引言

隨著"中國制造2025"的提出,現(xiàn)代機械產(chǎn)品正面臨著更加復(fù)雜和靈活的市場環(huán)境。人口紅利的消失,促使適齡勞動力越來越緊張,迫使作業(yè)生產(chǎn)自動化和智能化成為研究的重點。智能制造離不開機械手,機械手是能按固定程序和要求,模仿人手抓取、搬運或操作的一種新型自動裝置。機械手抓取并搬運物品主要靠安裝在其上的未端執(zhí)行器。機械手能周而復(fù)始地在臟、亂、差及有毒等環(huán)境下工作,尤其是在生產(chǎn)線和危險品處理等領(lǐng)域,由于工作的復(fù)雜性和場合的多樣性,這些領(lǐng)域一部分物品的抓取、搬運和置放仍靠人工進(jìn)行,致使工作效率不高。

為提高生產(chǎn)線和危險品處理等領(lǐng)域的工作效率,降低作業(yè)成本,改善人類勞動條件,本文將螺旋傳動與齒條齒輪、曲柄連桿機構(gòu)組合,設(shè)計了能增力且自鎖性能良好的一種電動機械手內(nèi)抓取裝置,并將其作為機械手的末端執(zhí)行器,用來代替人工完成物品的抓取和置放,將人從繁重的勞動及有害的環(huán)境中解放出來,從而實現(xiàn)作業(yè)的自動化和智能化。

1電動機械手內(nèi)抓取裝置工作原理

螺旋傳動是進(jìn)行能量和力傳遞的機械傳動裝置,具有傳動比大和可傳遞很大的軸向力等優(yōu)點。齒輪齒條可將齒輪的轉(zhuǎn)動與齒條的平動自由轉(zhuǎn)化,具有承載力大、傳動精確和無限長度延續(xù)對接等優(yōu)點。曲柄連桿機構(gòu)能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)直線運動。減速電機是一種無污染的"綠色"傳動技術(shù),能將電能直接輸出為大轉(zhuǎn)矩,且可靠性高,承受過載能力和效率高。

本文利用螺旋傳動、齒輪齒條和曲柄連桿機構(gòu)的上述優(yōu)點,將三者與減速電機結(jié)合起來,設(shè)計了一種電動機械手內(nèi)抓取裝置,并將其作為機械手的末端執(zhí)行器。電動機械手內(nèi)抓取裝置的原理圖如圖1所示,該裝置主要由減速電機、螺桿、螺母、左右齒條、左右齒輪、左右曲柄連桿及左右抓取壓頭等組成。螺母的兩側(cè)分別與左、右齒條相連,左、右齒輪齒條一曲柄連桿機構(gòu)對稱布置。

電動機械手內(nèi)抓取裝置工作原理:正向電能驅(qū)動減速電機逆時針旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的減速電機帶動與其相連的螺桿逆時針旋轉(zhuǎn),螺桿再帶動螺母和與螺母相連的左、右齒條上移,上移的左、右齒條分別與左、右齒輪嚙合,將動力傳遞到左、右齒輪上,并把齒條的直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樽?、右齒輪的圓周運動:然后,左、右齒輪分別帶動較接在其上的左、右曲柄連桿運動,使左曲柄連桿向左直線運動,右曲柄連桿向右直線運動,從而使左、右抓取壓頭分別向工件或物品內(nèi)表面靠近,此時由于左、右曲柄連桿機構(gòu)的角度效應(yīng)實現(xiàn)了一次力的放大:最后,左、右抓取壓頭的輸出力作用在工件或物品的內(nèi)表面,完成左右撐緊抓取動作。因左、右抓取壓頭端部裝有壓力傳感器,當(dāng)抓取壓力達(dá)到設(shè)定值時,壓力傳感器先將此信息返回給機械手的控制系統(tǒng),然后控制系統(tǒng)將停止信號發(fā)送給減速電機并讓其停止轉(zhuǎn)動,使整個內(nèi)抓取裝置處于自鎖狀態(tài)[8],即物品在搬運、移動中,其一直被撐緊且抓取力保持不變,使裝置不再消耗能源,進(jìn)一步實現(xiàn)"綠色化"。當(dāng)物品被搬運、移動到指定地點后,此時減速電機接入反向電能,螺桿順時針旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的螺桿帶動螺母和左、右齒條下移,下移的齒條再帶動左、右齒輪反向旋轉(zhuǎn),接著齒輪帶動較接在其上的左、右曲柄連桿運動,使左曲柄連桿向右直線運動,右曲柄連桿向左直線運動,使左、右抓取壓頭分別離開物品內(nèi)表面,從而松開工件。

設(shè)計中,為保證自鎖可靠,采用單線螺紋,并選用合適的螺紋升角,取螺紋升角w小于螺旋副的當(dāng)量摩擦角ov,且ov-w≥1N。

設(shè)計中,根據(jù)所抓取物品的內(nèi)徑大小來確定曲柄和連桿的長度。為撐緊物品而串聯(lián)的曲柄連桿機構(gòu)具有角度增力效應(yīng),即當(dāng)角α減小時,抓取壓頭運行位移很小,而壓頭抓取力卻快速變大;當(dāng)角a增大時,抓取壓頭可獲得大位移并快速進(jìn)給,使運行位移與抓取力具有非線性變化[10]。

