气动平衡装填机械手技术研究

刘 威，姚 涛

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

气动控制和传动系统以其装置结构简单、输出力及工作速度的调节容易、可靠性高，使用寿命长等优点，广泛应用于汽车制造行业、电子制造行业和生产自动化等行业。气动平衡装填机械手采用气动平衡技术，实现机械臂和负载重力平衡控制，靠人力或其他外力驱动气缸，完成物料装填工作。结合工程实例，通过装填机械手结构设计和力学计算，设计气动回路，并研制样机，实现物料装填，节省了人力，减轻了劳动强度[1-2]。

1 机械手结构设计和力学分析

1.1 结构设计[3-5]

气动平衡装填机械手主要功能是将圆柱状物料从地面竖直状态抓取，与水平方向成一定角度装入圆管内，其主要技术指标见表1。主机结构符合人机工程设计，提供所需的垂直方向和水平方向的最大行程，设有可转动的连接灵活的机械臂，工作半径2 500 mm，可围绕立柱350度旋转。主要由升降机构、平衡器机构、夹具翻转机构和夹具夹持机构四大部分组成。升降机构主要用于立柱的升降，下降到最低可以将主体结构收拢，便于储存；上升到最高点时，系统进入工作状态。平衡器机构实现负载力平衡控制，气缸靠人手的推力驱动。夹具翻转机构实现物料在90度角度空间的任意位置的翻转。夹具抓取机构实现对圆柱状物料夹持。抓取物料状态时，机械手三维模型见图1；装填物料时间，机械手三维模型见图2。

表1 相关基本数据

图1 气动平衡装填机械手抓取状态

图2 气动平衡装填机械手提升装填状态

主要工作程序：升降机构将立柱升到最高位置，操作人员手动驱动平衡器机构下降到最低位置，夹具翻转机构将夹具翻转竖直状态，夹具抓取机构夹住竖直放置圆柱状物料，操作人员驱动平衡机构提升物料，夹具翻转机构翻转物料到一定角度，操作人员驱动平衡机构将物料送入钢管内，松弛夹具抓取机构，继续重复装填物料。装填工作完成后，立柱下降到最低位置，收拢机械臂。

1.2 力学分析

（1）平衡器机构

平衡器机构主要由折返臂机构、平行四边形连杆机构组成。机械臂采用折返臂结构，全臂长2 500 mm，半臂长1 250 mm。根据平行四边形连杆机构计算分析：机械臂水平位置时，气缸口到连杆铰点距离L1；机械臂最低位置时，气缸口到连杆铰点距离L2；机械臂最高位置时，气缸口到连杆铰点距离L3。机械臂升降的全过程中，气缸往复行程L平衡。

平衡器机构抓取物料时，平行四边形连杆机构的两端力臂相等。

其中，M平衡器为平衡力矩，G负载为负载重量，G机械臂为机械臂自重，L臂为平衡器悬臂夹具到立柱支点的垂直距离，F平衡为平衡器气缸产生的作用力，L平衡为平衡器气缸到立柱支点的垂直距离，P平衡为气缸需要的气体压力，S平衡为有效作用面积，R平衡圆缸半径。

由式（2）、（3），可得：

（2）夹具翻转机构

翻转机构采用曲柄滑块机构，气缸伸缩过程实际是滑块往复运动，曲柄摆动实际是夹具翻转运动。气缸伸缩过程中，曲柄发生摆动，摆动角度范围为90°，运动结构简图如图3所示。

其中，L翻转为翻转气缸有效行程。

其中，M翻为翻转力矩，G物为物料重力，L物为物料重心偏距；F翻为翻转气缸产生的作用力，L翻为翻转气缸对支点的力臂，P翻为翻转气缸需要压力，S翻为翻转气缸的有效作用面积，R翻为圆翻转气缸的半径。

图3 气动平衡装填机械手提升装填状态

由式（6）、（7），可得：

（3）夹具抓取机构

夹具抓取机构采用对称布置的曲柄滑块机构，由作图法，可得气缸往复有效行程为L抓取。

其中，G物为物料重力，F静摩为抓取气缸产生的摩擦力，F抓取为抓取气缸推力，μ静为玻璃缸（圆形）与夹具橡胶的静止摩擦系数，P抓取为抓取气缸气压，S抓取为抓取气缸有效面积，R抓取为圆形抓取气缸的有效半径。

由（9）、（10）可得：

图4 气动平衡装填机械手夹具抓取机构图

由作图法，经计算可得各气缸的主要参数，具体见表2。

表2 各气缸相关基本数据

2 气动基本回路设计

图5 气动基本回路

气动平衡装填机械手的气动系统主要包括碟刹控制回路、平衡器控制回路、夹具翻转控制回路、夹具抓取控制回路四大回路。碟刹控制回路主要由1个人力控制换向阀（二位三通）驱动1个气控换向阀（二位五通），再由气控换向阀（二位五通）控制3个碟刹气缸，达到锁紧或解锁机械臂目的，见图5（a）。平衡器控制回路由1个低摩擦力气缸、1个大流量减压阀等组成，利用大流量减压阀与负载进行力平衡控制，低摩擦气缸减少操作人员驱动机械臂的手力，见图5（b）。夹具翻转控制回路主要由2个人力控制换向阀（二位三通）驱动1个气控换向阀（三位五通），再由气控换向阀（三位五通）驱动1个双作用缸，实现夹具翻转功能，见图5（c）。夹具抓取控制回路与夹具翻转控制回路相似，由2个人力控制换向阀（二位三通）驱动1个气控换向阀（三位五通），再由气控换向阀（三位五通）驱动1个双作用缸，实现夹具抓取功能，见图5（d）。夹具控制回路与夹具翻转控制回路分别通过各自减压阀，调节压力与负载相匹配。

图6 气动平衡装填机械手抓取圆柱状物料

3 工程样机应用

气动平衡装填机械手广泛应用于汽车、发动机装配、化工等行业，在现代工业装配自动化工业起着重要的作用。图6中展示了气动平衡装填机械手如何抓取圆柱状物料。

4 结论

气动平衡助力机械手通过压缩空气这唯一动力源，结合多自由度机构，实现了对物料抓取，大大减轻了工人的劳动强度，提高自动化程度。

［1］钟辉.气动搬运助力平衡系统［J］.科协论谈，2007（6）：7-8.

［2］张宪青，张杨，李修仁.搭载系统气动平衡回路的影响因素分析［J］.液压与气动，2005（6）：11-13.

［3］江凯，杨佳华.电力系统污闪分析及其清扫机械手的设计［J］.机电工程，2012（10）：1183-1186.

［4］曹国军.喷浆机械手轨迹控制研究［J］.机电工程技术，2013（1）：45-48.

［5］肖立军，米学宁，石雷，等.气动平衡助力机械手的原理及应用［J］.制造业自动化，2011（6）：230-232.