自动激光焊接装置的气动机械手的设计

摘要

机械手是一种自动化控制的工业机械装置，其外形和动作能够模拟人的手臂和手指。

根据运动控制程序，能够完成复杂的物料搬运、加工和装配等工作。气动机械手已经成

为了我国工业自动化生产线中至关重要的一部分，其拥有结构简单、反应快、质量轻、

可实现无极调速和过载保护等特点。本文基于模块化设计方法，设计了自动激光焊接装

置的气动机械手。对此气动机械手的各功能模块，包括了基座、立柱、手部、手臂等进

行了分析和结构设计。在此基础上，通过对各个功能模块的选取、组合，实现了同一只

气动机械手的多功能性，从而提高了机械手的通用性和互换性。

关键词：气动技术，气动机械手，模块化设计

Abstract

Manipulatorisakindofindustrialmechanicaldeviceforautomaticcontrol,whoseshap

eandmovementcansimulatehumanarmsandfingers.Accordingtothemotioncontrolprogr

am,itisabletocompletecomplexmaterialhandling,processingandassembly.Thepneumati

cmanipulatorhasbecomeacrucialpartofourindustrialautomationproductionline,whichh

asthecharacteristicsofsimplestructure,fastresponse,lightweight,infinitelyadjustablespee

dandoverloadprotection.Thispaperadoptsamodularapproachtothedesignofapneumati

cmanipulatorforautomaticlaserweldingdevices.Thispaperdesignsapneumaticmanipulat

orforanautomaticlaserweldingdevicebasedonamodulardesignapproach.Thefunctional

modulesofthispneumaticmanipulator,includingthebase,column,handandarm,areanalyz

cdandstructurallydesigned.Onthisbasis,themultifunctionalityofthesamepneumaticman

ipulatorisachievedthroughtheselectionandcombinationofeachfunctionalmodule,thusi

mprovingtheversatilityandinterchangeabilityofthemanipulator.

Keywords:Pneumatictechnology,Pneumaticmanipulator,modulardesign

目录

摘要..................................................................I

Abstract.....................................................................................................................................II

