气动助力机械手的平衡原理分析与故障排除

气动助力机械手的平衡原理分析与故障排除
摘要：气动助力机械手又称平衡器、平衡环、气动助力器等，由于其具有省事，省力的特点，被广泛应用于现代工业中的各个领域，如：大型物料的移载，搬运，大型设备的精确定位、装配等场合，总之，在现代生产中，无论原料的接受还是
半成品的加工、生产、配送等环节，气动机械手都发挥着不可替代的作用。

基于此，本文主要对气动助力机械手的平衡原理与故障排除进行分析探讨。

关键词：气动助力机械手；平衡原理；故障排除
1、气动助力机械手的组成
气动助力机械手的重要组成是：平衡装置、气动系统、安全系统和操作系统。

操作系统
由夹具，操作手柄和操作气路组成，它将硅棒夹紧，是机械手的手臂。

它的复杂程度决定了
机械手的复杂程度；它的人性化程度决定了机械手的成败。

安全系统由多个回转关节的刹车，限位，安全气路及外保护组成，它使机械手安全可靠。

平衡装置是机械手的主体，是实现力
平衡的主要机构。

它由气动系统由平衡气路，负载负荷转换逻辑气路，操作气路和安全气路
组成。

是实现力平衡的主要动力源。

平衡气路用于平衡夹具和硅料的重量，负载负荷转换逻
辑气路使机械手在有载，无载状态下均可实现平衡。

操作者始终处于轻松的工作状态，它是
机械手的灵魂。

2、气动助力机械手平衡功能的工作原理
通过阅读气动原理图（图1），助力机械手的“初定位”、“翻转”、“刹车”动作较易理解，
文章不再叙述，重点分析“加载”、“夹紧”，以及“放松”后“空载”状态实现的工作原理。

图1 气动原理图
2.1重力平衡气缸的空载压力与加载压力
“重力平衡气缸”的压力由一个外控式减压阀9控制，进入重力平衡气缸的压力将由该外
控式减压阀的压力实现控制。

外控式减压阀的控制气路连接到梭阀13，梭阀的两端分别直通
到减压阀11以及间接通过阀3连通到减压阀12。

图中减压阀11常通，可知减压阀11调定
的是“空载”压力，减压阀12调定的是“加载”压力。

“空载”压力与“加载”压力切换时，起作用
的是阀3的通断，当阀3的非弹簧位起作用时，通过减压阀12与通过减压阀11的气体同时
进入梭阀13的两端，因为调定“加载”压力的减压阀12压力一定高于调定“空载”的减压阀11
的压力，根据梭阀工作时取输入高压作为输出的原理，通过减压阀12的“加载”压力进入外控
式减压阀9的控制口，“重力平衡气缸”得到的是“加载”压力状态。

如果阀3的弹簧位起作用，“重力平衡气缸”得到的是“空载”的压力状态。

2.2“夹紧”和“加载”
按下“夹紧”按钮后（只需按下即放开），气控阀6的图示右位起作用，压缩空气进入“夹
紧气缸”，“夹紧气缸”的夹爪夹紧变速器。

此时，按下“加载”按钮（按住），压缩空气经过梭
阀1进入双压阀2的右端，此时双压阀2两端的输入压力相等，均为气源压力，双压阀产生
输出，此时阀3的非弹簧位起作用，“重力平衡气缸”得到“加载”的压力状态，加载压力同时
通过气管通路进入“负载指示灯”，负载指示灯亮起。

按下的“加载”按钮随后放开，梭阀9的
右端输入停止，气管内的加载压力将把梭阀内钢球顶到右边，关闭梭阀右端的输入，梭阀左
端输入至输出打通，加载压力气体进入双压阀2的右端，由于双压阀2的左端输入压力为气
源压力，此时双压阀2的右端压力（加载压力）低于左端压力，根据双压阀输入压力不同时
取低压作为输出的原理，双压阀2右端的加载压力进入阀3，继续使阀3的非弹簧位起作用，此时“重力平衡气缸”将保持“加载”的压力状态，负载指示灯也保持亮起状态。

