倪海洋 壽灃 方衛(wèi)春

浙江亞太機(jī)電股份有限公司/浙江大華技術(shù)股份有限公司 浙江杭州 310053

機(jī)械手能夠?qū)θ说氖趾褪直鄣墓δ苓M(jìn)行模仿，并能夠按照固定的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物件的搬運(yùn)和抓取，屬于機(jī)械電子裝置的一種。氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的投入使用，大大減小了人們的生活壓力和勞動(dòng)量，大大提高了生產(chǎn)活動(dòng)中的自動(dòng)化水平和機(jī)械化水平，在我國(guó)的機(jī)械制造業(yè)、電子、冶金、原子能以及輕工等行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用，有效保證了工作人員的人身安全。氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手通過(guò)對(duì)空氣的壓縮實(shí)現(xiàn)工作，具備多種優(yōu)勢(shì)，例如輕便、環(huán)保、節(jié)能、動(dòng)作迅速等，應(yīng)用較為廣泛。

1 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體方案

按照機(jī)械手臂運(yùn)行形式及其組合的不同，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手形式可分為圓柱座標(biāo)式、直角座標(biāo)式、關(guān)節(jié)式、球座標(biāo)式等幾種形式。在此，以圓柱座標(biāo)式的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手主要包括手部、手腕、手腕回轉(zhuǎn)氣缸、手臂、手臂伸縮氣缸、底座、立柱、立柱升降氣缸、立柱回轉(zhuǎn)氣缸、基體等部分，有手臂升降、手腕回轉(zhuǎn)、手臂伸縮等多個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)[1]。

2 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.1 夾持類型手部結(jié)構(gòu)工作的原理分析

一般情況下，可以按照標(biāo)準(zhǔn)劃分氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)得到以下兩種類型：第一個(gè)是夾持式手部；第二種是氣流負(fù)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(jī)構(gòu)兩個(gè)部分的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)人手功能的有效模仿。倘若氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手是齒輪齒條式的一種手部結(jié)構(gòu)的話，那么配合一支點(diǎn)跟兩指。圓柱形是大部分氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手中工件的形狀。所以，在設(shè)計(jì)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手中的手指部分的過(guò)程中，需要按照相關(guān)的原則將其設(shè)計(jì)成V 型形狀，配合齒輪齒條兩個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)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(yīng)的齒條固定的操作，對(duì)于手指部分，則需要按照標(biāo)準(zhǔn)完成齒輪的有效固定。在實(shí)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其中，右面的齒輪需要配合進(jìn)行逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，左面的齒輪需要配合進(jìn)行順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，這時(shí)候就會(huì)張開氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手指，想要實(shí)現(xiàn)手指的閉合，就應(yīng)逆向操作。

2.2 計(jì)算氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)力和夾緊力

在氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用過(guò)程中，工件所承受的手指施加的夾緊力，用N 表示，驅(qū)動(dòng)力用F 來(lái)表示，假設(shè)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(jìn)行計(jì)算：

N ≥K1K2K3G

在齒輪齒條傳動(dòng)的條件下，K1 的拿權(quán)系數(shù)取數(shù)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(chǎn)生的加速度是g=9．8kg/s2的話，工作情況系數(shù)K2 就用下列數(shù)值表示：K2=1+a/g=1．03，K3=0．5，將已知數(shù)值帶入上述所說(shuō)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(dòng)作所需的驅(qū)動(dòng)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(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手所需的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力是：

F 實(shí)際=F/η=379/0．94=403N

3 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)與氣壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

3.1 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手腕設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要重視手腕位置的設(shè)計(jì)。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(dòng)作的針對(duì)調(diào)整，這樣一來(lái)，就可以從根本上滿足模仿人手動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)。在一般情況下，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手需要具備非常高的通用性以及實(shí)用性，所以，應(yīng)該從根本上水平放置機(jī)械手中的全部工件，所以，在手腕設(shè)計(jì)的過(guò)程中，爭(zhēng)取使用回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要使用單葉片回轉(zhuǎn)氣缸進(jìn)行輔助，需要從根本上滿足機(jī)械手最基本動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)需要。在進(jìn)行手腕部位設(shè)計(jì)的過(guò)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(dòng)片和回轉(zhuǎn)軸兩者使用的是螺釘，同時(shí)還可以將手腕位置的氣腔分成兩個(gè)部分，主要的依據(jù)是動(dòng)片，上述這種設(shè)計(jì)形式主要的目的是實(shí)現(xiàn)手腕設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便化以及緊湊化[2]。

3.2 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)本氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械的動(dòng)作要求進(jìn)行氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)有兩個(gè)氣缸，一個(gè)是大氣缸，另一個(gè)是小氣缸。大氣缸主要作用是操控機(jī)械手的提升、下降兩個(gè)動(dòng)作，小氣缸主要作用是操控手爪抓取動(dòng)。在機(jī)械手動(dòng)作過(guò)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(chǔ)氣罐輸入壓縮空氣，當(dāng)儲(chǔ)氣罐空氣充滿后，大氣缸隨即下降，埋入水中。此時(shí)，工作人員對(duì)儲(chǔ)氣罐氣密封情況進(jìn)行認(rèn)真觀察，判斷其質(zhì)量是否達(dá)到合格要求。若要求不符，重新調(diào)整；若符合要求，可順利實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各類操作動(dòng)作[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手可以從根本上實(shí)現(xiàn)人手動(dòng)作模擬的構(gòu)建，主要的基礎(chǔ)是氣壓傳動(dòng)作用的使用。氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手動(dòng)作非常的迅速，且還存在非常良好的適用性，其反應(yīng)的速度也非常的快等，同時(shí)還具有非常高的穩(wěn)定性以及針對(duì)性，所以基本上不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，并且也能正常的工作。在使用的過(guò)程中，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手存在不明顯的泄漏情況等，所以，不會(huì)增加相應(yīng)的環(huán)境污染程度，并且其所耗費(fèi)的制作資金成本和設(shè)計(jì)資金成本還是比較低的，所以對(duì)于氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的開發(fā)，很多企業(yè)還是非常愿意投入資金的。所以，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)大范圍的針對(duì)推廣以及使用，在我國(guó)制造業(yè)、貨運(yùn)等多個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手都有使用的情況。在實(shí)際操作的過(guò)程中，可以選擇PLC 編程的使用來(lái)實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的針對(duì)有效的控制，這樣一來(lái)，在操作的過(guò)程中氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手就可以具備非常高的生產(chǎn)可靠性以及標(biāo)準(zhǔn)性，其存在的靈活性非常的顯著，并且還會(huì)存在非常高的通用性。