1绪论..................................................................1

1.1机械手概述......................................................1

1.2气动技术的发展历程...........................................1

1.3气动技术的优缺点...............................................1

1.4研究气动机械手的意义...........................................2

1.5气动机械手的发展现状及应用领域................................3

1.6气动机械手的发展方向...........................................3

1.7本论文研究的主要内容及解决的问题..............................5

2自动激光焊接装置的气动机械手的总体设计...............................6

2.1系统功能设计...................................................6

2.2机械手的坐标形式和自由度.......................................7

2.3激光焊接装置的气动机械手工作过程及运动时间分配................9

2.4激光焊接装置的气动机械手的基本参数...........................10

2.5模块化设计.....................................................11

2.5.1模块划分的一般原则.......................................12

2.5.2模块式机械手及组成.......................................12

2.6机械手的结构设计流程..........................................12

3气动机械手执行机构结构设计..........................................14

3.1手部结构设计...................................................14

3.2手臂结构设计..................................................15

3.2.1小臂升降模块............................................16

3.2.2手臂伸缩模块.............................................18

3.2.3立柱升降模块.............................................20

3.2.4手臂的回转模块...........................................21

TII

3.3基座结构设计..................................................21

4总结与展望...........................................................23

4.1总结...........................................................23

4.2展望..........................................................23

参考文献...............................................................24

致谢

IV

1绪论

1.1机械手概述

机械手是指由机器人技术和自动化控制技术等组成的工业机器，通常外形类似于人

的手臂和手指，能够模拟人的动作完成复杂的物料搬运、加工和装配等任务。机械手的

种类丰富，例如工业、军工和医疗机械手等，都能够完成不同领域、不同场景中的操作

任务⑴。机械手的机械结构一般由多个关节、伺服电机、传动系统、传感器和执行器等

组成，能够实现各种自由度的运动和精准控制。机械手的应用范围很广，不仅可以用于

制造业中的装配、加工等任务，还可以用于医疗卫生领域、环境保护领域等多个领域,

极大地提高了工作效率、降低了生产成本和劳动强度，而旦还可以提高产品的质量和产

量。因此，机械手己成为生产自动化领域中重要的生产和服务性设备。作为一种实用机

器，机械手在工业及非生产领域得到了广泛应用。

1.2气动技术的发展历程

气动技术指的是以空气作为工作介质，以空气压缩机作为动力装置，它使用气缸和

气爪等执行装置，通过能量或信号传递实现各种生产过程控制，进而实现自动化控制。

得益于工业化和自动化的发展，气动技术已经成为了各个领域不可或缺的关键技术如叫

