楊益，鐘以波

(1. 蘇州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，江蘇蘇州215104; 2. 蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215021)

工業(yè)機(jī)械手的靈魂和核心是夾持裝置。目前的工業(yè)機(jī)械手的夾持裝置，一般采用電動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)或者氣壓驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)容易受到磁性材料飽和的限制，單位質(zhì)量的設(shè)備所能輸出的功率比較?。?］。液壓傳動(dòng)具有輸出力大、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是其最重要的缺點(diǎn)是液壓介質(zhì)容易泄漏，造成環(huán)境污染。氣壓傳動(dòng)所用的主要介質(zhì)是空氣，取之不盡用之不竭，即使泄漏也不會(huì)造成污染，但是其致命不足是壓力較小，一般只能夠達(dá)到0.5 MPa。因此，在需要大的輸出力場(chǎng)合，人們不得不采用液壓傳動(dòng)。作者設(shè)計(jì)一種既采用氣壓傳動(dòng)，又能使得輸出力達(dá)到使用要求的一種夾持裝置。采用串聯(lián)氣缸和杠桿－肘桿增力機(jī)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足較大的輸出力，整體布局根據(jù)對(duì)稱(chēng)美學(xué)思想來(lái)設(shè)計(jì)［2－3］，采用氣缸又不會(huì)造成環(huán)境污染，因此是一種綠色環(huán)保的夾持裝置。

下面介紹這種外夾持裝置。

1 工作原理及裝置演變

如圖1 所示為夾持一般尺寸的外夾持裝置。該裝置由串聯(lián)氣缸、杠桿機(jī)構(gòu)、肘桿機(jī)構(gòu)等元件組成。其工作原理是:當(dāng)氣動(dòng)閥在圖示位置時(shí)，壓縮氣體通入左右串聯(lián)氣缸的左側(cè)，活塞被推動(dòng)向右運(yùn)動(dòng)，肘桿機(jī)構(gòu)的壓力角α 漸漸變小，進(jìn)行第一次力放大，然后再由杠桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行第二次力放大，并帶動(dòng)夾持元件夾持工件。工件被機(jī)械手放到指定位置后，切換氣動(dòng)閥，壓縮氣體通入左右串聯(lián)氣缸的右側(cè)，使得活塞向左運(yùn)動(dòng)，松開(kāi)工件。

圖1 一般尺寸外夾持裝置

根據(jù)圖1 所示裝置的原理，通過(guò)改變杠桿的位置與形狀，可以設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足不同尺寸要求的夾持裝置［4］，如圖2—5 所示。

圖2 內(nèi)傾斜外夾持裝置

圖3 外傾斜外夾持裝置

圖4 較小尺寸外夾持裝置

圖5 較大尺寸外夾持裝置

2 力學(xué)計(jì)算與性能分析

圖1—5 所示夾持裝置的總夾持力Fo的計(jì)算公式［5］完全一致，即:

如果不采用串聯(lián)氣缸，僅用左邊的一個(gè)氣缸，則總夾持力Fo的計(jì)算公式為:

式中:D 為氣缸直徑;

d 為右氣缸活塞桿直徑;

p 為氣壓系統(tǒng)壓力(MPa);

α 為肘桿機(jī)構(gòu)的理想壓力角(圖1 所示);

l1、l2為杠桿機(jī)構(gòu)相關(guān)組件的長(zhǎng)度 (圖1 所示);

ηMP為氣缸活塞裝置的傳動(dòng)效率，一般應(yīng)取ηMP=0.85［6］;

ηMT為肘桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，一般可取ηMT=0.90［7］;

ηML為杠桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，一般ηML=0.97［8］。

在其他參數(shù)相同的條件下，對(duì)比公式 (2)與(3)，可知文中所介紹的串聯(lián)氣缸驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)械手內(nèi)夾持裝置，其總夾緊力是傳統(tǒng)的僅用一個(gè)氣缸夾持裝置的1.91 倍。如果采用二級(jí)串聯(lián)氣缸后，夾持力還達(dá)不到要求，可適當(dāng)將串聯(lián)氣缸增加到三至四級(jí)。鑒于多級(jí)串聯(lián)氣缸的軸向尺寸將顯著增加，所以一般不推薦采用多于四級(jí)的串聯(lián)氣缸。

3 總 結(jié)

(1)文中提出的串聯(lián)氣缸驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)械手夾持裝置，可極為方便地通過(guò)對(duì)杠桿機(jī)構(gòu)的形狀和角度等進(jìn)行簡(jiǎn)單的改變，以滿(mǎn)足不同尺寸工件的外夾持和不同夾持力的要求。

(2)采用串聯(lián)氣缸，可以明顯提高輸出力，相比較于單個(gè)氣缸，二級(jí)串聯(lián)氣缸的總夾持力提高接近1 倍。

串聯(lián)氣缸驅(qū)動(dòng)的肘桿－杠桿增力工業(yè)機(jī)械手夾持裝置，可在一定范圍內(nèi)代替容易產(chǎn)生環(huán)境污染的液壓傳動(dòng)夾持裝置，符合機(jī)械行業(yè)綠色設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展趨勢(shì)與潮流。

【1】左健民.液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

【2】鐘康民.簡(jiǎn)論對(duì)稱(chēng)性美學(xué)思想指導(dǎo)下的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2004(z1):94 －95，56.

【3】鐘康民，蘇東寧，王明娣.流體傳動(dòng)夾具中介質(zhì)綠色化的途徑與方法探討［J］. 機(jī)床與液壓，2004(11):44 －45，48.

【4】柏青，鐘康民.基于無(wú)桿活塞氣缸的二級(jí)增壓裝置［J］.機(jī)械制造，2007(4):67 －68.

【5】DOU Yunxia，WANG Mingdi，SU Dongning，et al.Reconfigurable Pneumatic Clamping Device of Industry Manipulator based on Toggle-Lever Force Amplifier in Series ［C］//Proceedings of the ASME 2009 International Mechanical Engineering Congress ＆ Exposition IMECE 2009，F(xiàn)lorida，USA，2009:183 －186.

【6】宋學(xué)義.袖珍液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

【7】陸雯，鐘康民.平行同步雙邊肘桿增力機(jī)構(gòu)及其在液壓傳動(dòng)中的應(yīng)用［J］.工程機(jī)械，2005(1):45 －46.

【8】林文煥，陳本通.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1987.

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