气动上下料机械手手部结构的设计与分析
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气动上下料机械手手部结构的设计与分析StructureDesignAndAnalysisOfTheFingerOfPneumat
icManipulator
摘要：以炮弹径长自动检测生产线上搬运炮弹机械手的手部结构为研究对象，采用单片机对其气压驱动装
系统包括机械手手爪的夹紧与张开、摩擦轮和机械手手臂的上升与下降、机械手手臂的移动；检测系统包括炮弹旋转、测头移动和顶炮弹用活塞杆的伸出和收回。
2 机械手手部结构设计与分析
2.1机械手概述
1)、坐标形式。
所设计的机械手具有两个自由度，摩擦轮具有一个自由度，故采用直角坐标形式。
如图2所示，机械手的两个自由度分别是手臂的水平移动和手臂的伸缩运动，即沿x轴方向的移动和沿z轴的伸缩；摩擦轮的自由度即沿z轴的伸缩运动。
2)、工作过程。
对于上下料机械手来说，其工作是在最短的时间内抓取、抬升、移动、放炮弹至检测平台，经检测后，再迅速的抓取、抬升、移动、放炮弹至存放处，然后回到原位，重新执行下一次操作。
3)、工作范围。
机械手手臂在水平方向移动的总行程为600mm，在垂直方向的伸缩行程是125mm，由于在手臂伸出时，摩擦轮与工件的距离为35mm，所以，摩擦轮的伸缩行程为160mm。
图2 机械手的坐标形式
2.2机械手手部结构设计
机械手的手部是机械手上承担抓取工件的机构，由于被抓取物件（炮弹）的形状近似于圆台，所以，其手爪采用特殊的V字型结构，即手爪的内表面设计成与圆台斜度相同的斜面，即保证了抓取的稳定又不会因“线接触”而影响炮弹的表面质量。
机械手手部的驱动装置采用齿轮齿条杠杆式结构，因为其结构简单，安装方便，齿轮、齿条相对容易加工，并且传动可靠，特别是采用无关节的手指形式，使抓取误差更小，定心精度更高。
具体结构见图3示，其中，机械手外罩通过螺母紧固在气缸缸体上，活塞杆利用自身的螺纹与齿条联接，手爪通过螺钉与扇形齿轮联接，扇形齿轮通过圆柱销与外罩联接，即通过活塞杆的往复运动实现了手爪的张开与闭合。
由于销与扇形齿
轮的联接属于间隙配合，所以它们之间存在剪切危险，经过校核，其剪切应力满足要求。
图3 机械手手部结构图
1-手爪2-手指3-齿条4-扇形齿轮5-销6-螺钉
7-螺母8-外罩9-气缸
2.3机械手手部结构分析
为了加工方便（1) 确定手指的
支持力和齿轮啮合处的作用力：假设手指所受水平方向上的夹紧力为零，即炮弹的自重完全由手爪的下表面来克服，通过受力分析确定手指的支持力；由于齿轮齿条之间相互啮合，
然存在相互作用，且活塞杆与齿条相联，所以，根据活塞杆的推力即可得出齿轮的受力情况。
图4 机械手有限元模型
图
图6 应力集中放大视图
图7 位移云图
2.4机械手手部结构优化通过对机械手有限元分析结果的研究，虽然其产生的最大应力、最大位移均满足许用要求，但从结构优化的角度考虑应进行如下
优化：
（1）由于最大应力出现在齿轮的齿根处，所以，为了减小应力给齿轮寿命带来的影
响，应采用热处理方法增强齿根强度。
（2）由于最大变形出现在手爪受压的地方，长期使用定会加剧磨损，从而间接影响炮弹在检测平台上的位置。
因此，对于下半部分手爪结构进行热处理，以增强其耐磨性和强度
结束语
通过采用机械手代替人进行重复的取放工作，不仅可减轻工人的劳动强度，也提高了生产自动化水平和劳动生产率；通过对机械手手部结构进行有限元分析，肯定了结构设计方针的正确性，为结构的优化改进提供了依据。
由此可知，所设计的机械手手部结构不但满足在夹紧力为零情况下的夹紧要求，而且可以有效抑制因重复夹取工件而使手指产生的磨损。