气动技术的应用历史悠久，而气压传动技术现已经发展到了比较成熟的阶段。

气动技术的发展历程可以追溯到十八世纪末期，当时约翰•威尔金森发明出了可以

产生大约一个大气压的压气机。从十九世纪七十年代到十九世纪八十年代，汽缸第一次

应用于刹车装置，并且在火车制动系统中得到了成功的运用。在二十世纪三十年代前后,

气动技术也在自动门关合以及其他一些机械辅助操作中得到了成功的运用。到了二十世

纪五十年代初，人们开始将许多液压元件改造成气动元件，但是它们体积庞大，很难适

应气动技术的要求网⑸。直到六七十年代，气动技术才作为一种独立的工业控制系统，

和电子技术一起被应用于自动化生产中。二十世纪六十年代起，液压技术的应用更加广

泛，开始逐步取代气动技术。但是，气动技术在一些特定的应用场景和场合中仍然具有

优越性，例如在无火花、无闪电、易燃易爆危险环境中，气动系统的安全性更高，成本

更低。随着自动化技术的高速发展，人们更好地理解了气动技术的优点，并对其进行了

改进，大大提高了气动系统的实用性和可靠性。目前\气动技术在生产、制造、运输、

采矿等多个领域当中仍然得到广泛应用⑹。而且现如今已经有能够实现使用气动系统调

节人体眼内压的新型气动系统和方法⑺。

1.3气动技术的优缺点

（1）气压传动技术相对于机械传动和液压传动而言具有以下优点⑻⑵：

①低成本是气压传动技术的一个重要优点之一。因为它可使用空气作为工作介质,

能量产生的媒介方面可以不断索取；

②气压传动的反应迅速，可以很快就达到工作压力和工作速度，一般只需

0.02~0.3秒。气体在管道中的流动速度也较快，甚至可以达到音速；

③气压传动地动力稳定，相比于机械传动，气压传动主要依赖空气驱动，减少了

机械零部件之间的摩擦、损耗等问题，这让气压传动拥有了较稳定地动力输出，这是运

动控制精准的保障；

@气压传动具有比较高安全性，由于气压传动系统中不会产生电火花，因此可以

在易燃易爆的场合和危险区域中安全地运行；

⑤气动元件的可靠性和寿命都很高，一般都可以运行200()~40(X)万次左右；

⑥对于工作环境适应能力强，即它可以在恶劣环境下正常工作。即使在多尘、振

动、易燃、易爆、强磁甚至有辐射等恶劣环境中，气压传动技术仍然能够正常运行。

(2)与此同时气压传动也存在以下缺点：

①泄露问题，气压传动系统中存在空气泄露的风险，导致能效低，甚至造成环境

的污染；

②瞬间动力不稳定，虽然气压传动的动力较为稳定，但是在瞬间启动或停止时,

由于压力变化的惯性，会导致动力瞬间的不稳定；

③不适合进行高精度操作，由于气压传动刚性较差，精度问题一直是气压传动技

术的一大瓶颈。

综上所述，气压传动虽然存在一些不足之处需要去解决，但这并不影响其在各个行

业中至关重要的地位。气压传动技术在工业生产当中的应用相当普遍，具布•稳定性高、

可靠性强、灵活度大、成本低、安全性高等诸多优点。

1.4研究气动机械手的意义

气动机械手是一种利用气动元器件来实现运动控制的机械手。研究气动机械手的意

义在于，可以为工业生产提供更加高效、灵活、稳定、安全、低成本的自动化解决方案。

在生产中，机械手是承担各种工件搬运、装配等任务的最重要的设备之一。传统的机械

手一般采用电动或液压元件作为驱动，但是这些传统的驱动方式，其成本较高，容易出

现泄漏、故障率高等问题。而采用气压传动技术的机械手则具有结构简单、工作稳定、

安全可靠、维护性好等显著特点，具有更加广泛的应用前景。此外，气动机械手还可以

应用于智能制造、物流配送、无人机等领域，有助于提高生产效率和增强人类的生产能

力。因此，研究气动机械手的意义在于，可以为工业生产提供更加智能化、高效化、节

能环保的生产解决方案，有助于推进工业数字化和智能化的进程“刈川。

根据世界上许多国家的统计数据，在过去的数十年里，气动技术取得了飞速的发展。

大约在1979年，液压和气压元件的生产总值比率约为九比一，而如今，像美国、日本

以及北欧这样的工业科技快速发展的国家，其国内生产总值之比已高达六比四，有的甚

2

至已接近五比五。尽管我国的气动技术起步比较晚，但发展非常迅速，气动元件的年增

长率超过了百分之二十。现如今伴随着潮涌般高新技术的发展，气动技术已然成为了现

代工业科技中最重要的技术之一网。

1.5气动机械手的发展现状及应用领域

因为气动技术具有高度的安全性和可靠性，这使得气动化技术拥有很强环境适应能

力，可以在多种相当严峻的场景下完成工作，所以气动化机械手现已经成为了各个领域

不可或缺的一部分，例如।⑸：

(1)制造业领域。主要用于加工流水线上的产品组装，对零件进行加工，组装，

定位，夹具等工序；进行冷却，润滑液的控制和其他工作；铸件成型，捣固，收盒等工

序。

(2)汽车制造生产线。气动机械手可以用于安装车身零部件、装配内饰却车身结

构等工作。包括涂漆、喷涂涂料、焊接生产线、车体外壳在每个工序间的移动等。在这

些工作中，气动机械手可以提供高质量、高效率和无损伤性的操作方式，使生产线更加

自动化。

(3)电子及电器行业。气动机械手可以应用于电子元器件的组合、测试司包装。

它们可以快速而准确地将电子元器件放置在指定位置，避免了生产线上的错误或手工操

作带来的人为损失。此外，它们还可以应用于电路板的制造和印刷，安装和焊接零部件。

