羅 堅(jiān)，徐 峰，陳妙芳，潘 波，鄭 龍，趙輝軍，張加杰，陳章強(qiáng)

（1.邁得醫(yī)療工業(yè)設(shè)備股份有限公司，浙江 臺(tái)州 317600；2.瑞好聚合物（蘇州）有限公司，上海 200050）

在醫(yī)用耗材自動(dòng)化組裝設(shè)備行業(yè)，氣動(dòng)手指夾的應(yīng)用非常廣泛，主要用于各種物料的夾取動(dòng)作。然而由于氣動(dòng)手指夾內(nèi)部集成了滑軌、連桿機(jī)構(gòu)和氣缸，導(dǎo)致其自身結(jié)構(gòu)不夠緊湊，在較多場(chǎng)合無(wú)法使用，如果選用尺寸較小的氣動(dòng)手指夾，不僅夾緊力不夠，而且使用壽命也很短。另外，氣動(dòng)手指夾需要配合氣缸或電缸一起使用，由氣缸或電缸帶動(dòng)氣動(dòng)手指夾移動(dòng)以?shī)A取物料，如此一來(lái)，氣動(dòng)手指夾和氣缸的進(jìn)氣管和排氣管、磁性開(kāi)關(guān)以及電缸的線纜就比較多，不僅造成管線排布雜亂，還會(huì)影響物料的正常夾取。

文獻(xiàn)[1-2]專(zhuān)門(mén)對(duì)直動(dòng)型凸輪機(jī)械手進(jìn)行了深入的研究，涉及了平面凸輪和弧面凸輪驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手的設(shè)計(jì)和分析。受到凸輪機(jī)械手的啟發(fā)，如果能夠設(shè)計(jì)一種移動(dòng)式夾鉗機(jī)構(gòu)，并用凸輪驅(qū)動(dòng)，那么就完全可以替代目前廣泛使用的氣動(dòng)手指夾、氣缸或電缸，且可以根據(jù)實(shí)際需求將夾鉗設(shè)計(jì)成任意結(jié)構(gòu)形狀，機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低。通過(guò)多方面的綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，凸輪機(jī)構(gòu)在自動(dòng)化設(shè)備中有著不可多得的優(yōu)勢(shì)，它不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度高，且動(dòng)作平穩(wěn)、噪聲低、無(wú)沖擊、可靠性高、成本低、使用壽命長(zhǎng)。

該夾鉗機(jī)構(gòu)通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的凸輪聯(lián)合動(dòng)作及后續(xù)搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，來(lái)實(shí)現(xiàn)夾鉗的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和啟動(dòng)作。由這兩個(gè)凸輪的廓線形成夾鉗的運(yùn)動(dòng)并對(duì)其進(jìn)行控制，而凸輪曲線是根據(jù)夾鉗的動(dòng)作要求由設(shè)計(jì)給定的。

1 夾鉗機(jī)構(gòu)原理

1.1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

往復(fù)式夾鉗建構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。擺桿A1OfB1和擺桿A2OfB2以O(shè)f為公共擺動(dòng)軸，凸輪 1（cam1）驅(qū)動(dòng)擺桿A1OfB1，通過(guò)連桿B1C1帶動(dòng)C1D1的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；凸輪2（cam2）驅(qū)動(dòng)擺桿A2OfB2，通過(guò)連桿B2C2帶動(dòng)C2D2的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在桿C1D1上連接有兩個(gè)滑槽，兩個(gè)滑槽分別于C1D1行成轉(zhuǎn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)動(dòng)副的中心為D1，同時(shí)兩個(gè)滑槽又同時(shí)與C2D2以凸輪副連接。

圖1 往復(fù)式夾鉗機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 原理分析

往復(fù)式夾鉗的運(yùn)動(dòng)軌跡圖如圖2 所示。在軌跡的右端夾鉗打開(kāi)，然后保持夾鉗打開(kāi)狀態(tài)向左水平移動(dòng)，到達(dá)軌跡的最左端后，夾鉗關(guān)閉，之后保持關(guān)閉狀態(tài)返回到最右端，行成一個(gè)動(dòng)作循環(huán)。

