气动搬运机械手的机械结构设计_马青华
第3期（总第133期）机械管理开发
2013年6月气动搬运机械手的机械结构设计
马青华
（伯曼机械制造上海有限公司，上海
201700）
摘要：机械手的应用非常广泛，可以高效完成很多工作。设计一种气动搬运机械手，主要由夹持式手部、手腕、手
臂等结构组成，能实现四自由度的运动，结构简单、成本低，可实现简单的搬运功能。关键词：机械手；搬运；气动;设计中图分类号：TH12
文献标识码：A
文章编号：1003-773X（2013）03-0026-02
0引言
机械手广泛用于机械制造、冶金、电子、轻工等行业[1-4],可以完成很多工作，例如搬运，装配、喷漆等。气动机械手以压缩空气为介质,具有结构简单、重量轻、动作迅速、工作可靠、节能、环保等优点，而被广泛应用。文中介绍柔性生产系统中的气动搬运机械手装置，基于三菱FX系列的PLC实现气动机械手的控制[5-7]，能使手腕旋转、手臂伸缩、手臂升降、手臂回转的四个自由度运动，用以实现搬运功能。1机械手的总体方案设计
按机械手手臂的运动形式及其组合情况，可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。本文机械手采用圆柱座标型式，总体方案，见图1，主要由底座、立柱、手臂、手腕、手部结构组成。具有四个自由度的运动（手腕回转，手臂伸缩、回转、升降）：手臂回转和升降运动是通过机座的立柱实现的，手臂回转通过回转气缸带动立柱旋转实现，手臂升降通过升降气缸带动立柱升降实现；手臂伸缩通过伸缩气缸实现，手指抓取运动通过气缸配合齿轮齿条机构实现；各气缸的控制主要通过PLC实现的。
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文采用夹持式手部，由手指(或手爪)和传力机构组成。传力结构形式较多，例如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。采用齿轮齿条式的手部结构是：一支点两指回转型。由于工件多为圆柱形，手指形状设计成V型，见图2（a），主要通过齿轮齿条相配合实现手指的张开与闭合，齿条固定在活塞杆上，
齿轮固定在手指上，当活塞杆向下移动时，齿条向下移动，
左齿轮顺时针旋转，右齿轮逆时针旋转，
手指张开；相反，齿条随活塞杆向上移动，实现手指闭合。
（a）手部结构简图（b）手部原理简图
图2齿轮齿条式手部结构
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8910
1-手部；2-手腕回转气缸；3-手腕；4-手臂；5-手臂伸缩气缸；6-立柱；
7-立柱升降气缸；8-立柱回转气缸；9-底座；10-基体
图1机械手总体结构
2机械手手部的结构设计
2.1夹持式手部的工作原理
手部结构一般有夹持式和气流负压式吸盘。本
夹紧力及驱动力的计算见图2（b），手指对工件的夹紧力为N，驱动力为F，工件的重量力为5kg，V形手指的角度2ϑ=120°，b=120 mm，R=24 mm。
手指对工件的夹紧力公式[8]为：
N≥K1K2K3G.（1）
齿轮齿条传动，取安全系数K1=1.5，若工件最大加速度取a=0.3 kg/s2，重力加速度g=9.8 kg/s2时，则工作情况系数K2=1+a/g=1.03；若手指是水平放置夹取水平放置的工件，则夹紧力的方位系数取K3=0.5。将已知条件代入式（1）:
N=1.5×1.03×0.5×5×9.8=37.9N.
手部的驱动力为:
F=2bN/R=2×120×37.9/24=379 N.（2）
若取η=0.94，则实际的驱动力为：
F实际=F/η=379/0.94=403 N.
2.2
收稿日期：2013-01-12作者简介：马青华（1974-），男，内蒙古赤峰人，工程师，学士，主要从事机械设计与制造及施工。E-mail：[email protected].