(4)电器产品的装配生产线。气动机械手可以帮助电子产品的装配，例如，手机

的组装需要精确且快速的过程，在这种场景下，高速度，精确度和灵活性都是必需的。

气动机械手可以承担这些复:杂的组装过程，确保产品符合高质量和质量可控的标准。

(5)轻工食品包装业。气动机械手可以适应多种包装形式和包装材料，比如纸盒、

塑料袋、易撕口袋等。通过更换不同的工具或头部，可以实现对不同品种、不同形状的

产品进行包装；同时.，在烟草行业中，也存在着大量的自动化卷烟、自动化包装等过程。

如灌酒，灌漆的机械臂；自动盖上盖子并上锁的机械手；对牛奶进行包装等的机械手。

1.6气动机械手的发展方向

(1)重复高精度研究。现如今电子科学技术和工业自动化的迅速崛起，人工操作

显然研究无法达到高精度工艺产品要求了，而且人工存在这诸多不确定性因素，无法保

证产品的固定通过率，因此气动机械手无疑是自动化工业趋势下更好的选择，这样还可

以减少误差的产生।⑹。气动机械手的高精度研究是气动机械手开发中的重要领域之一。

在过去，气动机械手主要应用于一些非精确性要求较低的领域，如物料搬运、装配等。

但随着现代工业制造业的不断发展，对气动机械手的精度和稳定性要求越来越高。因此,

气动机械手的高精度研究成为了发展的重点。气动机械手高精度研究也是气动机械手快

速发展的重要方向，只rr不断地研究优化气动机械手的结构、传感系统、控制算法以及

3

自适应补偿技术等等，才能不断地提高气动机械手的精度、稳定性和可靠性，使其在制

造产业的广泛应用中发挥更加重要的作用。

（2）气动机械手的模块化。气动机械手的模块化是指将气动机械手的各个组成部

分（如手臂、气动元件、控制器等）划分为不同的模块，这些模块可以单独进行设计、

制造、测试和组装。这种模块化设计方法可以提高气动机械手的灵活性、可扩展性和可

维护性，方便维护且能提高产品的质量，同时也可以加快气动机械手的制造和更新⑹。

（3）无给油化。传统液压机器人需要使用液压油来驱动其动作，油润滑系统是机

器人液压系统必须的组成部分。与传统的液压机器人相比，气动机械手使用空气作为驱

动介质，降低了机械手运动过程中气压的变化和泄漏的风险，更加安全可靠，并且在低

温和高温等恶劣环境中运行更为适合。气动机械手无需油类协助作业，具有更高的安全

性、环保性、简单性和易于维护性等优点。因此，在各种工业领域和应用场景中，气动

机械手的使用将越来越广泛阿⑺。

（4）气动机械手机电一体化研究。机电一体化可将气动机械手和电子控制技术紧

密融合起来，使其在控制、传感、通讯等方面更加智能、稳定和高效。通过此项研究，

可以提高气动机械手的运动精度和性能，并且可以满足特定领域和应用的要求。气动机

械手机电一体化研究的主要目的是将电气控制与气动控制结合起来,提高气动机械手的

智能化程度和稳定性，以更好地满足制造业的生产需求。通过这种一体化研究，气动机

械手将成为更加智能化、高效和稳定的制造工具।网。

（5）真空技术。气动机械手的真空技术是指通过负压将工件或材料固定在气动机

械手末端工具上，从而实现搬运和处理的目的。气动机械手的真空技术已经在流水线自

动化、半导体加工、纺织、食品加工等领域得到了广泛应用。气动机械手的真空技术是

指通过负压将工件或材料固定在气动机械手末端工具上，从而实现搬运和处理的目的。

气动机械手的真空技术已经在流水线自动化、半导体加工、纺织、食品加工等领域得到

了广泛应用。气动机械手的真空技术具有诸多优点，因此得到了广泛应用。随着技术的

不断发展，气动机械手的真空技术将更加智能、高效，因此在传统工业和新兴工业领域

中的应用前景十分广阔。

4

1.7本论文研究的主要内容及解决的问题

主要的研究内容：

（1）自动激光焊接装置的气动机械手的基本参数设计；

（2）自动激光焊接装置的气动机械手各功能模块进行结构设计。

重点解决的问题：

（1）完成自动激光焊接装置的气动机械手进行结构设计，尽量做到结构简单、合

理，经济性好且具有代表性；

（2）实现高度可互换性的目标，达到操作臂的模块化设计需求。

5

2自动激光焊接装置的气动机械手的总体设计

按照自动激光焊接装置的气动机械手的工作特点，可知此气动机械手是一种高精度、

高效率的工艺设备，其总体设计需要考虑包括系统功能设计、机械手的坐标形式和自由

度的确定、工作过程及运动时间分配、机械手执行机构的结构设计、工作效率的保证、

可靠性和安全性等因素•。同时，机械手的形状、外形和材料也应与作业环境相适应。从

机械手的刀具更换流程出发，提出了机械手在更换刀具时，应保证机械手与刀具间的一

定距离，以便更换刀具。

2.1系统功能设计

在对机械手进行研发设计时，先对刀库进行了分析，刀库分为多种类型।⑼，如下

图。每一种刀库都有自己的优劣之处，比如盘式刀走，它的优点在于存储容量大、多功

能性强、灵活方便、使用保养方便等方面，其在机械加工行业得到很广泛的应用，但其

存在占有空间较大，投资成本较高等问题。链式刀走在刀具存储数量、存储空间、工具

管理等方面具有较大优势，可以适应不同的生产场景和生产需求，但其存在体积较大,

工作噪音较大等问题。加工中心的换刀时间主要取决于换刀装置的结构、刀柄的规格、

