基于串联增力机构的机械手夹持装置设计.pdf

第 5 期 总第 180 期 2013 年 10 月 机 械 工 程 与 自 动 化 M EC H A N IC A L E N G IN E ER IN G A U T M A T IO N N O 5 O c t 文章编号 1672 6413 2013 05 0078 02 基于 串联增力机构的机械手夹持装置设计米 潘秀石 苏州经贸职业技术学院 机电系 江苏 苏州 215009 摘 要 设计 了一种基于螺旋一铰杆一杠杆 串联增力机构的机械手 分析 了其 工作原理 和性能特点 给 出了夹 持力的计算公式 该机械手结构简单 以方便传输和携带的电能为动力 同时采用 增力机构 提高 了机械 手 的夹持 能力 关键词 螺旋机构 机械手 增力机构 中圈分类号 T P241 文献标识码 A 0 引言 随着工业技术的不 断发展 机械手被广泛应用于 工业 自动生产中 机械手夹持装置按驱动方式分主要 有液 压驱 动 气 压驱 动和 电驱 动 3 种 液 压 式 的机 械 手装置以液压油作为传动介质 装置能够获得大的夹 持力 反应速度快 容易控制 缺点是液压装置所 占空 间大 在工作过程中液压油易发热和发生泄漏对环境 造成化学污染 甚至会 因油液过热引起火灾 气压 驱动式以空气作为传动介质 因此对环境不会造成污 染 夹持动作迅速 便于实现 自动化控制 系统故障少 另外机械手夹持后依靠压缩空气 的势能 可 以持续保 持对被夹持对象的夹紧力 不再消耗其他能源 所 以能 量利率高 其主要缺点是压缩空气容易泄漏 所以系统 压力较低 一般为 0 4 M P a 0 7 M Pa 因而装 置的 夹持力较小 电驱动式 以电能作 为动力源 通过电机 转动带动传动装置来实现机械手运动臂的工作运动 在传动装置中通过机械增力机构对电机的输出力进行 放大 这样就可以大大增加机械手夹持工件的夹持力 其主要缺点是在传动装置 中必须有一个机 械 自锁装 置 以使得电动机在断电后仍能继续保持对被夹持工 件 的夹紧 力 本文设计了基于电力驱动的螺旋 一铰杆一杠杆串 联增力机构的机械手夹持装置 1机械手夹持装置工作原理 机械手夹持装置工作原理图如图 1 所示 装置主 要由电机 联轴器 铰杆组 杠杆组 丝杆及螺母组成 电机通电正转 通过联轴器带动丝杆转动 丝杆带动螺 母组件向右移动 螺母推动铰杆组 此时铰杆压力角 n 逐渐变小 通过铰杆机构的角度效应将 电机输 出力放 大 再将力传递给恒增力杠杆组 通过杠杆机构再将输 出力放大 最终成为机械手装置夹持工件的作用力 F 电机通电反转时 通过联轴器 丝杆 铰杆及杠杆使机 械手松开被夹持工件 若在装置的夹持器上安装 有指 端力传感器和触觉传感 器来对装置夹持力进行控制 可以实现对被夹持工件有效夹持 2 从图 1 中可以看 出 此种机械手装置结构紧凑 简单 整体体积小 另 外螺旋传动机构还具有反 向自锁功能 这样就可以省 去机械手夹持 中的夹紧力保持机构 图 1 机械手夹持装 置工作原 理图 2 力学计算 电机带动丝杆后驱动螺母 移动的螺母 推力 Q 可 按下式进行计算嘲 Q 一 1 江苏省高校科 研成果产业化推进项 目 JH 08 28 收稿 日期 2013 03 21I 修 回 日期 2013 04 20 作者简介 潘 秀石 1980一 男 江苏盐 城人 讲 师 硕 士 研究方向 C AD CA M 数控 加工技术 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2013 年 第 5 期 机 械 工 程 与 自 动 化 7 9 其中 M为电动机的额定转矩 dz 为丝杆 的中径 为 丝杆螺纹升角 D 为丝杆与螺母的当量摩擦角 铰杆的力按下式进行计算 F M T 2 n t 一 a n a 其 中 为夹持机构的副数 图 l为 2 副 仉 仃为铰杆 机构的机械效率 杠杆机构力 F 砸可按下式进行计算 F F J盯 3 其中 z z 分别为杠杆 主动臂 从 动臂 的长度 为 杠杆机构的机械效率 综上所述 图 l所示机械手的夹持力 F 可用下式 计 算 F 一 一 0 0 O e O Q OF nd el ztan p tana 4 一 一 4 由式 4 可 以看 出 机 械手 的夹持力 F 与杠 杆主 动臂 从动臂长度的比值 l z 成正 比 与铰杆机构理 论压力角的正切 tana 成反 比 与丝杆上螺纹的螺旋升 角与摩擦角之和的正切 tan 成反 比 在图 1 所 示 装 置 中 假设 电动 机 丝 杆 螺 母 均 已选 定 此 装 置 夹 持状态下 10 z1 Z2 3 一4 5 l口 一8 8 铰杆机 构 的机械效率 一0 9 杠杆机构的机械效率 0 97 4 则图 1 所示装 置可 把电动机输 出的扭矩作用 在螺杆丝杆中径上的作用力放大约 4O 倍 这一数据 充分表明 采用螺旋一铰杆一杠杆 串联增力机构可以 大大提高机械手夹持装置的夹 紧力 从而满足一些要 求夹持力 比较大的场合 3 总结 1 图 1 所示机械手夹持装 置结构 紧凑 若再将 电机与丝杆螺母机构置于杠杆机构 内部 相 比较于传 统的液压 气压 驱动装置外置 的布局 其结构更 为紧 凑 2 在铰杆一杠杆增力机构实际工作 中 铰杆机 构的理论压力角 是一个非线性 的量 而且是越来越 小 则驱动机械手夹持装置运动速度 由快变慢 符合实 际工作要求 3 采用螺旋 一铰杆 一杠杆串联增力机构 可 以 