劉 威，姚 濤

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

氣動(dòng)控制和傳動(dòng)系統(tǒng)以其裝置結(jié)構(gòu)簡單、輸出力及工作速度的調(diào)節(jié)容易、可靠性高，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車制造行業(yè)、電子制造行業(yè)和生產(chǎn)自動(dòng)化等行業(yè)。氣動(dòng)平衡裝填機(jī)械手采用氣動(dòng)平衡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂和負(fù)載重力平衡控制，靠人力或其他外力驅(qū)動(dòng)氣缸，完成物料裝填工作。結(jié)合工程實(shí)例，通過裝填機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)計(jì)算，設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路，并研制樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)物料裝填，節(jié)省了人力，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度[1-2]。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3-5]

氣動(dòng)平衡裝填機(jī)械手主要功能是將圓柱狀物料從地面豎直狀態(tài)抓取，與水平方向成一定角度裝入圓管內(nèi)，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。主機(jī)結(jié)構(gòu)符合人機(jī)工程設(shè)計(jì)，提供所需的垂直方向和水平方向的最大行程，設(shè)有可轉(zhuǎn)動(dòng)的連接靈活的機(jī)械臂，工作半徑2 500 mm，可圍繞立柱350度旋轉(zhuǎn)。主要由升降機(jī)構(gòu)、平衡器機(jī)構(gòu)、夾具翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和夾具夾持機(jī)構(gòu)四大部分組成。升降機(jī)構(gòu)主要用于立柱的升降，下降到最低可以將主體結(jié)構(gòu)收攏，便于儲(chǔ)存；上升到最高點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。平衡器機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)負(fù)載力平衡控制，氣缸靠人手的推力驅(qū)動(dòng)。夾具翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物料在90度角度空間的任意位置的翻轉(zhuǎn)。夾具抓取機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱狀物料夾持。抓取物料狀態(tài)時(shí)，機(jī)械手三維模型見圖1；裝填物料時(shí)間，機(jī)械手三維模型見圖2。

表1 相關(guān)基本數(shù)據(jù)

圖1 氣動(dòng)平衡裝填機(jī)械手抓取狀態(tài)

圖2 氣動(dòng)平衡裝填機(jī)械手提升裝填狀態(tài)

主要工作程序：升降機(jī)構(gòu)將立柱升到最高位置，操作人員手動(dòng)驅(qū)動(dòng)平衡器機(jī)構(gòu)下降到最低位置，夾具翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將夾具翻轉(zhuǎn)豎直狀態(tài)，夾具抓取機(jī)構(gòu)夾住豎直放置圓柱狀物料，操作人員驅(qū)動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)提升物料，夾具翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)物料到一定角度，操作人員驅(qū)動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)將物料送入鋼管內(nèi)，松弛夾具抓取機(jī)構(gòu)，繼續(xù)重復(fù)裝填物料。裝填工作完成后，立柱下降到最低位置，收攏機(jī)械臂。

1.2 力學(xué)分析

（1）平衡器機(jī)構(gòu)

平衡器機(jī)構(gòu)主要由折返臂機(jī)構(gòu)、平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械臂采用折返臂結(jié)構(gòu)，全臂長2 500 mm，半臂長1 250 mm。根據(jù)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)計(jì)算分析：機(jī)械臂水平位置時(shí)，氣缸口到連桿鉸點(diǎn)距離L1；機(jī)械臂最低位置時(shí)，氣缸口到連桿鉸點(diǎn)距離L2；機(jī)械臂最高位置時(shí)，氣缸口到連桿鉸點(diǎn)距離L3。機(jī)械臂升降的全過程中，氣缸往復(fù)行程L平衡。

平衡器機(jī)構(gòu)抓取物料時(shí)，平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)的兩端力臂相等。

其中，M平衡器為平衡力矩，G負(fù)載為負(fù)載重量，G機(jī)械臂為機(jī)械臂自重，L臂為平衡器懸臂夾具到立柱支點(diǎn)的垂直距離，F(xiàn)平衡為平衡器氣缸產(chǎn)生的作用力，L平衡為平衡器氣缸到立柱支點(diǎn)的垂直距離，P平衡為氣缸需要的氣體壓力，S平衡為有效作用面積，R平衡圓缸半徑。