刀具的重量、机床的规格以及机械手的尺寸等。换刀的速度与刀柄的大小成负相关，刀

柄越大则换刀速度越缓慢。

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图2-1刀库类型

（abedef）盘式刀库（ghlj）链式刀库伏）格子式刀库）

自动换刀机械手有以下具体要求：

（1）刀具库容适度；

6

（2）刀具更换速度快；

（3）有足够的更换刀片的空间；

（4）运行平稳、可靠；

（5）所述工具具有较高的重复定位精度；

（6）对工具进行精确的辨识。

总而言之，按照要求选择了一种可以方便更换刀的盘式刀库，主轴和刀库之间相差

90%完成一次对刀和换刀的时间为5s左右。刀具编码方法在此选用刀具座编码法。

2.2机械手的坐标形式和自由度

因为机械手各个部分的组成有差异，它们的相对自由度也有差异，还有它们运动的

方式也有差异，所以要选择一个合理的坐标系，来对各个部位的自由度进行研究。相对

来说，坐标系的种类很多，如图2-2所示।⑼，例如：

（1）直角坐标系

①三个坐标系上的直线运动，便于设计；

②易于处理计算；

③所需的安装区面积较大，所占的位置面积也比较大；

④封闭性研究困难。

（2）圆柱坐标系

①容易想象其自由度和计算；

②液压驱动时可输出很大的力；

③手臂可以达到的位置受到限制；

④直线驱动装置很难实现密封、防尘以及防御腐蚀性物等要求。

（3）球坐标系

①作业面宽；

②关节驱动装置易于实现密封；

③拥有更加广泛的工作范围；

④线性传动部件有气密性问题；

⑤存在“工作空白”。

（4）多关节坐标系

①具有柔性和较宽的工作范围；

②关节驱动机构易于封闭、防尘；

③对工作条件的要求较低；

④适用于电机驱动；

⑤很难想象的移动，运算量很大；

⑥不适用于液压驱动。

7

图2・2机械手的坐标形

a）直角坐标型切圆柱坐标型c）球坐标型d）多关节型e）平面关节型

依据机械手的作业方式，其自由度也会有所不同。此外，机械手的自由度也会受到

其设计、驱动方式和控制模式的影响。在日常应用过程中，需要根据具体操作任务和要

求，选择合适的机械手类型和自由度，以提高生产效率和质量。依据机械手的往复运动、

1星直移动、转动移动等特点，利用柱面坐标对其进行了分析。而且机械手在拿刀的时候，

需要做一定的垂直移动。若直接使用立柱的升降来驱动机械手，则会使机械手的工作出

现误差，为避免这种误差，我们将对机械手的升降过程增加一个自由度来进行研究，从

而使机械手拥有四个自由度。图2-3中显示了机械手的动作原理图“久

8

图2-3换刀机械手的运动示意图

2.3自动激光焊接装置的气动机械手工作过程及运动时间分配

(1)确定所要完成的动作及顺序

图2-4自动激光焊接装置的气动机械手布局示意图

上图2-4中展示了加工中心设备的布置和机械手在该设备中的工作任务。机械手开

始工作时会处于起始位置，紧接着它需要将刀具运输到可用位置，然后根据刀架位置来

调整角度进行取刀。下面是机械手具体的取刀步骤：

机械手水平转移到刀库的正上方，能抓取到刀具的位置；

竖直向下降时，要与刀柄有一段距离；

夹紧工具；

竖直向上运动；

9

横向移动至刀架的正上方；

将刀具竖直向下放置在刀架上；

将其竖直升起到刀架的正上方；

收缩到初始位置。

(2)工作时间分配

根据机械手的调整时间为5s,按照时间分配，如表2.1所示:

表2.1机械手的运动过程及时间分配

工步号工步名称行程(mm)工步时间(s)

1水平伸出700.5

2竖直卜降300.3

3夹紧00.3

4竖直上升300.3

5水平收缩700.5

90°

6摆动(逆时针)1

竖直下降300.3

7().3

松开00

8竖直上升300.3

9摆动(顺时针)90°1

总计45

2.4自动激光焊接装置的气动机械手的基本参数

(1)主参数

主参数指机械手的抓取重量，对其展开了分析，机械手起到了运输刀具，并完成工

作的作用，它的主要目标就是为了能够完成加工中心的换刀任务，设定为0.5kg。

(2)其他参数

机械手的动作速度是机械手最重要的性能指标，如果速度太慢，机械手的动作就会

受到限制，如果速度太快，机械手会出现震动的现象，而机械手的伸长和旋转的速度是

影响机械手动速度的重要因素。由于机械手在起动和停止过程中都有加速度，所以用平

均速度来描述机械臂的动作快慢更为恰当。

除了移动速度之外，机械臂的设计参数，也包括了移动轨迹，移动距离。运动路径

不宜过长，动作幅度不宜过大，以免造成机械臂的损伤。最终得出合理值：机械手运动

的轨迹为7()mm,半径为旋转角度为9()。，机械手垂直运动轨迹为30mm。

综上所述，换刀机械手各部分的基本参数如下表2.2所示：

10

表2.2机械手各关节基本参数

关节名称参数名称数值

伸缩范围0~70〃〃〃

伸出速度5(X)mm/s

水平机构

收缩速度500mm/s

定位精度±lmm

摆动角度0~90"

摆动机构摆动速度12G7s

定位精度0°

升降范围0~30〃〃〃

上升速度150mm/s

垂直机构

下降速度15()mm/s

定位精度±lmm

手部抓取范围<①50〃〃"

