快慢自適應大夾持力機構設計及實驗驗證

田世偉，周慶奎，趙宏亮，趙寶君，宋婉貞，班 超

( 中國電子科技集團公司第四十五研究所， 北京 100176)

在微電子制造的關鍵設備中，為了提高生產效率，在運動臺設計過程中需要通過添加載物臺的數量來實現產能的提升，多載物臺的應用就需要能夠實現自由控制開啟和夾緊的機構，來進行運動驅動組件與載物臺的連接。

根據該夾緊機構的應用工況，需要該機構一方面能夠在產率指標分配的規定時間內，快速完成鎖緊和開啟動作；另一方面對這種連接機構的可靠性和穩定性要求嚴格，一旦出現問題會給用戶帶來巨大的經濟損失。這就要求該夾持機構在工程應用上要考慮使用可靠的夾持動力源以及合理的控制邏輯。

本論文主要包含以下內容：（1）確定穩定可靠的夾持動力源，再在此基礎上確定夾持力的放大形式，并以力學模型為理論基礎，建立夾持力與被動夾持機構的數學模型；（2）通過氣路設計和電控板卡設計給出快慢自適應的控制電路；（3）進行所有設計的實驗驗證，通過實驗而確定了設計思路和設計過程的可行性。

1 大夾持力實現方案

1.1 夾持原理

夾持機構按照夾持原理可分為主動夾持和被動夾持兩種。主動夾持原理是在機構中引入外界驅動源作用力，從而實現主動夾持鎖緊，這種方式的鎖緊力大小一般跟驅動源作用力的大小成正相關；被動夾持方式在夾持機構中安裝有被動式驅動源，該驅動源一般是由彈性元件經過增力結構提供，同時，在此基礎上也會引入外界主動驅動源，在主動外界驅動源作用下夾持機構會實現開啟，無驅動源作用時，夾持裝置處于鎖緊狀態。抓卡裝置可采用氣動、液壓、電機等驅動方式[1，2]。被動加緊機構相較于主動夾持機構在可靠性、適應性以及動力裝置成本上更具優勢，本文將對采用基于氣動驅動的被動式夾持結構進行論證分析。

抓卡機構的夾持原理如圖1 所示。該裝置采用氣缸驅動杠桿的主動和疊簧驅動杠桿的被動方式，將活塞的往復運動轉變為夾緊連接塊的上下運動，實現部件A 和部件B 的連接和分離。夾緊裝置和部件B 的連接接觸面采用V 型面接觸，當氣缸充氣時，活塞向右運動帶動杠桿短臂向下轉動，柔性頂塊在杠桿的帶動下向下運動，夾緊連接塊的V 型面與夾緊機構的V 型零件脫開，從而實現部件A 與部件B 的分離；氣缸排氣時，活塞在疊簧的回復力下，帶動杠桿短臂向上轉動，柔性頂塊克服夾緊連接塊的重力和簧片的彈力向上運動實現V 形面鎖緊。該夾緊裝置采用被動夾緊、主動松開的工作模式，保證機構在突然掉電工況下處于夾緊狀態，從而保證部件A 和部件B 的連接可靠性和系統的安全性。柔性頂塊的鎖緊力由疊簧的彈力經過杠桿放大后提供，杠桿長短臂之比大為b:a，經杠桿放大后柔性頂塊的Z 向夾緊力為疊簧回復彈力的4 倍，柔性頂塊的運動行程為活塞運動行程的1/4。

圖1 抓卡裝置原理

計算夾緊力需求時可以考慮疊簧回復力F1和杠桿比例大小b:a 以及V 型塊的斜面角度θ 這幾個參數。同時需要考慮部件B 的運動參數需求，包括質量m、加速度a，根據需求確定F1、b:a、θ等設計參數。下面以部件B 質量為35 kg，最大加速度為20 m/s2為例，對力學模型進行受力分析。同時為了保證設計的安全性，留有15%的安全余量。該受力分析考慮X 向（V 型面摩擦力方向），Y向由夾緊持連接塊與部件B 的柔性連接剛度去考慮，在本文中不做討論。這樣計算下來，部件B運動時所需的X 向驅動力為800 N。其力學分析模型如圖2 所示。

圖2 部件A 與部件B 連接簡化力學模型

連接件Z 方向受力平衡，可得：

得到V 形接觸面上作用力的大小：

部件B 的X 向運動所需驅動力由V 型接觸面靜摩擦力、柔性頂塊和夾持連接件接觸面的靜摩擦力的合力提供，設V 型接觸面摩擦系數為μ1，柔性頂塊和夾持連接件的摩擦系數為μ2，則該機構能提供的最大X 向驅動力[3]為：

