◇蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 褚 磊 徐忠蘭

本文設(shè)計(jì)了一種手持式夾取器，便于夾取圓形或不規(guī)則物體，夾取力大，易鎖緊，夾持平穩(wěn)防滑，主要從夾頭個(gè)數(shù)、夾頭結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等幾個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，滿足了市場(chǎng)上夾取圓形物件的專用夾具需求。

1 前言

制造業(yè)中涉及到的工序較多，通常需要將半成品工件從一個(gè)工位轉(zhuǎn)移到另一個(gè)工位繼續(xù)加工。工件所處環(huán)境有時(shí)溫度較高，有時(shí)可能處于腐蝕性液體中，需要用夾具協(xié)助轉(zhuǎn)移。環(huán)衛(wèi)工人或公益志愿者撿取垃圾、果皮，廢紙、瓶子等，為防止危險(xiǎn)物品劃傷手、細(xì)菌病毒污染手，需要使用夾子協(xié)助完成。行動(dòng)不便者通過夾子可在一定距離內(nèi)拿取物品。花圃里搬運(yùn)仙人球花盆需要夾子協(xié)助，防止花刺扎傷手。尤其是近兩年新冠病毒的傳播讓我們時(shí)刻繃緊神經(jīng)，勤洗手、少聚集，切斷病毒和細(xì)菌的傳播途徑，借助取物夾可以避免直接接觸污染的物品，減少病毒細(xì)菌的傳播。但是目前市面上的取物器或取物夾基本都是兩爪，夾取穩(wěn)定性不高，強(qiáng)度不足，當(dāng)夾取圓形物體時(shí)，由于兩爪用力不易平衡，很容易打滑，夾取不方便或滑脫損壞物品。設(shè)計(jì)一款?yuàn)A取力大，易鎖緊，夾持平穩(wěn)防滑的夾取器尤為迫切。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種手持式夾取器，便于夾取圓形或不規(guī)則物體，夾取力大，易鎖緊，夾持平穩(wěn)防滑，主要從夾頭個(gè)數(shù)、夾頭結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等幾個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2 夾頭個(gè)數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上夾子通常是兩爪夾頭，兩爪夾頭夾取物品著力點(diǎn)是兩處，由于物品形狀多樣且可能不規(guī)則，根據(jù)受力分析，兩個(gè)力很難在同一直線上，很難達(dá)到平衡，尤其當(dāng)夾取圓形物體時(shí)會(huì)從夾頭滑脫，見圖1。三爪夾頭由于有三個(gè)力作用在物體上且向內(nèi)匯聚很容易達(dá)到平衡，夾取平穩(wěn)，物品不易滑脫，見圖2。

圖1 兩爪夾頭受力圖

圖2 三爪夾頭受力圖

3 夾頭防滑設(shè)計(jì)

夾頭采用PC材料，PC材料是性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料，具有突出的抗沖擊能力，耐蠕變和尺寸穩(wěn)定性好，熱穩(wěn)定性好，吸水率低、無(wú)毒，有抑制細(xì)菌特性，PC材料相對(duì)金屬材料有比較高的摩擦系數(shù)，可以增大摩擦力。PC材料通過注塑模具能夠制造出合適的復(fù)雜的夾頭形狀。夾爪上與被夾物體接觸的地方整體采用弧形結(jié)構(gòu)，與圓形物體相適應(yīng)，增大包容面。另外接觸面上設(shè)計(jì)多根凸起的條棱狀，增大夾頭與物體的摩擦力，起到防滑作用。夾爪結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 夾爪結(jié)構(gòu)示意圖

4 夾頭的拉緊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾頭保持常開，夾緊是通過手部動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，從手指的扣機(jī)動(dòng)作到夾子頭部夾頭的收緊動(dòng)作需要一套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。拉緊動(dòng)作可以通過最簡(jiǎn)單的構(gòu)件彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)，手松開靠彈簧的回彈使夾頭張開，但是彈簧拉緊力不夠穩(wěn)定，且時(shí)間長(zhǎng)了容易失效，夾頭的夾緊力不足以?shī)A取物品。連桿式拉緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，見圖4，能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞且夾緊力穩(wěn)定，看似能實(shí)現(xiàn)夾子頭部的夾緊，但是在拉桿（構(gòu)件2）與滑槽配合度要求較高的條件下，機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式如下：自由度個(gè)數(shù)F=3n-2PL- PH=3*2-2*3-0=0，其中n為連桿式拉緊機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)量，PL為 低副個(gè)數(shù)，PH為 高副個(gè)數(shù)，經(jīng)計(jì)算，自由度為0，則機(jī)構(gòu)因?yàn)樽杂啥鹊娜笔Ф鵁o(wú)法傳遞運(yùn)動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)夾緊。

圖4 連桿式拉緊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為解決自由度的問題，對(duì)連桿式拉緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在原先運(yùn)動(dòng)受限的結(jié)構(gòu)處增加活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)量，同時(shí)也改變了運(yùn)動(dòng)副的個(gè)數(shù)。在構(gòu)件2和構(gòu)件1之間增加一個(gè)構(gòu)件3，即增加一個(gè)滑槽機(jī)構(gòu)（構(gòu)件3），見圖5，構(gòu)件3上的槽與構(gòu)件1上的桿組成一個(gè)移動(dòng)副。機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式如下：自由度個(gè)數(shù)F=3n-2PL- PH=3*3-2*4-0=1，自由度為1，原動(dòng)件個(gè)數(shù)也為1，滿足原動(dòng)件個(gè)數(shù)=自由度個(gè)數(shù)≥1，機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。工作原理如下：拉動(dòng)拉桿（構(gòu)件2），通過轉(zhuǎn)動(dòng)副B帶動(dòng)構(gòu)件3運(yùn)動(dòng)，構(gòu)件3通過移動(dòng)副帶動(dòng)構(gòu)件1繞轉(zhuǎn)動(dòng)副A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾子頭部夾緊。構(gòu)件均為剛性構(gòu)件，傳動(dòng)穩(wěn)定，夾持力大。

5 采用輕型材料

在滿足夾取功能的基礎(chǔ)上盡可能減輕整個(gè)產(chǎn)品的重量，讓使用者輕松操作。起機(jī)架作用的方管采用塑料，圖5中構(gòu)件2可以設(shè)計(jì)成鋼絲，其它零部件亦可采用塑料注塑成型，既可成復(fù)雜一體，又大大減輕重量，節(jié)約成本。

圖5 鉸鏈滑塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拉緊示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)生活中的手持式夾取器進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和研究。將常見的兩爪改為三爪，增加了夾取的強(qiáng)度、力度和穩(wěn)定性；夾頭材料采用PC材料，增大摩擦系數(shù)，夾頭結(jié)構(gòu)采用弧形接觸面帶條棱，增大摩擦力和抓取的穩(wěn)定性；傳動(dòng)結(jié)構(gòu)采用鉸鏈滑塊機(jī)構(gòu)，使傳動(dòng)順暢省力，效率高，滿足了市場(chǎng)的需求。