2.3“放松”与“空载”
当把变速器放置到位，按下并按住“放松”按钮，压缩空气进入阀4、阀5的非弹簧位，
立即使这两个阀的非弹簧位起作用，经过减压阀12、阀3的“加载”压力压缩空气由于阀4的
换向而被切断，此时进入外控式减压阀9外控口的是减压阀11调定的“空载”压力压缩空气，重力平衡气缸欲由“加载”状态向“空载”状态切换，但由于阀5的换向，直接关闭了外控式减
压阀9的无阻碍排气口（阀5上安装的消声器），外控式减压阀9的排气需要经过排气节流
阀10实现。

重力平衡气缸由“加载”切换至“空载”时需要将气缸内压力由“加载”压力下降到“空载”压力，压力的下载需要通过排出多余的气体来实现，排气则只能通过外控式减压阀的排气口，但此时外控式减压阀的排气口被排气节流阀10节流，延长了排气时间，也就延长了重
力平衡气缸由“加载”切换至“空载”的时间。

压缩空气同时进入压力延时阀7，在延时阀中小气囊的作用下，气体需充满小气囊达到
足够压力才可推动弹簧将延时阀打开，延时阀打开后，气控阀6将换向，左位起作用，夹紧
气缸夹爪将张开并离开变速器。

同时由于气控阀6的左位作用使双压阀2左端的输入气体被
切断，双压阀的输出也将失去，阀3将在弹簧作用下复位，通过调定“加载”压力的减压阀12
的压缩空气被完全切断，“重力平衡气缸”回到“空载”时的压力状态，负载指示灯的气管通路
通过阀3与大气相通，负载指示灯熄灭。

2.4压力延时阀4与排气节流阀10的作用
压力延时阀4延长了按动“放松”按钮到夹紧气缸夹爪松开的时间。

排气节流阀10延长了重力平衡气缸由“加载”切换至“空载”的时间。

从安全操作的角度解释，在使用助力机械手移载变速器过程中，如果操作者误操作按动
了“放松”按钮，由于“压力延时阀”的作用，夹紧气缸并不会立刻松开变速器，起到安全保护
的作用。

由前文分析，此时助力机械手将由加载切换至空载，由于“排气节流阀”的作用，切
换至空载需要时间，载荷不会立即完全失去。

因此一旦操作者误操作或误碰放松按钮，助力
机械手悬臂会下降，以此提示误操作，操作者应松开“放松”按钮，之后助力机械手将会回到“加载”和变速器夹紧的状态。

2.5气控阀14和气控阀8的作用
这是系统的断气保护装置，当气源因意外突然停止供应，阀8将在弹簧作用下复位，气
控减压阀9的排气口被完全关闭，重力平衡气缸内的气体将被完全封闭，避免助力机械手悬
臂突然坠落的情况。

3、平衡故障的现象与排除
故障发生时的不正常现象：按下“放松”按钮后，“夹紧气缸”张开并离开变速器的一刹那，助力机械手会猛地向上抬高一段距离，这往往会带动变速器一起非正常抬起。

操作时正常情况为使用助力机械手将变速器放置到检测线上的随行托盘安装到位后，此
时已不需要助力机械手悬臂承担变速器重量，按下“放松”按钮，助力机械手先由“加载”变为“空载”，之后助力机械手上的“夹紧气缸”夹爪张开并离开变速器。

故障的现象说明助力机械
手由“加载”转变为“空载”的时间太长，响应过慢，正常应该在“夹紧气缸”夹爪张开之前完成
的“空载”在“夹紧气缸”夹爪张开之后才完成。

从前文已知，避免助力机械手猛地向上抬高一段距离将变速器一齐抬起的情况发生只需
适当放开图1中的排气节流阀10的节流程度（排气节流阀外观如图2所示），使助力机械
手的卸载发生早于变速器松开动作出现即可，同时注意不可将排气节流阀的节流开口调节到最大，因完全放开节流开口将使误操作之后的机械手悬臂迅速下降，失去安全保护。

图2 排气节流阀外观
4、结语
通过对气动助力机械手工作原理的深入分析，技术人员理解了机械手平衡功能实现的工作原理，同时也解决了长期困扰装配线上助力机械手的疑难问题，装配线全线多台气动助力机械手以该工位机械手的维修方法触类旁通，对平衡功能进行了精确调整，机械手加载和空载状态的转换更加及时，并且优化了助力机械手“防止误操作坠落”的安全保护功能。

参考文献：
[1]朱耀详，浦林祥.现代夹具设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2]肖立军，米学宁.气动平衡助力机械手的原理及应用[J].制造业自动化2011，33（6）。