與驅動力比較可得式(4)：

考慮到后面實驗驗證，取μ1= μ2= 0.1，θ=50°，可得0.3366Fz＞800 N，

當FZ＞2 377 N 時，該機構能夠提供部件B（質量為35 kg）在X 向以加速度20 m/s2運動時所需的驅動力，根據該需求可對疊簧及杠桿進行設計，杠桿比例可按照b:a=4:1 進行設計，得到疊簧提供的力F1=594.25 N，后續驗證即在該參數下驗證FZ＞2 377 N。

由式（4）可知，可以通過調整杠桿比例b:a、μ1、μ2、θ 的大小來調整夾持裝置所能提供的最大X 向驅動力，保證運動部件B 在大加速度和大質量下運動的安全性和可靠性。

1.2 控制邏輯需求

為盡可能高的提高部件A 和部件B 連接的可靠性、使用壽命和夾持效率，提出如下3 點控制需求：（1）為保證連接的可靠性要求該夾持機構在斷電且不做任何操作的時候，保證夾持機構能始終在夾緊狀態；（2）為了保護部件A 和部件B 中間連接件夾持連接塊的使用壽命和夾持效率，要求柔性頂塊對夾持連接件有盡可能小的沖擊力，即在機構釋放夾持力工況下要盡可能的快；機構需要夾持連接時，要使柔性頂塊在接近夾持連接塊時能夠快速的接近，在接近達到一定力要求時能夠緩慢的進行夾持；（3）要保證在夾持連接塊和V 型楔形塊之間能夠滿足垂向夾持力的大小，保證部件A 能夠帶動部件B 做大加速運動。運動示意圖如圖3 所示。

圖3 運動示意圖

1.3 氣路設計

通過控制邏輯需求進行如圖4 所示氣路設計，該氣路圖中用到了兩個雙電控兩位五通先導式電磁閥，利用該閥可以控制氣路的通斷，同時可以保證機構突然掉電的情況下可以保持當前狀態；在閥1 前端和閥2 后端存在兩個壓力檢測傳感器，用來給控制電路提供壓力值判斷輸入；儲氣罐1 位于閥1 前用來保證在CDA（壓縮空氣）突然斷掉的情況下，儲氣罐1 還能持續的給夾持機構提供一段時間的正壓，保證柔性頂塊和夾持連接塊緩慢夾緊；同時為了保證在夾緊時活塞的排氣不至于污染部件A 和部件B，在閥路里面設計有抽排氣路。

圖4 氣路原理示意圖

結合氣動原理圖，以正壓0.5 MPa 充氣壓力和保護設定壓力0.2 MPa 為例，對如下幾種操作工況進行說明：

（1）夾持機構打開氣路操作動作

①閥1 的線圈1 和閥2 的線圈3 得電，閥1工位1~4 導通，閥2 工位1~4 導通；

②夾持機構活塞底部氣缸充氣到0.5 MPa 時，充氣完成，閥1 的線圈1 和閥2 的線圈3 掉電。

（2）夾持機構夾緊氣路操作動作

①閥1 的線圈2 和閥2 的線圈4 得電，此時閥1 與閥2 的4、5 導通，夾持機構在疊簧回復力的作用下從0.5 MPa 開始快速放氣；

②當夾持機構放氣到0.2 MPa 時，閥2 的線圈3 得電，閥2 切換到工位4、1 導通，再通過閥1的4、5 通路，進入到帶有小孔截流的抽排氣路中，進行慢速放氣；

（3）不做任何操作時夾持機構狀態

不做任何操作時定義夾持機構是夾緊狀態，電磁閥線圈都不上電，閥1 保持在工位4、5 導通，閥2 保持在工位4、5 導通，這樣顆粒抽排管路會時刻對夾持機構的氣路部分進行抽排，保證部件A 和部件B 的潔凈度。

1.4 電控設計

該夾持機構應具備手動控制和遠程軟件控制兩種模式，且在手動控制下，軟件遠程控制時效，目的是為了在部件A 與部件B 離線調試或者測試時，便于離線手動處理。該夾持機構的電控原理圖如圖5 所示，電控原理圖中包含夾緊機構充排氣控制器、壓力采集，快/ 慢速排氣切換控制，手動切換控制等部分組成，其中：