注释：表示运动速度可调。

2.5模块化设计

模块化设计是指将一个整体设计划分成若干个独立相对简单的子系统或部件，每个

子系统或部件之间彼此独立，但又能相互协作组合，达到整体的设计效果。模块化设计

是一种系统设计的新思维，在系统设计中起到了非常重要的作用。随着现代科技的不断

发展，模块化设计正在成为趋势，将为各种行业提供更加优秀的产品设计和开发思路。

模块化设计理念在于能将公共的零部件，变得多种多样，其主要目标就是建立一个独立

的，标准的，或者是一个可以改变部分来完成多个任务［20］。

11

2.5.1模块划分的一般原则

模块划分是指将复杂的系统大块拆分成多个相互独立、层次分明，且具有一定独立

性和可重用性的小模块⑵L

（1）在所述组件中降低所述完成产品的数目；

（2）将完成的产品组合为多数模块；

（3）在分割使用的同时，不允许单独的产品出现破损，同时也具备了模块化的功

能；

（4）考虑到组件中完成产品的刚性、硬度、精确性；

（5）根据组件的经济性，根据组件能否实现量产。

2.5.2模块式机械手及组成

模块式机械手是一种基于模块化设计的机械系统，它采用了模块化设计方法，并将

不同机械元件和构件分割成各个单独的模块，然后道过各种方式组合在一起，从而构成

了不同类型的机械手。每个模块都具有一定的功能，可以支持机械手进行不同的操作。

各个模块之间通过标准接口连接在一起，通过组合调整以实现不同的机械手功能。这种

模块化设计方式能够提高机械手的灵活性和可扩展性，使机械手在各个领域得到了广泛

应用12久气动机械手的各模块组成如图2-5所示。

图2-5气动机械手各模块的组成

2.6机械手的结构设计流程

气动机械手可以按照需求分析、机械结构设计、选型和材料选择、部件设计、总装

和调试、上线运行和维护这几个流程来完成机械手的结构设计。但是机械手的结构设计

12

流程需要多方面因素的制,约和考虑，需要根据具体任务和要求进行设计。在设计流程中，

需要充分考虑机械手的可靠性、工作效率、安全性等方面的因素，几个步骤之间的关联

性联系要紧密。

设计的步骤如图2-6所示：

图2・6机械结构的设计流程图

13

3气动机械手执行机构结构设计

激光焊接的气动机械手有很多的工作部分，这当中任何执行机构都要包含相应的气

动元件设计，并且在必要的时候还必须要安装导向装置。在此基础上，对每一个部件进

行了结构设计，并选取了对应的传动部件。气动机械手的结构示意图如图3-1所示。

图3/气动机械手结构笥图

1.基座2.手臂关节3.定位挡块4.导向装置5.手腕关节

A-手臂摆动气缸B-升降气缸C-伸缩气缸D-小臂E-气爪

3.1手部结构设计

(1)手部形式确定

按照手的功能，可以将手分为两种类型，分别是吸取和抓取。这两种类型的手，主

要由工作物的表面来确定，通常情况下，便面光滑的滑面结构，就用吸取类别的手来进

行工作。如果表面的形状是正方形且有层次感，就用抓取类手部进行工作。不过，为了

使手部拥有更好的互换性，就需要将手部设计成能够转换的类别结构，以满足不同的工

作需要。手的结构也是按照物体的重量来设计的，物体的重量越大，抓握的力量也就越

大。

(2)摆动气爪的计算与选择

综上可得应选用SMC和MHC2系列的支点开闭型摆动气爪。被抓取物为刀具，假

设刀具重量是40g,刀柄外径为30mm,力臂约为47mm。

14

手指对工件的夹紧力的计算:

N2K】K2K3G(3-1)

其中A——安全系数，通常取1.2〜2；

K2——工况系数，按K,=L1〜2.5,或£=1+色进行估算；

g

K.——方位系数，依文献⑵］选取；

G——被抓取工件的重量（即重力，N）。

在此机械手当中，取（=2,5=2,依文献⑵】，取则手部夹紧力可由式

（3-1）计算得：

N>2x2x4x0.（）4x9.8N=6.27N

夹持力矩的计算：

M=FS（3-2）

故所需求的夹持力矩依据公式（3・2）可得：

M=尸•S=6.27x0.047?/-m=0.29N•m

综上所述应选择型号为MHC2-16D的摆动气爪，如图3-2所示，其主要性能参数

如下表3.1所不：

表3.1MHC2-16D双作用摆动气爪的主要性能参数

夹持力矩两侧开闭角度手指动作时间重复定位精度

0.39Nm30。〜90。0.02s±0.01mm

图3-1模拟刀具图3-2MHC2-16D摆动气爪

3.2手臂结构设计

手臂是机械臂的主体，是支撑被抓物的关键部位。在手臂结构方面，首先，自身的

重量不要过大，动作要顺畅，以便于达到动作灵活和高度运动，此外还能够对运动产生

15

缓冲作用。第二个要求就是必须要有一定的刚性，才能保证它的动作和位置的准确性。

在机械臂的结构设计中，主要考虑了驱动力和平衡控制的计算。

321小臂升降模块

从小臂的工作目标和运动轨迹来看，由于小臂是竖直运动，因此选择了一个具有两

个作用的气缸作为动力。

以直线运动的缸体载荷及安全系数为基础，计算缸休的直径，进而决定活塞的平衡

及压力、运动轨迹、装配方式。因为载荷的缘故，又多了一个导向装置。

(1)气缸内径的确定

根据产生的功的运算和负载的运算，压强压力等方面的运算。

力=历而丽(3-3)