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第3期（总第133期）马青华：气动搬运机械手的机械结构设计2013年6月
所以，夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为403N。确定液压缸的直径按下式：
F实际=0.25π(D2-d2)p.（3）选取活塞杆的直径d=0.5D，压力油的工作压力
p=0.9 MPa，则其缸径D：
D
=
单叶气缸压力P与气缸驱动力矩M的关系[8]如下:
M=0.5pb(R2-r2).（5）气缸动片宽度b=100 mm,气缸内孔半径R=
48 mm,输出轴半径r=13 mm,回转气缸工作压力P=0.4 MPa,将以上数据代入式（5），则驱动力矩：
M=0.5pb(R2-r2)=0.5×0.4×106×
0.1×(0.0482-0.0262)=32.6N⋅m.
=
0.087 m.(4)根据JB826—66，标准液压缸内径系列，选择D=80mm，则活塞杆直径d=0.5D=40mm。3机械手手腕的结构设计
手腕是连接手部和手臂的部件，用以调整或改变方位。考虑到机械手的通用性，由于工件是水平放置，手腕设计成回转结构，选用单叶片回转气缸，见图3。定片与缸体通过螺钉固连，动片与回转轴通过螺钉固连，动片封圈把气腔分隔成两个。当回转气缸的两腔分别通入压缩空气时，驱动动片连同气缸缸体一起转动，即是手腕的回转运动。此手腕具有结构简单和紧凑等优点。
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4结束语
气动搬运机械手采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能；阻力损失和泄漏较小，不会污染环境；同时成本低廉。机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，便于自动控制，因此适用面广，通用性强。
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于复生，沈孝芹，范文利，等．三自由度气动教学机械手的邱家浩，蒋刚．气压式仿人机器人的腰部设计与运动仿真樊明，魏泽鼎，韩提文．封焊机自动上料机械手设计［J］．王海叶．轻型气动平动搬运机械手设计[J]．电气技术与罗庚兴，欧阳锡畅．基于PLC的气动安装搬运机械手设计孙燕良，张厚江，翟艳凤，等．基于PLC气动机械手的研究范金玲.基于PLC的气动机械手控制系统设计［J］．液压与气动，2010（7）：36－38.1996.
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参考文献
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[7][8]
1-回转轴；2-动片；3-动片封圈；4-定片；5-缸体
图3手腕回转气缸简图
TheStructureDesignofPneumaticCarryingManipulator
(BEUMERMachinery(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai201700,China)
Abstract：Manipulatorcancarrymanydutiesandiswideusedinmanyconditionsinordertorealizemechanizationandautomation.Inthepaper,thePneumaticmanipulatorisstudied,whichiscomposedwiththeclampinghand,thewristandthearm,whichcanfinishfourdegreemovementoffreedomandsimplecarryingtasks,andthecharacteristicsisthatthestructureissimpleand,thecostislow.Keywords：manipulator;carrying;pneumatic;design
MAQing-hua
（上接第25页）
ApplicationofRadioFrequencyIdentificationTechnologyTrafficofThing
(1.TheXinjiangUygurSpecialEquipmentInspectionInstitute,Urumqi830011,China;
GANQin-yu1,CHENYu-feng2
Abstract：Radiofrequencyidentificationtechnologyhastheadvantagesofnon-contact,canrealizeautomation,two-waycommunicationandofintelligenttraffic,thenthingsintothenetworkofintelligenttransportation,realizetheRFIDtechnologyandcontentnetworkingtechnolo⁃giesandappliedinintelligenttransportation,intelligenttransportationthingsnetworkingdevelopmentandprovidesomeideastorealize.Keywords：radiofrequencyidentification;trafficinformationcollection;intelligenttransportationcontentnetworking
2.XinjiangZhongtaiChemicalFukangEnergyCo.,Ltd,Fukang831500,China)
othercharacteristics,thistechnologywerereviewedinthisarticleisintroduced,theuseofitsadvantages,thetechnologyandthecombination
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