圖5 電控功能框圖

（1）充排氣控制通過接受軟件指令實現充氣和排氣電磁閥的開關實現對夾緊機構進行充氣或排氣；

（2）壓力采集電路部分通過壓力傳感器采集夾緊機構活塞底部的壓力；

（3）快/ 慢速排氣切換控制通過對比采集到的夾緊機構活塞底部的壓力值和設定的壓力值，控制快速排氣電磁閥的開關，實現快/ 慢速排氣的控制；

（4）手動切換控制通過雙刀雙擲開關切斷充排氣電磁的控制電路，直接連接到電源上，實現對充/排氣電磁閥的優先控制。

結合上述原理圖描述該夾持機構具備的功能如下：

功能1：手動控制閥同時按下供電+OPEN時，夾持機構松開

功能2：手動控制閥同時按下供電+CLOSE時，夾持機構鎖死

功能3：線圈1 和線圈2 為一個雙控電磁閥，線圈3 和線圈4 為一個雙控電磁閥，其中1 和3為并聯關系，同時動作，外部可控（open 閥）；2 外部可控（close 閥），4 外部不可控，通過氣壓控制。

2 實驗驗證

2.1 夾持力測試

夾持機構的夾持力大小直接影響到部件A 和部件B 聯接穩定性，所以需要對夾持機構的夾持力進行測試以判斷是否符合理論設計要求。

利用力傳感器及配套數顯儀器測試該夾持機構夾緊推動塊在夾緊位置狀態下的力值。選用如下測量設備及工裝工具，力傳感器（量程8 000 N），配套數顯儀（精度0.01 N）；按照機械設計的垂向夾持行程，設計測試用工裝，包括上墊塊、下墊塊及0.1 mm 厚金屬圓片；

實驗步驟：

1）將上墊塊及下墊塊安裝在夾持機構上；

2）夾持機構的電控板卡上電；

3）將0.5 MPa 正壓接入夾持機構氣源輸入口；

4）將力傳感器放置在下墊塊固定位置上，由0.1 mm 厚圓片調節力傳感器高度；

5）控制夾持機構中部手動控制按鈕，實現夾持機構夾緊/ 打開功能驗證，并記錄夾緊力數據。實驗測試結果如表1 所示。

表1 實驗測試結果

根據前期理論計算FZ>2 377 N，測試結果顯示在柔性頂塊與柔性連接塊間距小于3.6 mm 時，垂向夾緊力均大于2 390 N，可滿足運動組件設計要求，3.6 mm 即為部件A 和部件B 設計的最大間隙。

2.2 夾緊動作測試

夾持機構在夾緊過程中需保證在壓力釋放到0.2 MPa 時，電磁閥2 線圈3 動作，夾緊機構由快速夾緊變換到緩慢夾緊。

利用氣路圖中的末端壓力傳感器，示波器實時讀取夾持機構在排氣夾緊過程中的壓力變換，判斷是否在夾緊過程中該夾持機構存在快速排氣夾緊和慢速夾緊排氣兩個階段。

實驗步驟：

1）將示波器信號采集線與夾持機構電控板卡數據讀取端口連接；

2）夾持機構的電控板卡上電；

3）將0.5 MPa 正壓接入夾持機構氣源輸入口，手動控制夾持機構打開（手動控制閥同時按下供電+OPEN）；

4）將示波器上電并實時讀取壓力傳感器1 的讀數，采樣頻率為200 Hz；

5）手動控制夾持機構排氣夾緊（手動控制閥同時按下供電+CLOSE），夾緊機構進入夾緊過程。

實驗測試結果如圖6 所示。

圖6 夾持機構腔體內氣壓隨時間變換曲線

從壓力與時間的關系圖可以清楚看到，夾持機構排氣夾緊時，壓力值隨著時間的延長而線性降低，當壓力值降低到設定壓力值0.2 MPa 后夾緊機構變為緩慢夾緊。

3 結 論

（1）根據本文中關于夾持機構的結構原理及夾持力計算方法可準確的對夾持機構提供垂向夾持力進行計算，且根據本文的計算方法并通過實驗驗證，可得到滿足設計指標的垂向夾持力。

（2）本文中給出關于夾持機構夾緊/打開的控制邏輯，可以通過工程上的電控設計、氣路設計進行實現，并在工程應用中得到準確的驗證。

（3）本文中設計的夾持機構，在盡可能保證部件A 和部件B 夾持快速響應的同時，又盡可能減少夾持機構對被夾持部件夾持連接塊的沖擊力，提高連接部件的使用壽命。