2力學(xué)計算

2.1力學(xué)計算公式

若減速電機功率為Ⅳ,減速比為i,額定轉(zhuǎn)速為n,使用系數(shù)為Ka,則減速電機輸出扭矩公式為:

若螺桿螺紋中徑為d2,螺紋升角為w,螺旋副的當(dāng)量摩擦角為ov,可算出螺旋傳動效率n1=tanw/tan)w+ov）,則螺桿所受的軸向力公式為:

因左、右齒條直接與螺母相連,所以齒條所受推力與螺母所受軸向力大小相等、方向相同。而螺母與螺桿所受軸向力大小相等、方向相反。因此,左、右齒條所受推力與螺桿所受的軸向力F大小相等、方向相反,并將齒條的平動轉(zhuǎn)化成齒輪的轉(zhuǎn)動。

若左右齒輪分度圓直徑均為d1,齒輪齒條傳動效率為n2,則左、右齒輪扭矩大小72=F·d1/2n2,把公式（3）代入左、右齒輪扭矩72,最終得左、右齒輪扭矩大小公式為:

因左、右曲柄連桿機構(gòu)的曲柄中心分別與左、右齒輪中心同軸心且曲柄隨齒輪轉(zhuǎn)動,因此,左、右曲柄轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩就是左、右齒輪轉(zhuǎn)動的扭矩72。若左、右曲柄中心到連桿較接點距離均為r,則左、右曲柄所受圓周方向切向力Ft=72/r。

如圖1所示,左、右曲柄轉(zhuǎn)角均為8,左、右連桿擺角均為a,左、右曲柄連桿機構(gòu)傳動效率為n3,則左、右曲柄傳遞給左右連桿方向的力:

左、右抓取壓頭輸出力:

將公式（3）代入左、右抓取壓頭輸出力F0/n公式,并考虎左、右曲柄連桿機構(gòu)傳動效率,可得到左、右抓取壓頭輸出力大小公式為:

式中,n為齒輪齒條一曲柄連桿機構(gòu)布置的個數(shù);71為減速電機輸出扭矩;n1為螺旋傳動效率;n2為齒輪齒條傳動效率;n3為曲柄連桿機構(gòu)傳動效率;d1為左、右齒輪分度圓直徑;d2為螺桿螺紋中徑;r為曲柄中心到連桿較接點距離;w為螺紋升角;ov為螺旋副的當(dāng)量摩擦角;α為左、右連桿擺角;8為左、右曲柄轉(zhuǎn)角。

2.2應(yīng)用舉例

選減速電機功率Ⅳ=5kw,減速比i=50,額定轉(zhuǎn)速n=1460r/min,選取中等沖擊使用系數(shù)Ka=1.75,則由公式（1）得到減速電機輸出扭矩:

若齒輪分度圓直徑d1=100mm,螺紋中徑d2=38mm,曲柄中心到連桿較接點距離r=50mm,左、右連桿擺角α=10N,左、右曲柄轉(zhuǎn)角8=35N,螺紋升角w=3.5N,螺旋副的當(dāng)量摩擦角ov=5N,則螺旋傳動效率:

n1=tanw/tan)w+ov）=tan3.5N/tan)3.5N+5N）≈0.41

選取齒輪齒條傳動效率n2=0.95,曲柄連桿機構(gòu)傳動效率n3=0.8,由公式)4）得出左、右抓取壓頭輸出力大小:

即左、右抓取壓頭輸出力分別達(dá)437.361kN。若要再增加或減少左、右抓取壓頭的輸出力,則可通過增加或減少減速電機功率Ⅳ、減速比i等獲得。

若機械手內(nèi)抓取裝置所夾物品為U形,則n=2,且齒輪齒條和曲柄連桿機構(gòu)如圖1所示左右對稱布置;若機械手內(nèi)抓取裝置所夾物品為圓筒形,則n=3,且齒輪齒條和曲柄連桿機構(gòu)呈圓形對稱布置,從而可根據(jù)被抓工件或物品的形態(tài)采用不同布置的抓取裝置,擴大了抓取裝置的使用范圍。

3結(jié)論

文中提出的一種電動機械手內(nèi)抓取裝置具有以下特點:

（1）電動機械手內(nèi)抓取裝置使用電能直接驅(qū)動減速電機,只需要較少的能量轉(zhuǎn)換裝置,從而具有緊湊的結(jié)構(gòu);同時利用螺旋機構(gòu)的自鎖原理,保持左、右壓頭抓取力不變而節(jié)約能量,使綠色化程度進(jìn)一步提高。

（2）通過曲柄連桿機構(gòu)的角度效應(yīng),可實現(xiàn)力的放大;同時方向柔性很好的曲柄連桿機構(gòu)可根據(jù)實際抓取要求重新布置輸出端的裝置,從而擴大裝置的使用范圍。

（3）利用左、右齒輪齒條一曲柄連桿機構(gòu)的對稱布置,使左、右抓取壓頭的輸出力大小相等、方向相反,從而平衡地抓取物品,達(dá)到省時和高效的目的。

（4）內(nèi)抓取裝置裝在不同的機械手上,可代替人從事重復(fù)或繁重的勞動,實現(xiàn)作業(yè)的自動化和智能化,改善人類勞動條件和強度,提高作業(yè)效率。