馬青華

（伯曼機械制造上海有限公司，上海 201700）

0 引 言

機械手廣泛用于機械制造、冶金、電子、輕工等行業(yè)[1-4],可以完成很多工作，例如搬運，裝配、噴漆等。氣動機械手以壓縮空氣為介質(zhì),具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、工作可靠、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用。文中介紹柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中的氣動搬運機械手裝置，基于三菱FX系列的PLC實現(xiàn)氣動機械手的控制[5-7]，能使手腕旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉(zhuǎn)的四個自由度運動，用以實現(xiàn)搬運功能。

1 機械手的總體方案設(shè)計

按機械手手臂的運動形式及其組合情況，可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關(guān)節(jié)式。本文機械手采用圓柱座標型式，總體方案，見圖1，主要由底座、立柱、手臂、手腕、手部結(jié)構(gòu)組成。具有四個自由度的運動（手腕回轉(zhuǎn)，手臂伸縮、回轉(zhuǎn)、升降）：手臂回轉(zhuǎn)和升降運動是通過機座的立柱實現(xiàn)的，手臂回轉(zhuǎn)通過回轉(zhuǎn)氣缸帶動立柱旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，手臂升降通過升降氣缸帶動立柱升降實現(xiàn)；手臂伸縮通過伸縮氣缸實現(xiàn)，手指抓取運動通過氣缸配合齒輪齒條機構(gòu)實現(xiàn)；各氣缸的控制主要通過PLC實現(xiàn)的。

圖1 機械手總體結(jié)構(gòu)

2 機械手手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 夾持式手部的工作原理

手部結(jié)構(gòu)一般有夾持式和氣流負壓式吸盤。本文采用夾持式手部，由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)組成。傳力結(jié)構(gòu)形式較多，例如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。采用齒輪齒條式的手部結(jié)構(gòu)是：一支點兩指回轉(zhuǎn)型。由于工件多為圓柱形，手指形狀設(shè)計成V型，見圖2（a），主要通過齒輪齒條相配合實現(xiàn)手指的張開與閉合，齒條固定在活塞桿上，齒輪固定在手指上，當活塞桿向下移動時，齒條向下移動，左齒輪順時針旋轉(zhuǎn)，右齒輪逆時針旋轉(zhuǎn)，手指張開；相反，齒條隨活塞桿向上移動，實現(xiàn)手指閉合。

圖2 齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)

2.2 夾緊力及驅(qū)動力的計算

見圖2（b），手指對工件的夾緊力為N，驅(qū)動力為F，工件的重量力為5 kg，V形手指的角度2?=120°，b=120mm，R=24mm 。

手指對工件的夾緊力公式[8]為：

齒輪齒條傳動，取安全系數(shù)K1=1.5，若工件最大加速度取 a=0.3kg/s2，重力加速度 g=9.8kg/s2時，則工作情況系數(shù)K2=1+a/g=1.03；若手指是水平放置夾取水平放置的工件，則夾緊力的方位系數(shù)取K3=0.5。將已知條件代入式（1）:

手部的驅(qū)動力為:

若取η=0.94，則實際的驅(qū)動力為：

所以，夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為403 N。確定液壓缸的直徑按下式：

選取活塞桿的直徑d=0.5D，壓力油的工作壓力p=0.9MPa，則其缸徑D：

根據(jù)JB 826—66，標準液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=80 mm，則活塞桿直徑d=0.5D=40 mm。

3 機械手手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計

手腕是連接手部和手臂的部件，用以調(diào)整或改變方位。考慮到機械手的通用性，由于工件是水平放置，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，選用單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，見圖3。定片與缸體通過螺釘固連，動片與回轉(zhuǎn)軸通過螺釘固連，動片封圈把氣腔分隔成兩個。當回轉(zhuǎn)氣缸的兩腔分別通入壓縮空氣時，驅(qū)動動片連同氣缸缸體一起轉(zhuǎn)動，即是手腕的回轉(zhuǎn)運動。此手腕具有結(jié)構(gòu)簡單和緊湊等優(yōu)點。單葉氣缸壓力P與氣缸驅(qū)動力矩M的關(guān)系[8]如下:

圖3 手腕回轉(zhuǎn)氣缸簡圖

氣缸動片寬度b=100mm,氣缸內(nèi)孔半徑 R=48mm,輸出軸半徑 r=13mm,回轉(zhuǎn)氣缸工作壓力P=0.4MPa,將以上數(shù)據(jù)代入式（5），則驅(qū)動力矩：

4 結(jié)束語

氣動搬運機械手采用氣壓傳動，動作迅速，反應(yīng)靈敏，工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能；阻力損失和泄漏較小，不會污染環(huán)境；同時成本低廉。機械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，便于自動控制，因此適用面廣，通用性強。

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