基于物料搬運(yùn)三自由度氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)及夾緊氣缸選用

莫 堅(jiān)，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(huì)的發(fā)展及技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工搬運(yùn)已經(jīng)不能適應(yīng)高溫、易燃、易爆等惡劣環(huán)境，機(jī)械手作為一種新興的技術(shù)慢慢應(yīng)用在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)、笨重及危險(xiǎn)的操作中。

機(jī)械手有電動(dòng)式機(jī)械手、油壓機(jī)械手和氣動(dòng)式機(jī)械手3種。電動(dòng)式機(jī)械手和液壓機(jī)械手不能適應(yīng)高溫等惡劣環(huán)境。氣動(dòng)式機(jī)械手主要是用壓力空氣充入氣缸推動(dòng)活塞動(dòng)作來(lái)完成這些簡(jiǎn)單、重復(fù)、笨重及危險(xiǎn)的操作，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、成本較低、控制方便、過(guò)載保護(hù)等特點(diǎn)，因此還可設(shè)計(jì)一些動(dòng)作較復(fù)雜的操作。

本文設(shè)計(jì)了三自由度物料搬運(yùn)機(jī)械手，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下、前后、左右三個(gè)自由度動(dòng)作，穩(wěn)定可靠。

1 三自由度氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

三自由度氣動(dòng)機(jī)械手主要由命令控制系統(tǒng)、位置檢測(cè)系統(tǒng)、氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)四部分組成，如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)機(jī)械手控制原理圖

1.1 命令控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)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(shí)間及速度等)。②壓力空氣根據(jù)指令到達(dá)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(gè)自由度動(dòng)作，還可以通過(guò)節(jié)流閥控制速度和時(shí)間。③位置檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控過(guò)載、動(dòng)作錯(cuò)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(dòng)系統(tǒng)

本系統(tǒng)需要壓力空氣作為動(dòng)力，包括空壓機(jī)、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(cè)裝置

主要是位置檢測(cè)監(jiān)控過(guò)載、動(dòng)作錯(cuò)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(jī)械手的控制精度。

1.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.4.1 手部

手部是搬運(yùn)部件直接接觸部位，有夾持式機(jī)器手和吸附式機(jī)器手2種，吸附式機(jī)器手成本較高，一般運(yùn)用較少，采用的夾持式機(jī)器手由手指和傳動(dòng)力機(jī)構(gòu)組成。手指有回轉(zhuǎn)型和平移型2種運(yùn)動(dòng)方式，平移型運(yùn)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜適合圓形部件。所以本文設(shè)計(jì)的為回轉(zhuǎn)型手指的夾持式機(jī)器手，可以應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。傳動(dòng)力機(jī)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(jī)器手一般由氣缸、連桿機(jī)構(gòu)、氣源等相互協(xié)調(diào)，控制手部來(lái)完成不同的動(dòng)作，把物件搬運(yùn)到指定的位置，是執(zhí)行機(jī)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(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱(chēng)為可移式立柱。

1.4.4 機(jī)座

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

2 三自由度氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理

本文設(shè)計(jì)的三自由度氣動(dòng)機(jī)械手可以完成機(jī)械手的手臂的伸縮、手臂的上下、機(jī)械手的夾緊與旋轉(zhuǎn)(原理見(jiàn)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(jī)械手松開(kāi)，線圈1Y失電，2Y得電，夾緊氣缸充氣機(jī)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(jī)械手手臂伸出，線圈3Y失電，4Y得電，伸縮氣缸排氣機(jī)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(jī)械手手臂上升，線圈5Y，失電6Y，得電升降氣缸排氣機(jī)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(dòng)作線圈7Y由電缸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，線圈8Y由電缸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

1—手動(dòng)塞門(mén)(通斷)；2—總氣缸；3—空氣過(guò)濾器；4—調(diào)壓閥；5—油霧過(guò)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(jì)

本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)中盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)件，減少非標(biāo)零件的設(shè)計(jì)。氣動(dòng)機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。本設(shè)計(jì)主要關(guān)鍵部件式機(jī)械手的夾緊力及驅(qū)動(dòng)力計(jì)算，夾緊力及驅(qū)動(dòng)力主要考慮夾緊氣缸是否能耐受，所以?shī)A緊氣缸的選用尤為重要，本設(shè)計(jì)夾持重量：5 kg(g=9.8 N/kg)。

圖3 氣動(dòng)機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)

3.1 夾緊力計(jì)算

3.2 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

3.3 夾緊氣缸內(nèi)徑D計(jì)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?yàn)椋篎氣缸>F實(shí)際，經(jīng)校核符合要求。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(yǔ)

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