圖2 往復(fù)式夾鉗運(yùn)動(dòng)軌跡圖

動(dòng)作起始階段，兩個(gè)凸輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪1 此時(shí)處于休止期，控制C1D1保持不動(dòng)，而凸輪2 驅(qū)動(dòng)擺桿A2OfB2，通過(guò)連桿B2C2帶動(dòng)C2D2向左移動(dòng)，依靠凸輪副D2驅(qū)動(dòng)連接在D1上的兩個(gè)滑槽產(chǎn)生相向擺動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)夾鉗的打開(kāi)動(dòng)作；之后，C1D1和C2D2在凸輪1 和凸輪2 的驅(qū)動(dòng)下同步向左移動(dòng)，此時(shí)兩個(gè)滑槽相對(duì)D1保持靜止，即夾鉗保持打開(kāi)狀態(tài)并向左移動(dòng)；在到達(dá)最左側(cè)后，C1D1在凸輪1 的控制下保持靜止，C2D2在凸輪2 的控制下向右移動(dòng)，在凸輪副D2驅(qū)動(dòng)下，連接在D1上的兩個(gè)滑槽產(chǎn)生相向擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾鉗的夾緊動(dòng)作；最后，C1D1和C2D2在凸輪1 和2 的驅(qū)動(dòng)下同步向右移動(dòng)，此時(shí)兩個(gè)滑槽相對(duì)D1保持靜止，即夾鉗保持關(guān)閉狀態(tài)并向右移動(dòng)，直到返回到軌跡的最右側(cè)。

2 夾鉗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 相位設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相位圖如圖3 所示。在打開(kāi)和關(guān)閉夾鉗的過(guò)程中，要保持轉(zhuǎn)動(dòng)副D1處于靜止?fàn)顟B(tài)。為了保持夾鉗在往復(fù)移動(dòng)中的啟閉狀態(tài)，就要求C1D1和C2D2是同步運(yùn)動(dòng)的，因此，其移動(dòng)的起始時(shí)間和動(dòng)作周期都設(shè)計(jì)為相同。

圖3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相位圖

2.2 凸輪設(shè)計(jì)

為了保持C1D1和C2D2運(yùn)動(dòng)的同步性，在設(shè)計(jì)兩個(gè)凸輪時(shí)，選用了相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相位圖和文獻(xiàn)[3]，設(shè)計(jì)的凸輪1 和凸輪2 的輪廓曲線如圖4 和圖5 所示。

圖4 凸輪1 內(nèi)輪廓曲線

圖5 凸輪2 內(nèi)輪廓曲線

在設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，考慮到要簡(jiǎn)化夾鉗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，避免使用彈簧約束從動(dòng)件滾子與凸輪廓面間的嚙合，凸輪1 和凸輪2 都采用了溝槽的結(jié)構(gòu)。

2.3 夾鉗設(shè)計(jì)

夾鉗機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6 所示，該夾鉗的啟閉采用了凸輪機(jī)構(gòu)原理，兩個(gè)傾斜的滑槽M 和N 交錯(cuò)放置，并共用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，一個(gè)銷(xiāo)或滾子放置在兩個(gè)滑槽的公共交叉處，當(dāng)銷(xiāo)或滾子左右移動(dòng)時(shí)，就可以同時(shí)控制滑槽M 和N 的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，且滑槽M 和N 是相向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制夾鉗的啟閉動(dòng)作。

圖6 夾鉗機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 夾鉗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

往復(fù)式夾鉗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7 所示。導(dǎo)桿可以在導(dǎo)筒內(nèi)滑動(dòng)，而導(dǎo)筒又可以在直線軸承內(nèi)滑動(dòng)。夾鉗的上下兩部分安裝在夾鉗座上，夾鉗座通過(guò)螺釘鎖緊在導(dǎo)筒上。凸輪1 和凸輪2 可以獨(dú)立控制導(dǎo)筒和導(dǎo)桿往復(fù)移動(dòng)，從而達(dá)到既可以控制夾鉗啟閉，又可以在保持夾鉗啟閉狀態(tài)的情況下移動(dòng)夾鉗。

圖7 往復(fù)式夾鉗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)的需求，凸輪1 和凸輪2 既可以設(shè)計(jì)成獨(dú)立的槽凸輪，也可以設(shè)計(jì)成一個(gè)凸輪帶雙面溝槽的結(jié)構(gòu)形式。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本文的機(jī)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)方法，可以按照不同的設(shè)備需求，將該移動(dòng)式夾鉗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成任意的結(jié)構(gòu)形式，并能將凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)充分地應(yīng)用到自動(dòng)化組裝設(shè)備中。尤其是在醫(yī)用耗材自動(dòng)化組裝設(shè)備領(lǐng)域，該機(jī)構(gòu)可以直接替代氣動(dòng)手指夾、氣缸和電缸，在節(jié)省成本的同時(shí)，還能最大化地提高設(shè)備的性能。