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橡塑技术与装备（橡胶） CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT (Rubber)

图，当气缸支点在转臂起点和转臂终点连线延长线上 出位和转入位都受拉力，2 个缓冲器在滑块上同向对
时，气缸在起点位置和终点位置提供给转臂的力相等， 称安装，同时工作，使滑块受力对称，不会产生额外
且最大，以保证机械手转动时具有足够的起始推力。 的扭矩，滑块的轴以及拉杆的受力情况都会远远优于
整个行程中其他位置气缸提供的力均大于起点和终点 拉杆式单缓冲结构。
位置。 图 3 为优化的拉杆式双缓冲机构原理图，当缓冲
F 1 =F×sin43°=3 517×sin43°=2 399 N （3） 器拉杆支点移到转臂运动轨迹的外面，且拉杆上力的
回程时气缸提供的起始和最终推力 F 2 为 : 方向与旋转速度的方向共线并相反时，拉杆上的力可
F 2 =F′ ×sin43°=3 173×sin 43°=2 164 N （4） 以全部用作有效力（机械手的缓冲、减速），此时拉杆、
旋转轴、缓冲器等受力是最优、最小的，2 个缓冲器
同时吸能，可以选用较小型号的缓冲器。图 4 为优化
的拉杆式双缓冲机构三维模型。

图 2 气缸安装位置与转臂受力关系示意图

假设机械手质量 m 为 350 kg（包括轮胎），转臂
行程为 θ=94°，转臂从起点到终点需要时间 t 1 =3 s，
则转臂平均角速度 ω 为：
θ 94 94× 2π
= = ° s / = = . 0 55 rad s / （5）
ω
t 1 3 3× 360
转臂从静止达到角速度 ω 所需时间 t 2 为 0.5 s，
图 3 拉杆式双缓冲机构原理图
机械爪重心到转动支点距离 r=0.8 m，转臂 l=0.26 m
（根据气缸行程 380 mm 计算得），转动轴承摩擦力
产生力矩忽略不计，计算得机械手转动所需最小推力
F min 为：
2 ω
Ja 3 mr × t 3× 350× 8 . 0 2 × . 0 55
F min = l = l 2 = 2× . 0 26× 5 . 0 = 1 421 6 . N （6）
根据前面计算，80 mm 缸径气缸去程及回程时气
缸提供的垂直转臂的最小推力 F 1 =2 399 N 、F 2 =2 164

N，均大于机械手转动所需最小推力 1 421.6 N，满足
使用要求。 图 4 拉杆式双缓冲三维轴侧视图
2.2 缓冲机构对机械手振动控制影响 气 缸 提 供 的 垂直 作 用 力 F 1 =2 399 N， 机 械 爪 重
装胎机械手使用的缓冲形式可以概括为 3 类 ：摆 心到转动支点距离 r=800 mm，角速度 ω=0.55 rad/s，
动式缓冲机构、拉杆式单缓冲机构以及拉杆式双缓冲 假设缓冲器行程 s=16 mm，则转动动能 E k 为：
2
2
2
2
机构。摆动式缓冲机构因碰撞瞬间作用力很大，使用 E k =0.5 Jω =0.5×1.5×mr ω =0.5×1.5×350×0.8 ×0.55 2
.
寿命较短 ；拉杆式单缓冲机构的拉杆在转出位时受拉 =50.82 N m （7）
力，在转入位时受推力，2 个缓冲器在滑块上必须反 作用在缓冲器上的力 f 为：
向安装，而且是独立工作，这样滑块只有一边受力， f=F 1 =2 399 N （8）
对滑块的轴以及拉杆都会产生额外的扭矩，影响结构 做功能量 E w 为：
的稳定性和使用寿命。拉杆式双缓冲机构的拉杆在转 E W =fs=2 399×0.016=38.38 N . m （9）

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