由式（2）、（3），可得：

（2）夾具翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，氣缸伸縮過程實(shí)際是滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，曲柄擺動(dòng)實(shí)際是夾具翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣缸伸縮過程中，曲柄發(fā)生擺動(dòng)，擺動(dòng)角度范圍為90°，運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

其中，L翻轉(zhuǎn)為翻轉(zhuǎn)氣缸有效行程。

其中，M翻為翻轉(zhuǎn)力矩，G物為物料重力，L物為物料重心偏距；F翻為翻轉(zhuǎn)氣缸產(chǎn)生的作用力，L翻為翻轉(zhuǎn)氣缸對(duì)支點(diǎn)的力臂，P翻為翻轉(zhuǎn)氣缸需要壓力，S翻為翻轉(zhuǎn)氣缸的有效作用面積，R翻為圓翻轉(zhuǎn)氣缸的半徑。

圖3 氣動(dòng)平衡裝填機(jī)械手提升裝填狀態(tài)

由式（6）、（7），可得：

（3）夾具抓取機(jī)構(gòu)

夾具抓取機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱布置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由作圖法，可得氣缸往復(fù)有效行程為L抓取。

其中，G物為物料重力，F(xiàn)靜摩為抓取氣缸產(chǎn)生的摩擦力，F(xiàn)抓取為抓取氣缸推力，μ靜為玻璃缸（圓形）與夾具橡膠的靜止摩擦系數(shù)，P抓取為抓取氣缸氣壓，S抓取為抓取氣缸有效面積，R抓取為圓形抓取氣缸的有效半徑。

由（9）、（10）可得：

圖4 氣動(dòng)平衡裝填機(jī)械手夾具抓取機(jī)構(gòu)圖

由作圖法，經(jīng)計(jì)算可得各氣缸的主要參數(shù)，具體見表2。

表2 各氣缸相關(guān)基本數(shù)據(jù)

2 氣動(dòng)基本回路設(shè)計(jì)

圖5 氣動(dòng)基本回路

氣動(dòng)平衡裝填機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)主要包括碟剎控制回路、平衡器控制回路、夾具翻轉(zhuǎn)控制回路、夾具抓取控制回路四大回路。碟剎控制回路主要由1個(gè)人力控制換向閥（二位三通）驅(qū)動(dòng)1個(gè)氣控?fù)Q向閥（二位五通），再由氣控?fù)Q向閥（二位五通）控制3個(gè)碟剎氣缸，達(dá)到鎖緊或解鎖機(jī)械臂目的，見圖5（a）。平衡器控制回路由1個(gè)低摩擦力氣缸、1個(gè)大流量減壓閥等組成，利用大流量減壓閥與負(fù)載進(jìn)行力平衡控制，低摩擦氣缸減少操作人員驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的手力，見圖5（b）。夾具翻轉(zhuǎn)控制回路主要由2個(gè)人力控制換向閥（二位三通）驅(qū)動(dòng)1個(gè)氣控?fù)Q向閥（三位五通），再由氣控?fù)Q向閥（三位五通）驅(qū)動(dòng)1個(gè)雙作用缸，實(shí)現(xiàn)夾具翻轉(zhuǎn)功能，見圖5（c）。夾具抓取控制回路與夾具翻轉(zhuǎn)控制回路相似，由2個(gè)人力控制換向閥（二位三通）驅(qū)動(dòng)1個(gè)氣控?fù)Q向閥（三位五通），再由氣控?fù)Q向閥（三位五通）驅(qū)動(dòng)1個(gè)雙作用缸，實(shí)現(xiàn)夾具抓取功能，見圖5（d）。夾具控制回路與夾具翻轉(zhuǎn)控制回路分別通過各自減壓閥，調(diào)節(jié)壓力與負(fù)載相匹配。

圖6 氣動(dòng)平衡裝填機(jī)械手抓取圓柱狀物料

3 工程樣機(jī)應(yīng)用

氣動(dòng)平衡裝填機(jī)械手廣泛應(yīng)用于汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、化工等行業(yè)，在現(xiàn)代工業(yè)裝配自動(dòng)化工業(yè)起著重要的作用。圖6中展示了氣動(dòng)平衡裝填機(jī)械手如何抓取圓柱狀物料。

4 結(jié)論

氣動(dòng)平衡助力機(jī)械手通過壓縮空氣這唯一動(dòng)力源，結(jié)合多自由度機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料抓取，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高自動(dòng)化程度。

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