劉晨敏

（重慶財經(jīng)學(xué)院物流工程學(xué)院， 重慶 401320）

引言

移載機械手作為一種智能輔助設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、省時省力的特點，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各個領(lǐng)域，如物料的轉(zhuǎn)移、搬運、定位、裝配等場合[1]。本文涉及的中大口徑長軸類圓柱型產(chǎn)品，具有口徑較大、長度較長、質(zhì)量較重等特點，其在裝配完成后的長度約為1.6 m，質(zhì)量在50 kg 以上，如果全由人力來進行裝卸和運輸，則工人的勞動強度將非常大，同時勞動效率也比較低下。因此，本文針對產(chǎn)品特點設(shè)計了一種專用的氣動平衡移載機械手，主要用于產(chǎn)品的裝配、檢測和包裝過程的搬運，工人只需使用較小的推力或拉力就可以輕松實現(xiàn)產(chǎn)品的自由移載，采用的全氣動控制系統(tǒng)也簡化了設(shè)備的控制方式，便于人員操作。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所述的氣動平衡移載機械手包括機械部分和控制部分，機械部分包括機械臂及夾具，機械臂的旋轉(zhuǎn)半徑不小于3 m，垂直升降高度不小于1 m，夾具可滿足質(zhì)量50 kg 產(chǎn)品的自由移載。

1.1 機械臂設(shè)計

機械臂的機構(gòu)簡圖如圖1 所示，主要包括立柱、上臂、懸臂1、懸臂2 和扶手。立柱與上臂、懸臂1 與懸臂2、懸臂2 與扶手分別通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接，所設(shè)置的3 個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)可保證機械臂在水平360°范圍內(nèi)夾取任意形態(tài)擺放的產(chǎn)品。上臂與懸臂1 通過移動關(guān)節(jié)連接，移動關(guān)節(jié)伸縮所提供的俯仰功能可使機械臂達到高度范圍內(nèi)的任一位置。

依據(jù)圖1 機構(gòu)簡圖，本文繪制的機械臂模型如圖2 所示。移動關(guān)節(jié)由一根大口徑的平衡氣缸來驅(qū)動，通過氣缸缸桿的伸出與縮回來實現(xiàn)垂直方向的俯仰動作。3 個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)由空壓蝶式制動器來實現(xiàn)，自由狀態(tài)下空壓蝶式制動器充氣處于制動狀態(tài)，當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)機械臂時，按下對應(yīng)的開關(guān)按鈕，空壓蝶式制動器泄氣解除制動，工人只需使用較小的力就可自由轉(zhuǎn)動機械臂，到達預(yù)定位置后再松開按鈕，機械臂保持制動狀態(tài)不變。

圖1 機械臂機構(gòu)簡圖

圖2 機械臂模型

1.2 夾具設(shè)計

夾具的機構(gòu)簡圖如下頁圖3 所示，依據(jù)雙滑塊機構(gòu)的衍生型式[2-3]，滑塊1 為動力元件，滑塊2-1、滑塊2-2 為執(zhí)行元件，在兩根連桿的作用下，可保證滑塊2-1、2-2 同步動作。依據(jù)此原理，本文設(shè)計的夾具模型如下頁圖4 所示。

圖3 夾具機構(gòu)簡圖

由圖4 可知，移動橫桿在抱緊氣缸驅(qū)動下做上下移動，實現(xiàn)滑塊1 的功能，平移抱爪在卡槽限制下僅能實現(xiàn)平行移動，實現(xiàn)滑塊2-1、滑塊2-2 的功能，兩連接塊一端同時連接移動橫桿，另一端分別連接兩平移抱爪，實現(xiàn)連桿1、連桿2 的功能。本套夾具的工作過程是：抱緊氣缸缸桿縮回，帶動移動橫桿向上移動，與之連接的連接塊做平面運動，從而拉動平移抱爪相向平移閉合將產(chǎn)品抱緊；需要卸下產(chǎn)品時，抱緊氣缸缸桿伸出，帶動移動橫桿下移，平移抱爪在連接塊作用下背向平移張開，從而將產(chǎn)品放下。本文依據(jù)產(chǎn)品長度較長的特點，設(shè)計的夾具采用雙抱爪，一前一后分別抱住產(chǎn)品的首部和尾部，以確保夾取的穩(wěn)定性。

圖4 夾具模型

綜合上述機械臂及夾具的設(shè)計，本文繪制的氣動平衡移載機械手模型如圖5 所示，將立柱固定于地面上，該機械手可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、起降產(chǎn)品的功能，并可在任意位置實現(xiàn)制動懸停，整個過程操作輕便、轉(zhuǎn)動自如。

