基于串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的機(jī)械手夾持裝置設(shè)計(jì)?

潘秀石

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)生產(chǎn)中。機(jī)械手夾持裝置按驅(qū)動(dòng)方式分主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)3種。液壓式的機(jī)械手裝置以液壓油作為傳動(dòng)介質(zhì)，裝置能夠獲得大的夾持力，反應(yīng)速度快，容易控制；缺點(diǎn)是液壓裝置所占空間大，在工作過(guò)程中液壓油易發(fā)熱和發(fā)生泄漏對(duì)環(huán)境造成化學(xué)污染，甚至?xí)蛴鸵哼^(guò)熱引起火災(zāi)［1］。氣壓驅(qū)動(dòng)式以空氣作為傳動(dòng)介質(zhì)，因此對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染，夾持動(dòng)作迅速，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，系統(tǒng)故障少；另外機(jī)械手夾持后依靠壓縮空氣的勢(shì)能，可以持續(xù)保持對(duì)被夾持對(duì)象的夾緊力，不再消耗其他能源，所以能量利率高；其主要缺點(diǎn)是壓縮空氣容易泄漏，所以系統(tǒng)壓力較低（一般為0.4 MPa～0.7 MPa），因而裝置的夾持力較小。電驅(qū)動(dòng)式以電能作為動(dòng)力源，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)傳動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)臂的工作運(yùn)動(dòng)，在傳動(dòng)裝置中通過(guò)機(jī)械增力機(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)的輸出力進(jìn)行放大，這樣就可以大大增加機(jī)械手夾持工件的夾持力；其主要缺點(diǎn)是在傳動(dòng)裝置中必須有一個(gè)機(jī)械自鎖裝置，以使得電動(dòng)機(jī)在斷電后仍能繼續(xù)保持對(duì)被夾持工件的夾緊力。

本文設(shè)計(jì)了基于電力驅(qū)動(dòng)的螺旋－鉸桿－杠桿串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的機(jī)械手夾持裝置。

1 機(jī)械手夾持裝置工作原理

機(jī)械手夾持裝置工作原理圖如圖1所示。裝置主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、鉸桿組、杠桿組、絲桿及螺母組成。電機(jī)通電正轉(zhuǎn)，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿帶動(dòng)螺母組件向右移動(dòng)，螺母推動(dòng)鉸桿組，此時(shí)鉸桿壓力角α逐漸變小，通過(guò)鉸桿機(jī)構(gòu)的角度效應(yīng)將電機(jī)輸出力放大，再將力傳遞給恒增力杠桿組，通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)再將輸出力放大，最終成為機(jī)械手裝置夾持工件的作用力F；電機(jī)通電反轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)聯(lián)軸器、絲桿、鉸桿及杠桿使機(jī)械手松開被夾持工件，若在裝置的夾持器上安裝有指端力傳感器和觸覺傳感器來(lái)對(duì)裝置夾持力進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被夾持工件有效夾持［2］。從圖1中可以看出，此種機(jī)械手裝置結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單、整體體積小。另外螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)還具有反向自鎖功能，這樣就可以省去機(jī)械手夾持中的夾緊力保持機(jī)構(gòu)。

圖1 機(jī)械手夾持裝置工作原理圖

2 力學(xué)計(jì)算

電機(jī)帶動(dòng)絲桿后驅(qū)動(dòng)螺母移動(dòng)的螺母推力Q 可按下式進(jìn)行計(jì)算［3］：

其中：M 為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；d2為絲桿的中徑；λ 為絲桿螺紋升角；ρ為絲桿與螺母的當(dāng)量摩擦角。

鉸桿的力按下式進(jìn)行計(jì)算：

其中：n 為夾持機(jī)構(gòu)的副數(shù)（圖1為2副）；ηMT 為鉸桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率。

杠桿機(jī)構(gòu)力FML可按下式進(jìn)行計(jì)算：

其中：l1、l2分別 為 杠 桿 主 動(dòng) 臂、從 動(dòng) 臂 的 長(zhǎng) 度；ηML 為杠桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率。

綜上所述，圖1所示機(jī)械手的夾持力F 可用下式計(jì)算：

由式（4）可以看出，機(jī)械手的夾持力F 與杠桿主動(dòng)臂、從動(dòng)臂長(zhǎng)度的比值l1／l2成正比，與鉸桿機(jī)構(gòu)理論壓力角的正切tanα成反比，與絲桿上螺紋的螺旋升角與摩擦角之和的正切tan（λ＋ρ）成反比。在圖1所示裝置中，假設(shè)電動(dòng)機(jī)、絲桿螺母均已選定，此裝置夾持狀態(tài)下α＝10°、l1／l2＝3、λ＝4.5°、ρ＝8.8°，鉸桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率ηMT ＝0.9，杠桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率ηML ＝0.97［4］，則圖1所示裝置可把電動(dòng)機(jī)輸出的扭矩作用在螺桿絲桿中徑上的作用力放大約40倍。這一數(shù)據(jù)充分表明，采用螺旋－鉸桿－杠桿串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)可以大大提高機(jī)械手夾持裝置的夾緊力，從而滿足一些要求夾持力比較大的場(chǎng)合。

3 總結(jié)

（1）圖1所示機(jī)械手夾持裝置結(jié)構(gòu)緊湊，若再將電機(jī)與絲桿螺母機(jī)構(gòu)置于杠桿機(jī)構(gòu)內(nèi)部，相比較于傳統(tǒng)的液壓、氣壓驅(qū)動(dòng)裝置外置的布局，其結(jié)構(gòu)更為緊湊。

（2）在鉸桿－杠桿增力機(jī)構(gòu)實(shí)際工作中，鉸桿機(jī)構(gòu)的理論壓力角α 是一個(gè)非線性的量，而且是越來(lái)越小，則驅(qū)動(dòng)機(jī)械手夾持裝置運(yùn)動(dòng)速度由快變慢，符合實(shí)際工作要求。

（3）采用螺旋－鉸桿－杠桿串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)，可以對(duì)裝置的夾持力進(jìn)行顯著放大。在實(shí)際應(yīng)用中為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合可改變裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如使用二爪、三爪等完成對(duì)不同形狀零件的抓取動(dòng)作；改變杠桿組支撐鉸鏈的位置，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的內(nèi)夾持功能或改變夾持力的大小。

［1］ 郭瑞潔，鐘康民.基于鉸桿－杠桿串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的內(nèi)夾持氣動(dòng)機(jī)械手［J］.液壓與氣動(dòng)，2009（1）：55－56.

［2］ 張彪，葉軍，魯翔，等.一種絲桿螺母機(jī)構(gòu)型機(jī)械手的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)西部科技，2010（15）：31－32.

［3］ 潘旦君.機(jī)械基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，1986.

［4］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.