氣動搬運機械手設(shè)計及運動仿真研究

王宇鋼 朱彥松

（遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，錦州 121001）

1 研究背景

機械手是能模仿人手的動作，在驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)配合下完成某些抓放、搬運物件或操持工具等工作的自動機械化裝置，在機械加工生產(chǎn)中已廣泛應(yīng)用于材料的搬運等工作。機械手按驅(qū)動形式通常可分為氣缸驅(qū)動、液壓缸驅(qū)動及電動機驅(qū)動。其中，氣缸驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快、反應(yīng)靈敏、易于維護和控制等特點，在機械手的驅(qū)動系統(tǒng)中被大量采用[1]。

針對活塞桿類零件在機械生產(chǎn)中的自動上下料問題，本文設(shè)計了氣缸驅(qū)動搬運機械手，采用三維設(shè)計軟件Pro/E進行三維造型并通過運動仿真驗證機械手設(shè)計的合理性。將該系統(tǒng)與相應(yīng)機床配套使用，可實現(xiàn)自動上下料和機床之間工件的自動傳送，有效提高活塞桿類零件的加工效率，減輕企業(yè)生產(chǎn)負擔。

2 輸送機械手工作原理

為節(jié)省空間，機械手采用整體架空式安裝布置，將機械手通過連接支架安裝在機床上方，實現(xiàn)機械手沿連接板上導軌水平整體移動搬運工件。機械手安裝布局如圖1所示。

圖1 機械手安裝布局圖

設(shè)計的機械手機械結(jié)構(gòu)包括一個連接在機床上的無桿氣缸，實現(xiàn)水平方向移動；連接在無桿氣缸滑塊上的三桿氣缸，實現(xiàn)豎直方向移動，以及連在三桿氣缸下方的氣動手指，實現(xiàn)夾緊動作。搬運定位采用電磁限位開關(guān)與機械擋塊相結(jié)合的定位方式。如當無桿氣缸的滑塊運動至最右端，觸碰到右限位開關(guān)后，停止運動，但因為慣性不能立即停止，所以兩端采用橡膠緩沖，之后便緊靠擋塊定位[2]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 氣動機械手結(jié)構(gòu)圖

當上料臺運送上來一根活塞桿時，無桿氣缸位于連接板右端，三桿氣缸向下運動，依靠下限位開關(guān)停到指定位置，氣動手指夾緊活塞桿零件，停頓后向上運動直到接觸上限位開關(guān)停止運動。接著，無桿氣缸的滑塊向左端滑動，依靠左限位開關(guān)停在左端極限位置，然后無桿氣缸向下運動，將工件落在V型塊和輔助支撐上，氣動手指松開，停頓后按運動路徑向上運動及水平移動返回上料初始位置。當零件被加工完成后，另一個機械手取走工件，實現(xiàn)自動下料。

3 氣動系統(tǒng)設(shè)計

氣壓傳動系統(tǒng)根據(jù)機械手的動作軌跡通過電磁閥設(shè)計實現(xiàn)各氣缸活塞桿的往復作用。電磁閥YA1、YA2控制無桿氣缸水平方向移動，電磁閥YA3、YA4控制三桿氣缸豎直方向移動，電磁閥YA5、YA6氣動手指夾緊、松開動作。限位開關(guān)sQ0、sQ1用于實現(xiàn)豎直方向限位，限位開關(guān)sQ0、sQ1用于實現(xiàn)水平方向限位[3]。氣動原理圖如圖3所示。

4 機械手虛擬仿真研究

機構(gòu)虛擬運動仿真技術(shù)就是通過對機構(gòu)添加運動副、驅(qū)動器，使其運動起來，實現(xiàn)機構(gòu)的運動模擬。通過仿真研究可以在任意時刻查看各個組成部件的位置、速度、加速度、軌跡、位移、運動干涉等參數(shù)并加以分析，根據(jù)結(jié)果調(diào)整模型設(shè)計，以達到最優(yōu)的零件機構(gòu)配置。機構(gòu)仿真還可以分析力與運動之間的關(guān)系，分析運動量以及運動副之間的相互關(guān)系，實時測量指定部分的各種運動參數(shù)并繪制相應(yīng)的曲線、圖表，以便直觀了解運動主體上某點的運動軌跡[4-5]。

圖3 氣動原理圖

本文在分析機械手工作原理的基礎(chǔ)上，通過計算進行氣缸選型，再通過三維設(shè)計軟件Pro/E對機械手各部分進行具體設(shè)計，實現(xiàn)三維實體造型。通過Pro/E-Assembly裝配模塊完成各零件的組裝，形成整機。然后，設(shè)置運動環(huán)境，定義機械系統(tǒng)運動所必需的各種條件，如動力源、初始位置和狀態(tài)等，分析運動機構(gòu)是定義要分析的屬性。將分析結(jié)果通過可視化方法表現(xiàn)出來，可分析干涉檢驗、運動包絡(luò)等，還可測量系統(tǒng)中需要跟蹤參數(shù)，并將其變化趨勢通過圖形的形式直觀表現(xiàn)出來[6-7]。

基于以上有關(guān)Pro/E機構(gòu)運動學仿真與分析的相關(guān)步驟，結(jié)合本設(shè)計工序動作要求，對其進行動畫仿真，實現(xiàn)如下各個動作：滑塊右行—三桿氣缸向下伸出—抓取工件—三桿氣缸向上返回—滑塊左行—三桿氣缸向下伸出—松開工件。

無桿氣缸滑塊的運動規(guī)律曲線如圖4所示。

由滑塊運動規(guī)律曲線可知，滑塊最大行程約為620mm，運動時間約為60s。運動過程中，滑塊開始滑動時速度較大，之后開始減小，通過中點后反向增大，而在整個運動過程中加速度較小，且無太大變化。

三桿氣缸的運動規(guī)律曲線如圖5所示。

由三桿氣缸運動規(guī)律曲線可知氣缸活塞最大行程約為280mm，伸縮運動一次時間約為35s。速度變化規(guī)律類似三角函數(shù)，呈簡諧運動規(guī)律，而在整個運動過程中，加速度無明顯變化。

圖4 無桿氣缸滑塊的運動規(guī)律曲線

圖5 三桿氣缸的運動規(guī)律曲線

氣動手指的運動規(guī)律曲線如圖6所示。

圖6 氣動手指的運動規(guī)律曲線

由氣動手指運動規(guī)律曲線可知，手指行程約為20mm，夾持一次所需時間約為15s。在夾緊與松開的時候，加速度有突變，且夾緊時加速度突然增大，松開時加速度減小。

仿真動畫顯示，機械手整機運動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)各部件無干涉。由各氣缸運動規(guī)律曲線可知，機械手整機機構(gòu)的水平和豎直方向位移曲線光滑，而速度變化均較小，表明機械手在運動過程中產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩較小。通過仿真分析，所設(shè)計的機械手各組成機構(gòu)運行及定位均滿足工作要求。仿真結(jié)果顯示氣動搬運機械手可按要求完成運動路徑。

5 結(jié)論

基于虛擬仿真技術(shù)，采用Pro/E軟件設(shè)計實現(xiàn)了搬運機械手三維實體模型，并對機械手進行運動學仿真。通過仿真得到機械手的運動仿真動畫及運動規(guī)律曲線。仿真結(jié)果表明：設(shè)計的機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，運行平穩(wěn)，能有機結(jié)合在一起工作，可用于桿類零件運輸，實現(xiàn)上下料自動化。同時，仿真得到的參數(shù)可為實物樣機的研制提供參考依據(jù)，有效縮短開發(fā)周期并降低設(shè)計成本。