圖5 氣動平衡移載機械手模型

2 氣控系統(tǒng)設(shè)計

移載機械手氣控系統(tǒng)工作原理如圖6 所示，其載荷平衡可分為空載平衡和負載平衡兩種類型?？蛰d平衡的控制原理為[4]：當(dāng)抱緊氣缸空載時，高壓空氣經(jīng)由調(diào)壓過濾器，一路通向空載調(diào)壓閥，調(diào)壓后經(jīng)梭閥控制精密調(diào)壓閥的輸出壓力。梭閥是邏輯或門，其輸出總是取輸入的最大值。適當(dāng)調(diào)節(jié)空載調(diào)壓閥的輸出，使得精密調(diào)壓閥輸出的氣壓控制平衡氣缸達到空載平衡。負載平衡的控制原理為[4]：當(dāng)抱緊氣缸負載時，撥動載荷轉(zhuǎn)換開關(guān)，負載調(diào)壓閥回路貫通，使得高壓空氣調(diào)壓后進入梭閥，當(dāng)負載調(diào)壓閥輸出到梭閥的壓力大于空載調(diào)壓閥輸出到梭閥的壓力時，梭閥輸出為負載調(diào)壓閥所確定的壓力，這個壓力控制精密調(diào)壓閥，進而控制平衡氣缸達到負載平衡。

圖6 氣控系統(tǒng)原理

移載機械手夾取產(chǎn)品的工作過程為：氣控系統(tǒng)回路處于空載平衡狀態(tài)，拉動機械手到預(yù)夾取位置，按下閉合按鈕，抱緊氣缸控制閥通氣，抱緊氣缸在高壓空氣作用下使得夾具閉合，夾具夾住產(chǎn)品，然后撥動載荷轉(zhuǎn)換開關(guān)，氣控系統(tǒng)回路處于負載平衡狀態(tài)，拉動機械手到卸貨位置，按下張開按鈕，抱緊氣缸缸桿伸出，夾具張開卸下產(chǎn)品。機械手向下移動時，平衡氣缸內(nèi)壓力倍增，空氣由精密調(diào)壓閥溢流口排入大氣中，維持氣缸壓力不變。當(dāng)向上抬起機械手時，平衡氣缸壓力下降，精密調(diào)壓閥恒壓輸出補償，同樣維持缸內(nèi)壓力不變，從而達到平衡氣缸的助力、省力功能。安全控制閥這一支路起安全保護作用，當(dāng)氣源突然停氣，安全控制閥支路不再貫通，平衡氣缸控制閥動作，使得平衡氣缸氣路阻斷，進而維持氣缸壓力不變，保證產(chǎn)品緩慢回落。

3 校核分析

3.1 機械臂校核

本文設(shè)計的氣動平衡移載機械手旋轉(zhuǎn)半徑不小于3 m，可以起吊質(zhì)量不低于50 kg 的產(chǎn)品。設(shè)計時所選用的平衡氣缸缸徑為D=200 mm，桿徑d=40 mm，氣源壓力P=0.6 MPa，氣缸上端進氣，下端排氣，機械臂及平衡氣缸的受力如下頁圖7 所示[5]。

圖7 機械臂及平衡氣缸受力圖

對機械臂進行受力分析有：

設(shè)計時取L1=0.5 m，L2=3 m，安全系數(shù)n=3，α=90°，則有：F2=509.8=490N，F(xiàn)1==8820 N。

比較可知，F(xiàn)>F1，則選用的平衡氣缸能提起產(chǎn)品，滿足設(shè)計要求。

3.2 夾具校核

本文依據(jù)產(chǎn)品特點采用的是雙夾具，單套夾具施加的力為抱緊氣缸輸出力的一半。設(shè)計時選用的抱緊氣缸缸徑為D=80 mm，桿徑d=25 mm，氣源壓力P=0.6 MPa。抱緊氣缸及單套夾具的受力如圖8 所示。其中，抱緊氣缸的輸出力為：F=PS=×0.082=3014.4 N。

圖8 抱緊氣缸及單套夾具受力圖

對該夾具進行受力平衡分析有：

式中：β 為抱緊氣缸輸出力方向與抱爪受力方向的夾角，40°≤β≤70°；安全系數(shù)n=1.5。

抱爪的受力如圖9 所示，針對單邊的抱爪進行水平方向的受力分析可知：

圖9 抱爪受力圖

其中：

聯(lián)立求解有：

對產(chǎn)品進行受力平衡分析可知：

代入求解有：

抱爪閉合夾緊產(chǎn)品時，β=40°。本文設(shè)計的抱爪為兜爪，兜取產(chǎn)品時兜爪的有效支撐夾角40°≤θ≤90°，則有：

本套夾具可以提起的產(chǎn)品質(zhì)量為（745÷9.8）76 kg＞50 kg，滿足起吊產(chǎn)品的要求。

4 結(jié)語

針對中大口徑長軸類圓柱型產(chǎn)品的移載問題，本文提出了一種氣動平衡移載機械手，并對其機械臂及夾具進行了詳細設(shè)計，同時繪制了氣控系統(tǒng)的工作原理圖，分析了其空載平衡與負載平衡的控制原理，最后對機械臂及夾具的受力進行了校核分析，經(jīng)計算所選用的平衡氣缸能滿足旋轉(zhuǎn)半徑3 m，垂直升降高度1 m 的工作要求，設(shè)計的夾具也滿足重量50 kg 以內(nèi)的產(chǎn)品的自由移載。