气动搬运机械手设计及运动仿真研究

王宇钢 朱彦松

（辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，锦州 121001）

1 研究背景

机械手是能模仿人手的动作，在驱动系统和控制系统配合下完成某些抓放、搬运物件或操持工具等工作的自动机械化装置，在机械加工生产中已广泛应用于材料的搬运等工作。机械手按驱动形式通常可分为气缸驱动、液压缸驱动及电动机驱动。其中，气缸驱动具有结构简单、速度快、反应灵敏、易于维护和控制等特点，在机械手的驱动系统中被大量采用[1]。

针对活塞杆类零件在机械生产中的自动上下料问题，本文设计了气缸驱动搬运机械手，采用三维设计软件Pro/E进行三维造型并通过运动仿真验证机械手设计的合理性。将该系统与相应机床配套使用，可实现自动上下料和机床之间工件的自动传送，有效提高活塞杆类零件的加工效率，减轻企业生产负担。

2 输送机械手工作原理

为节省空间，机械手采用整体架空式安装布置，将机械手通过连接支架安装在机床上方，实现机械手沿连接板上导轨水平整体移动搬运工件。机械手安装布局如图1所示。

图1 机械手安装布局图

设计的机械手机械结构包括一个连接在机床上的无杆气缸，实现水平方向移动；连接在无杆气缸滑块上的三杆气缸，实现竖直方向移动，以及连在三杆气缸下方的气动手指，实现夹紧动作。搬运定位采用电磁限位开关与机械挡块相结合的定位方式。如当无杆气缸的滑块运动至最右端，触碰到右限位开关后，停止运动，但因为惯性不能立即停止，所以两端采用橡胶缓冲，之后便紧靠挡块定位[2]，结构如图2所示。

图2 气动机械手结构图

当上料台运送上来一根活塞杆时，无杆气缸位于连接板右端，三杆气缸向下运动，依靠下限位开关停到指定位置，气动手指夹紧活塞杆零件，停顿后向上运动直到接触上限位开关停止运动。接着，无杆气缸的滑块向左端滑动，依靠左限位开关停在左端极限位置，然后无杆气缸向下运动，将工件落在V型块和辅助支撑上，气动手指松开，停顿后按运动路径向上运动及水平移动返回上料初始位置。当零件被加工完成后，另一个机械手取走工件，实现自动下料。

3 气动系统设计

气压传动系统根据机械手的动作轨迹通过电磁阀设计实现各气缸活塞杆的往复作用。电磁阀YA1、YA2控制无杆气缸水平方向移动，电磁阀YA3、YA4控制三杆气缸竖直方向移动，电磁阀YA5、YA6气动手指夹紧、松开动作。限位开关sQ0、sQ1用于实现竖直方向限位，限位开关sQ0、sQ1用于实现水平方向限位[3]。气动原理图如图3所示。

4 机械手虚拟仿真研究

机构虚拟运动仿真技术就是通过对机构添加运动副、驱动器，使其运动起来，实现机构的运动模拟。通过仿真研究可以在任意时刻查看各个组成部件的位置、速度、加速度、轨迹、位移、运动干涉等参数并加以分析，根据结果调整模型设计，以达到最优的零件机构配置。机构仿真还可以分析力与运动之间的关系，分析运动量以及运动副之间的相互关系，实时测量指定部分的各种运动参数并绘制相应的曲线、图表，以便直观了解运动主体上某点的运动轨迹[4-5]。

图3 气动原理图

本文在分析机械手工作原理的基础上，通过计算进行气缸选型，再通过三维设计软件Pro/E对机械手各部分进行具体设计，实现三维实体造型。通过Pro/E-Assembly装配模块完成各零件的组装，形成整机。然后，设置运动环境，定义机械系统运动所必需的各种条件，如动力源、初始位置和状态等，分析运动机构是定义要分析的属性。将分析结果通过可视化方法表现出来，可分析干涉检验、运动包络等，还可测量系统中需要跟踪参数，并将其变化趋势通过图形的形式直观表现出来[6-7]。

基于以上有关Pro/E机构运动学仿真与分析的相关步骤，结合本设计工序动作要求，对其进行动画仿真，实现如下各个动作：滑块右行—三杆气缸向下伸出—抓取工件—三杆气缸向上返回—滑块左行—三杆气缸向下伸出—松开工件。

无杆气缸滑块的运动规律曲线如图4所示。

由滑块运动规律曲线可知，滑块最大行程约为620mm，运动时间约为60s。运动过程中，滑块开始滑动时速度较大，之后开始减小，通过中点后反向增大，而在整个运动过程中加速度较小，且无太大变化。

三杆气缸的运动规律曲线如图5所示。

由三杆气缸运动规律曲线可知气缸活塞最大行程约为280mm，伸缩运动一次时间约为35s。速度变化规律类似三角函数，呈简谐运动规律，而在整个运动过程中，加速度无明显变化。

图4 无杆气缸滑块的运动规律曲线

图5 三杆气缸的运动规律曲线

气动手指的运动规律曲线如图6所示。

图6 气动手指的运动规律曲线

由气动手指运动规律曲线可知，手指行程约为20mm，夹持一次所需时间约为15s。在夹紧与松开的时候，加速度有突变，且夹紧时加速度突然增大，松开时加速度减小。

仿真动画显示，机械手整机运动平稳，结构各部件无干涉。由各气缸运动规律曲线可知，机械手整机机构的水平和竖直方向位移曲线光滑，而速度变化均较小，表明机械手在运动过程中产生的惯性力和惯性力矩较小。通过仿真分析，所设计的机械手各组成机构运行及定位均满足工作要求。仿真结果显示气动搬运机械手可按要求完成运动路径。

5 结论

基于虚拟仿真技术，采用Pro/E软件设计实现了搬运机械手三维实体模型，并对机械手进行运动学仿真。通过仿真得到机械手的运动仿真动画及运动规律曲线。仿真结果表明：设计的机械手结构设计合理，运行平稳，能有机结合在一起工作，可用于杆类零件运输，实现上下料自动化。同时，仿真得到的参数可为实物样机的研制提供参考依据，有效缩短开发周期并降低设计成本。