氣動平衡裝填機械手技術(shù)研究

劉 威，姚 濤

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

氣動控制和傳動系統(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，廣泛應(yīng)用于汽車制造行業(yè)、電子制造行業(yè)和生產(chǎn)自動化等行業(yè)。氣動平衡裝填機械手采用氣動平衡技術(shù)，實現(xiàn)機械臂和負載重力平衡控制，靠人力或其他外力驅(qū)動氣缸，完成物料裝填工作。結(jié)合工程實例，通過裝填機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)計算，設(shè)計氣動回路，并研制樣機，實現(xiàn)物料裝填，節(jié)省了人力，減輕了勞動強度[1-2]。

1 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計[3-5]

氣動平衡裝填機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)指標見表1。主機結(jié)構(gòu)符合人機工程設(shè)計，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)動的連接靈活的機械臂，工作半徑2 500 mm，可圍繞立柱350度旋轉(zhuǎn)。主要由升降機構(gòu)、平衡器機構(gòu)、夾具翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和夾具夾持機構(gòu)四大部分組成。升降機構(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，便于儲存；上升到最高點時，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。平衡器機構(gòu)實現(xiàn)負載力平衡控制，氣缸靠人手的推力驅(qū)動。夾具翻轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)物料在90度角度空間的任意位置的翻轉(zhuǎn)。夾具抓取機構(gòu)實現(xiàn)對圓柱狀物料夾持。抓取物料狀態(tài)時，機械手三維模型見圖1；裝填物料時間，機械手三維模型見圖2。

表1 相關(guān)基本數(shù)據(jù)

圖1 氣動平衡裝填機械手抓取狀態(tài)

圖2 氣動平衡裝填機械手提升裝填狀態(tài)

主要工作程序：升降機構(gòu)將立柱升到最高位置，操作人員手動驅(qū)動平衡器機構(gòu)下降到最低位置，夾具翻轉(zhuǎn)機構(gòu)將夾具翻轉(zhuǎn)豎直狀態(tài)，夾具抓取機構(gòu)夾住豎直放置圓柱狀物料，操作人員驅(qū)動平衡機構(gòu)提升物料，夾具翻轉(zhuǎn)機構(gòu)翻轉(zhuǎn)物料到一定角度，操作人員驅(qū)動平衡機構(gòu)將物料送入鋼管內(nèi)，松弛夾具抓取機構(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，收攏機械臂。

1.2 力學(xué)分析

（1）平衡器機構(gòu)

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

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

其中，M平衡器為平衡力矩，G負載為負載重量，G機械臂為機械臂自重，L臂為平衡器懸臂夾具到立柱支點的垂直距離，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)機構(gòu)

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)采用曲柄滑塊機構(gòu)，氣缸伸縮過程實際是滑塊往復(fù)運動，曲柄擺動實際是夾具翻轉(zhuǎn)運動。氣缸伸縮過程中，曲柄發(fā)生擺動，擺動角度范圍為90°，運動結(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)氣缸對支點的力臂，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 氣動平衡裝填機械手提升裝填狀態(tài)

由式（6）、（7），可得：

（3）夾具抓取機構(gòu)

夾具抓取機構(gòu)采用對稱布置的曲柄滑塊機構(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 氣動平衡裝填機械手夾具抓取機構(gòu)圖

由作圖法，經(jīng)計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 氣動基本回路設(shè)計

圖5 氣動基本回路

氣動平衡裝填機械手的氣動系統(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個人力控制換向閥（二位三通）驅(qū)動1個氣控換向閥（二位五通），再由氣控換向閥（二位五通）控制3個碟剎氣缸，達到鎖緊或解鎖機械臂目的，見圖5（a）。平衡器控制回路由1個低摩擦力氣缸、1個大流量減壓閥等組成，利用大流量減壓閥與負載進行力平衡控制，低摩擦氣缸減少操作人員驅(qū)動機械臂的手力，見圖5（b）。夾具翻轉(zhuǎn)控制回路主要由2個人力控制換向閥（二位三通）驅(qū)動1個氣控換向閥（三位五通），再由氣控換向閥（三位五通）驅(qū)動1個雙作用缸，實現(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個人力控制換向閥（二位三通）驅(qū)動1個氣控換向閥（三位五通），再由氣控換向閥（三位五通）驅(qū)動1個雙作用缸，實現(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)壓力與負載相匹配。

圖6 氣動平衡裝填機械手抓取圓柱狀物料

3 工程樣機應(yīng)用

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

4 結(jié)論

氣動平衡助力機械手通過壓縮空氣這唯一動力源，結(jié)合多自由度機構(gòu)，實現(xiàn)了對物料抓取，大大減輕了工人的勞動強度，提高自動化程度。

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