上式中：

D——气缸内径(m)；

F1一—活塞上的推力(或称工作载荷)(N)；

P——初选的工作压力(MPa),一般为P=(0.5-1)MPa；

77——总机械效率，频率高时，取〃=0.3〜0.5；频率较低时，可取〜0.85。

活塞杆克服载荷做功时：

D=，叫+屋(3-4)

上式中：

F2一—活塞杆的拉力(N)；

d——根据拉力预先估算的活塞杆直径。估算活塞杆值d/£>=().167).5。

把〃。=0.167).5代入式(3-4),则可得:

14F

0=(1.017.15)］一工(3-5)

(2)气缸耗气量

气缸消耗的气体与气缸直径、汽缸冲程、汽缸工作时间、汽缸到汽缸管路的体积等

因素密切相关。在不考虑汽缸管路体积的情况下，单位时间内气缸的压缩空气消耗可依

照如下公式进行计算：

CcmCC71D2s71(D2-d2)S

Q=Q或Q=Q2，QI=-....0=-----------------(3-6)

4%4t2

上式中：

Q一一每杪钟压缩空气消耗量(n?/s)；

16

Qi、Q2——气缸内有、无活塞杆端时空气的消耗量（m'/s）；

D、d——气缸的内径和活塞杆直径（m）；

/Pt2一一气缸活塞杆伸出与缩回的时间（s）；

S——气缸的行程（m）KJ。

（3）小臂升降气缸计算

综上机械手垂直轨迹的需求，所以气缸受其余的力应在尸V15N,气缸行程

5=30mm,运动的时间为0.3s。主要尺寸的确定：

a、缸径。的计算

取d/O=0.5,依据公式（3-5）取P=0.5MPa,〃=（）.3计算，即：

D=L,<«0.0166m=16.6mm

取标准缸径D=20mm,活塞直径d=8mm,气缸行程S=30mmo应选SMC气缸，

型号为CDM2B20-30,如图3-3所示。此气缸为双杆结构，内置有电磁感应装置，不仅

拥有较好的平衡性，而且内部还具有缓冲功能。其定位精度为±0.5mm（完全满足设计

的±1mm的要求）。

图3-3CDM2B20-30

b、耗气量的计算

缸径。=20mm,行程S=30mm,运动时间f=0.3s,按照公式（3-6）,得:

Q=———«3.14xl0-5m3/s

4./

c、验算

17

依据资料1221得：当p=0.5MPa时，此气缸的七=102N,且4=8()N,完全能够

超过实际所需的15N。

此气缸末端的冲击能量为E=-m\r=O.5xl.5x(―)2«0.0075N•m。依据资料团

20.3

得：当尸=0.5MPa时,终端位置得最大冲击能量为0.1N-m>0.0075N-m,因此安全。

(4)导向装置

气动机械手手臂导向装置是机械手中重要的部件之一，能够确保机械手的动作准确、

稳定和精确定位。同时，在高速运动和重负载运输时，导向装置还可以起到稳定机械手

的作用，延长机械手的寿命。因此，在气动机械手的设计和制造中，手臂导向装置的选

材和结构设计都非常重要，直接影响机械手的性能和工作效率。在小臂升降模块中，选

择一根单导向杆即可，如图3-4所示。

图3-4小臂导向装置

3.2.2手臂伸缩模块

为了减少机械手横移模组对气缸的体积和质量的要求,采用SMC中的CQ2系列气缸

更为合理。

按照气缸的运动要求，外部干扰的力RW15N,位移的极限为70〃"如运动来回用

到的时间为0.3s。需要的尺寸如下：

(1)缸径。的计算

取d/O=0.5,依据公式(3-5)取P=().5MPa,〃=0.3计算，即：

。=1.15x,%«0.0136m=13.6mm

'4•Prj

依据资料0I取缸径/)=32ITHTI,活塞杆直径d=14mm。行程S=75ITHTI。因此选

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用SMC标准气缸，其型号为CDQ2A32-75,如图3-5所示。

