气动搬运机械手机械结构设计策略

倪海洋 寿沣 方卫春

浙江亚太机电股份有限公司/浙江大华技术股份有限公司 浙江杭州 310053

机械手能够对人的手和手臂的功能进行模仿，并能够按照固定的程序来实现对物件的搬运和抓取，属于机械电子装置的一种。气动搬运机械手的投入使用，大大减小了人们的生活压力和劳动量，大大提高了生产活动中的自动化水平和机械化水平，在我国的机械制造业、电子、冶金、原子能以及轻工等行业获得了广泛的应用，有效保证了工作人员的人身安全。气动搬运机械手通过对空气的压缩实现工作，具备多种优势，例如轻便、环保、节能、动作迅速等，应用较为广泛。

1 气动搬运机械手机械结构设计总体方案

按照机械手臂运行形式及其组合的不同，气动搬运机械手形式可分为圆柱座标式、直角座标式、关节式、球座标式等几种形式。在此，以圆柱座标式的气动搬运机械手为研究对象，气动搬运机械手主要包括手部、手腕、手腕回转气缸、手臂、手臂伸缩气缸、底座、立柱、立柱升降气缸、立柱回转气缸、基体等部分，有手臂升降、手腕回转、手臂伸缩等多个自由度运动[1]。

2 气动搬运机械手手部结构设计分析

2.1 夹持类型手部结构工作的原理分析

一般情况下，可以按照标准划分气动搬运机械手手部结构得到以下两种类型：第一个是夹持式手部；第二种是气流负压式手部，本次研究着重介绍夹持式手部，在有效配合手爪与传力机构两个部分的基础上来实现人手功能的有效模仿。倘若气动搬运机械手是齿轮齿条式的一种手部结构的话，那么配合一支点跟两指。圆柱形是大部分气动搬运机械手中工件的形状。所以，在设计气动搬运机械手中的手指部分的过程中，需要按照相关的原则将其设计成V 型形状，配合齿轮齿条两个部分，实现手指之间的开闭操作，并且还需要在活塞杆位置上完成相应的齿条固定的操作，对于手指部分，则需要按照标准完成齿轮的有效固定。在实际工作中，倘若活塞杆向下操作情况存在，那么齿条也需要满足其向下的标准进行运动，其中，右面的齿轮需要配合进行逆时针运动，左面的齿轮需要配合进行顺时针运动，这时候就会张开气动搬运机械手手指，想要实现手指的闭合，就应逆向操作。

2.2 计算气动搬运机械手驱动力和夹紧力

在气动搬运机械手的应用过程中，工件所承受的手指施加的夹紧力，用N 表示，驱动力用F 来表示，假设工件的重量是5kg，手指V 的角度在w=120°，R=24mm，b=120mm。工件所需的夹紧力就可以使用下列公式进行计算：

N ≥K1K2K3G

在齿轮齿条传动的条件下，K1 的拿权系数取数值1．5，而工件所具备的最大加速度a=0．3kg/s2，工件由于重力而产生的加速度是g=9．8kg/s2的话，工作情况系数K2 就用下列数值表示：K2=1+a/g=1．03，K3=0．5，将已知数值带入上述所说的公式就可以求出工件所需的夹紧力：

N=K1K2K3G=1．5×1．03×0．5×5×9．8=37．9N

手部完成动作所需的驱动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 的话，那么气动搬运机械手所需的实际驱动力是：

F 实际=F/η=379/0．94=403N

3 气动搬运机械手手腕结构与气压系统的设计分析

3.1 气动搬运机械手手腕结构设计

在进行气动搬运机械手手腕设计的过程中，需要重视手腕位置的设计。手腕是手部与手臂之间的重要部件。主要的目的是完成手部动作的针对调整，这样一来，就可以从根本上满足模仿人手动作的标准。在一般情况下，气动搬运机械手需要具备非常高的通用性以及实用性，所以，应该从根本上水平放置机械手中的全部工件，所以，在手腕设计的过程中，争取使用回转结构进行设计，同时还需要使用单叶片回转气缸进行辅助，需要从根本上满足机械手最基本动作的标准需要。在进行手腕部位设计的过程中，定片和缸体两者之间的固定连接使用的是螺钉，固定连接动片和回转轴两者使用的是螺钉，同时还可以将手腕位置的气腔分成两个部分，主要的依据是动片，上述这种设计形式主要的目的是实现手腕设计的简便化以及紧凑化[2]。

3.2 气动搬运机械手手腕结构气压系统设计

根据本气动搬运机械的动作要求进行气压系统设计。本系统有两个气缸，一个是大气缸，另一个是小气缸。大气缸主要作用是操控机械手的提升、下降两个动作，小气缸主要作用是操控手爪抓取动。在机械手动作过程中，大小气缸一同伸出，大气缸被提起，小气缸中的活塞杆向储气罐输入压缩空气，当储气罐空气充满后，大气缸随即下降，埋入水中。此时，工作人员对储气罐气密封情况进行认真观察，判断其质量是否达到合格要求。若要求不符，重新调整；若符合要求，可顺利实现机械手各类操作动作[3]。

4 结语

综上所述，气动搬运机械手可以从根本上实现人手动作模拟的构建，主要的基础是气压传动作用的使用。气动搬运机械手动作非常的迅速，且还存在非常良好的适用性，其反应的速度也非常的快等，同时还具有非常高的稳定性以及针对性，所以基本上不会对环境造成严重的影响，并且也能正常的工作。在使用的过程中，气动搬运机械手存在不明显的泄漏情况等，所以，不会增加相应的环境污染程度，并且其所耗费的制作资金成本和设计资金成本还是比较低的，所以对于气动搬运机械手的开发，很多企业还是非常愿意投入资金的。所以，气动搬运机械手可以实现大范围的针对推广以及使用，在我国制造业、货运等多个生产领域中，气动搬运机械手都有使用的情况。在实际操作的过程中，可以选择PLC 编程的使用来实现气动搬运机械手的针对有效的控制，这样一来，在操作的过程中气动搬运机械手就可以具备非常高的生产可靠性以及标准性，其存在的灵活性非常的显著，并且还会存在非常高的通用性。