莫 堅，左繼紅

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

0 引言

隨著社會的發(fā)展及技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工搬運已經(jīng)不能適應(yīng)高溫、易燃、易爆等惡劣環(huán)境，機械手作為一種新興的技術(shù)慢慢應(yīng)用在一些簡單、重復(fù)、笨重及危險的操作中。

機械手有電動式機械手、油壓機械手和氣動式機械手3種。電動式機械手和液壓機械手不能適應(yīng)高溫等惡劣環(huán)境。氣動式機械手主要是用壓力空氣充入氣缸推動活塞動作來完成這些簡單、重復(fù)、笨重及危險的操作，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、成本較低、控制方便、過載保護等特點，因此還可設(shè)計一些動作較復(fù)雜的操作。

本文設(shè)計了三自由度物料搬運機械手，可以實現(xiàn)機械手的上下、前后、左右三個自由度動作，穩(wěn)定可靠。

1 三自由度氣動機械手結(jié)構(gòu)

三自由度氣動機械手主要由命令控制系統(tǒng)、位置檢測系統(tǒng)、氣壓驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)四部分組成，如圖1所示。

圖1 氣動機械手控制原理圖

1.1 命令控制系統(tǒng)

本設(shè)計主要由PLC程序控制系統(tǒng)和定位系統(tǒng)兩部分組成，主要操作如下：①LC程序控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令(作業(yè)操作順序、作業(yè)路線、作業(yè)時間及速度等)。②壓力空氣根據(jù)指令到達不同氣缸(夾緊氣缸、伸縮氣缸、伸降氣缸)，從而可以控制上下、前后、左右三個自由度動作，還可以通過節(jié)流閥控制速度和時間。③位置檢測系統(tǒng)監(jiān)控過載、動作錯誤、系統(tǒng)故障等信息反饋到命令控制系統(tǒng)，從而重新調(diào)整命令。

1.2 氣壓驅(qū)動系統(tǒng)

本系統(tǒng)需要壓力空氣作為動力，包括空壓機、干燥器、調(diào)壓閥、夾緊氣缸、伸縮氣缸、升降氣缸及其他部件。

1.3 位置檢測裝置

主要是位置檢測監(jiān)控過載、動作錯誤、系統(tǒng)故障等信息反饋到命令控制系統(tǒng)并根據(jù)命令不斷調(diào)整，滿足機械手的控制精度。

1.4 執(zhí)行機構(gòu)

1.4.1 手部

手部是搬運部件直接接觸部位，有夾持式機器手和吸附式機器手2種，吸附式機器手成本較高，一般運用較少，采用的夾持式機器手由手指和傳動力機構(gòu)組成。手指有回轉(zhuǎn)型和平移型2種運動方式，平移型運動方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜適合圓形部件。所以本文設(shè)計的為回轉(zhuǎn)型手指的夾持式機器手，可以應(yīng)用于不同的場合。傳動力機構(gòu)的主要工作任務(wù)是把手指的夾緊力傳遞到被抓取的部件。

1.4.2 手臂

吸附式機器手一般由氣缸、連桿機構(gòu)、氣源等相互協(xié)調(diào)，控制手部來完成不同的動作，把物件搬運到指定的位置，是執(zhí)行機構(gòu)的重要部件。

1.4.3 立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。

1.4.4 機座

機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，起到支撐和連接的作用。

2 三自由度氣動機械手結(jié)構(gòu)原理

本文設(shè)計的三自由度氣動機械手可以完成機械手的手臂的伸縮、手臂的上下、機械手的夾緊與旋轉(zhuǎn)(原理見圖2)。夾緊氣缸由電控式二位五通閥7控制，線圈1Y得電，2Y失電，夾緊氣缸排氣機械手松開，線圈1Y失電，2Y得電，夾緊氣缸充氣機械手夾緊，快慢由11、12單向節(jié)流閥控制；伸縮氣缸由電控式二位五通閥8控制，線圈3Y得電，4Y失電，夾緊氣缸排氣機械手手臂伸出，線圈3Y失電，4Y得電，伸縮氣缸排氣機械手手臂回縮，快慢由13、14單向節(jié)流閥控制；升降氣缸由電控式二位五通閥9控制，線圈5Y得電，6Y失電，升降氣缸充氣機械手手臂上升，線圈5Y，失電6Y，得電升降氣缸排氣機械手手臂下降，快慢由15、16單向節(jié)流閥控制；電控式二位五通閥9控制回轉(zhuǎn)氣缸動作線圈7Y由電缸逆時針旋轉(zhuǎn)，線圈8Y由電缸順時針旋轉(zhuǎn)。

1—手動塞門(通斷)；2—總氣缸；3—空氣過濾器；4—調(diào)壓閥；5—油霧過濾器；6—壓力表；7、8、9、10—電控式二位五通閥；11、12、13、14、15、16—單向節(jié)流閥。

3 關(guān)鍵部件(夾緊氣缸)設(shè)計

本設(shè)計要求設(shè)計的氣動機械手滿足系統(tǒng)功能要求，并且在惡劣環(huán)境條件下能夠快速靈活準(zhǔn)確地執(zhí)行命令，在機械設(shè)計中盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)件，減少非標(biāo)零件的設(shè)計。氣動機械手的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。本設(shè)計主要關(guān)鍵部件式機械手的夾緊力及驅(qū)動力計算，夾緊力及驅(qū)動力主要考慮夾緊氣缸是否能耐受，所以夾緊氣缸的選用尤為重要，本設(shè)計夾持重量：5 kg(g=9.8 N/kg)。

圖3 氣動機械手的整體結(jié)構(gòu)

3.1 夾緊力計算

3.2 驅(qū)動力計算

3.3 夾緊氣缸內(nèi)徑D計算

內(nèi)徑不低于37 mm，內(nèi)徑D取整40 mm。

3.4 夾緊氣缸內(nèi)徑D取40 mm校核

因為：F氣缸>F實際，經(jīng)校核符合要求。

根據(jù)經(jīng)驗氣缸內(nèi)活塞桿直徑d和氣缸內(nèi)徑D比值一般0.2～0.3；氣缸內(nèi)活塞桿直徑:d=(0.2～0.3)D=8～12 mm。圓整后，取活塞桿直徑d=12 mm。

3.5 夾緊氣缸缸筒外徑計算

缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:

δ=DPP/2[σ]

式中:δ為 缸筒壁厚，mm；D為氣缸內(nèi)徑，40 mm；PP為實驗壓力，取PP=1.2 P=6×105Pa，缸筒材料為ZL3，[σ]=3 MPa，代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:

δ=DPP/2[σ] =40×6×105/2×3×106=4 mm

取δ=4 mm，則缸筒外徑為:D=40+4×2 =48 mm。

根據(jù)要求設(shè)計盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)間，經(jīng)選擇SC-40×50型的夾緊氣缸滿足要求。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的三自由度物料搬運機械手適合在高溫、易燃、易爆等惡劣環(huán)境下進行一些重復(fù)簡單及笨重的工作。本文對控制原理及工作原理進行了分析，對關(guān)鍵部件進行了闡述，最后假定了最大抓取重量5 kg。對關(guān)鍵部件夾緊氣缸進行了設(shè)計、計算、校核，并選用標(biāo)準(zhǔn)SC-40×50型夾緊氣缸。