对装置的夹持力进行显著放大 在实际应用 中为了适 应不同的应用场合可改变装置的机 械结构 如使用二 爪 三爪等完成对不同形状零件的抓取动作 改变杠杆 组支撑铰链的位置 可实现机 械手 的内夹持功能或改 变夹 持力 的大小 参考文献 1 郭瑞洁 钟康 民 基于铰杆 一杠杆 串联 增力机 构的 内夹持 气动机械手 J 液压与气动 2009 1 55 56 2 张彪 叶军 鲁翔 等 一种丝杆 螺母 机构型机 械手的设计 J 中国西部科技 2010 15 31 32 3 潘旦君 机械基础 M 1 北京 高等教育出版社 1986 4 成大先 机械设计手册 M 北京 化学工业出版社 2004 D esi gn o f C l a m p i n g Man i p u l a tor B ased on S eri es F o rc e A m p l i fi er P A N Xi u sh i D epartm en t of M eehatroni e E ng in eeri ng Suzhou In sti tute of T rade C om m erc e Suzho u 2 15009 C hi na A b strac t In thi s pap er a k i n d of c l a m pi n g m an i p u l ato r b ased o n a seri es fo rc e am p l i fi er c o m po sed of spi ral h i ng e stem an d l ever has been desi gned Its w orki ng pri nc i pl e and c harac teri sti c s are di sc ussed and the c al c ul ati on form ul a of c l am pi ng forc e are gi ven T he m an i p u l ato r i s si m p l e i n struetru e c on ven i en t i n o perati on and p ow erfu l i n c l am pi n g fo rc e K ey w ords sc rew m ac han i sm m a ni p ul ato r fo rc e am p l i fi er 上 接 第 77 页 R esea rc h on V ac u u m c ou p l ed D el i very Sy stem of Wh eel l egged Wa l l C l ea n i n g R ob o t W A N G M ei ti ng Q I Y ong feng JIA N G W ei L I Sheng quan BA O Ji a tong C H E N G H ong hu1 LU Li u yan C ol l ege o f E nergy and P ow er E ngi neeri ng Y angzhou U n i versi ty Y angzhou 225127 C hi na A bstrac t T o m eet th e req ui rem en ts o f ad so rb i ng fo rc e and rel ati v e ro tati o n o f th e som e p arts tO the ro bo t bod y i n the p ro c ess o f w h eel l eg ged w al l c l ean i n g rob o t o p erati ng a vac uu m c o u pl ed de l i v ery system w as i n vesti ga ted ad op ti ng m od u l ar d esi g n m eth od Its c o m p osi ti o n an d the sec ti on al sh ap es o f neg ati ve pressu re syn c h ron o us di stri b u tor w ere anal yzed T o m eet th e c o nn ec ti o n req uest for rel a ti vel y stati on ary vac u um g en erator and rotati n g s uc kers th ree desi g n sc enari os of neg ati ve press ure syn c hro n ou s d i stri b uto r w i th di fferen t c ro ss sec ti on al sh ap es w ere p ro po sed A n d then th e c h arac teri sti c s o f rob ot separatel y ado p ti ng d i fferen t prog ram s w ere an al yzed T h e resu l ts p ro vi d e th e fou nd ati o n for rel i ab l e ad sorpti o n and m oti o n of the ro bot w o rki ng o