潘秀石

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院 機電系，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，機械手被廣泛應用于工業(yè)自動生產(chǎn)中。機械手夾持裝置按驅(qū)動方式分主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電驅(qū)動3種。液壓式的機械手裝置以液壓油作為傳動介質(zhì)，裝置能夠獲得大的夾持力，反應速度快，容易控制；缺點是液壓裝置所占空間大，在工作過程中液壓油易發(fā)熱和發(fā)生泄漏對環(huán)境造成化學污染，甚至會因油液過熱引起火災［1］。氣壓驅(qū)動式以空氣作為傳動介質(zhì)，因此對環(huán)境不會造成污染，夾持動作迅速，便于實現(xiàn)自動化控制，系統(tǒng)故障少；另外機械手夾持后依靠壓縮空氣的勢能，可以持續(xù)保持對被夾持對象的夾緊力，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)動式以電能作為動力源，通過電機轉(zhuǎn)動帶動傳動裝置來實現(xiàn)機械手運動臂的工作運動，在傳動裝置中通過機械增力機構(gòu)對電機的輸出力進行放大，這樣就可以大大增加機械手夾持工件的夾持力；其主要缺點是在傳動裝置中必須有一個機械自鎖裝置，以使得電動機在斷電后仍能繼續(xù)保持對被夾持工件的夾緊力。

本文設計了基于電力驅(qū)動的螺旋－鉸桿－杠桿串聯(lián)增力機構(gòu)的機械手夾持裝置。

1 機械手夾持裝置工作原理

機械手夾持裝置工作原理圖如圖1所示。裝置主要由電機、聯(lián)軸器、鉸桿組、杠桿組、絲桿及螺母組成。電機通電正轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器帶動絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿帶動螺母組件向右移動，螺母推動鉸桿組，此時鉸桿壓力角α逐漸變小，通過鉸桿機構(gòu)的角度效應將電機輸出力放大，再將力傳遞給恒增力杠桿組，通過杠桿機構(gòu)再將輸出力放大，最終成為機械手裝置夾持工件的作用力F；電機通電反轉(zhuǎn)時，通過聯(lián)軸器、絲桿、鉸桿及杠桿使機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對裝置夾持力進行控制，可以實現(xiàn)對被夾持工件有效夾持［2］。從圖1中可以看出，此種機械手裝置結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、整體體積小。另外螺旋傳動機構(gòu)還具有反向自鎖功能，這樣就可以省去機械手夾持中的夾緊力保持機構(gòu)。

圖1 機械手夾持裝置工作原理圖

2 力學計算

電機帶動絲桿后驅(qū)動螺母移動的螺母推力Q 可按下式進行計算［3］：

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

鉸桿的力按下式進行計算：

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

杠桿機構(gòu)力FML可按下式進行計算：

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

綜上所述，圖1所示機械手的夾持力F 可用下式計算：

由式（4）可以看出，機械手的夾持力F 與杠桿主動臂、從動臂長度的比值l1／l2成正比，與鉸桿機構(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，假設電動機、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°，鉸桿機構(gòu)的機械效率ηMT ＝0.9，杠桿機構(gòu)的機械效率ηML ＝0.97［4］，則圖1所示裝置可把電動機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)增力機構(gòu)可以大大提高機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合。

3 總結(jié)

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

（2）在鉸桿－杠桿增力機構(gòu)實際工作中，鉸桿機構(gòu)的理論壓力角α 是一個非線性的量，而且是越來越小，則驅(qū)動機械手夾持裝置運動速度由快變慢，符合實際工作要求。

（3）采用螺旋－鉸桿－杠桿串聯(lián)增力機構(gòu)，可以對裝置的夾持力進行顯著放大。在實際應用中為了適應不同的應用場合可改變裝置的機械結(jié)構(gòu)，如使用二爪、三爪等完成對不同形狀零件的抓取動作；改變杠桿組支撐鉸鏈的位置，可實現(xiàn)機械手的內(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)增力機構(gòu)的內(nèi)夾持氣動機械手［J］.液壓與氣動，2009（1）：55－56.

［2］ 張彪，葉軍，魯翔，等.一種絲桿螺母機構(gòu)型機械手的設計［J］.中國西部科技，2010（15）：31－32.

［3］ 潘旦君.機械基礎［M］.北京：高等教育出版社，1986.

［4］ 成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004.