图3-5CDQ2A32-75

在压力P=0.5MPa时，将CDQ2A32-75气缸横向水平安置。最小负载（3kg）/最

大负载（45kg）时气缸行程S=400mm的定位时间为0.45/0.75S。定位精度±0.2mm。

（2）耗气量的计算

水平缸的缸径O=32mm,行程S=75mm,运动时间f=0.5s,按照公式（3-6）,

得：

Q=7rDS^2.0xl0~4m3/s

（3）导向装置

机械手要同时承受小臂和被工作物体的全部重量，因此，采用了双导向杆来进行导

向，能够较好的提高机械手部分的稳定性，如图3-6所示。

图3-6手臂伸缩模块的导向装置

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3.2.3立柱升降模块

以立柱的功能为依据，它支撑着机械手在垂直方向上的轨道运动，因此，立柱必须

具有较好的硬度。

主要尺寸的确定如下：

通过分析立柱的轨迹能够得知，气缸受力bW60N,轨迹100mm,来回时间为0.4s。

(1)缸径。的计算

取d/O=().5,由公式(3-5)取P=().5MPa,"=。3计算，即：

。=1.15xI4Fax0.026mm=26mm

依据资料12叫可以选择S例。的CA1系列气缸，此气缸完全能够胜任手臂立柱的工作

需求，标准缸径取。=40mm,其活塞杆的直径为d=14mm,行程为S=100mm。型

号为CDA2B40-100,此气缸的位置传感器类型为磁感式，活塞的速度为50~500mm/s,

定位精确度为±O.5nim,如图3-7所示。

图3-7CDA2B40-100

（2）耗气量计算

缸径。=16mm,行程S=100mm,时间/=0.4s,由公式（3-6）,得:

"OY-3.14x10—3/$

4-r

20

3.2.4手臂的回转模块

从运动轨迹上，我们可以判断出它是一种来回摆动的运动，相对来说，选择汽缸主

要是以它所受到的力矩的大小为基础，因此输出力矩为：

M『M5(3-7)

上式中：

M——气缸所受的实际力矩，N-m；

7——负载率，7；<0.31241；

M为机械手基座以上其余部分相对于Z轴的惯性力矩，M=1.04Nmo

依据公式(3・7),可求得气缸的理论输出力矩为：

Afo=A//O.3«3.46N-m

经查阅参考文献12”,应选用型号为CDRQ2BS40-90C的SMC气缸，如图3-8所示。

当压力尸=O.5MPa时，输出扭矩M°=5.3N-m,重复定位精度40.1。，完全符合设计要

求。

图3-8CDRQ2BS40-9DC

3.3基座结构设计

基座的设计要考虑到它的功能和安装部件，并尽可能地将它的构造做到最优。由于

更换刀架机械手的立杆是可以转动的，所以旋转的摆动气缸必须安装在底座上。如果把

立柱直接安装在摆动气缸的输出杆上，虽然结构简单,但会增加摆动气缸受到的轴向力,

从而导致摆动气缸的损坏。而且，因为机械手的重心偏移，所以产生了很大的偏心扭矩，

这就使得摆动气缸的输出轴受到了很大的偏心扭矩。采用一联接机构将立柱和摆动气缸

21

联接，并完全由联接机构承担偏心力。连接机构由四个部分组成包括：底座、摆动气缸、

双向推力球轴承、以及扣罩和转台，如图3・9所示。

图3-9基座结构图

1-底座2-摆动气缸3-双向推力球轴承4-扣罩5-转台

22

4总结与展望

4.1总结

本文运用模块化的设计方法对自动激光焊接装置的气动机械手完成了分析设计，

首先，我们对气动机械手的坐标形式和自由度进行了分析，借此完成了对自动激光

焊接装置的气动机械手的整体结构设计和系统功能设计。

然后，确定了自动激光焊接装置的气动机械手的功能和基木参数。为了使木设计在

性能上更接近于实际需要，我们借助模块化设计方法，运用模块化划分原则设计出了气

动机械手的各个重要模块。

最终，我们完成了自动激光焊接装置的气动机械手的执行机构的结构设计；并且通

过一系列分析和相关计算挑选出了最合适的气缸及其它标准件。

4.2展望

气动技术在发明至今得到普遍应用.经历了一个较长的发展历程°与国外相比,我

国的气动技术的研发起步相对较晚，但是经过我们国家的高度重视以及科学家的刻苦努

力，我国的气动化技术得到了迅速发展，并且现如今已成