定片与缸体通过螺钉固连，动片与回转轴通过螺钉固连，动片封圈把气腔分隔成两个。当回转气缸的两腔分别通人压缩空气时，驱动动片连同气缸缸体-起转动，即是手腕的回转运动。此手腕具有结构简单和紧凑等优点。

1-回转轴；2-动片；3-动片封圈；4-定片；5-缸体图3 手腕回转气缸简图单叶气缸压力P与气缸驱动力矩 的关系嘲如下：M0.5pb(R -r2). (5)气缸动片宽度 b100mlTl，气缸内孔半径 R48mm，输出轴半径 r131Tim，回转气缸工作压力P0.4MPa，将以上数据代入式(5)，则驱动力矩：MO.5pb(R -r 10.5X0.4X 10 X0.1 X(0.048 -O.026 )32.6 N ·ITI。

4 结束语气动搬运机械手采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能；阻力损失和泄漏较小，不会污染环境；同时成本低廉。机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，便于自动控制，因此适用面广，通用性强。