一种电动机械手内抓取装置的设计

引言

随着"中国制造2025"的提出,现代机械产品正面临着更加复杂和灵活的市场环境。人口红利的消失,促使适龄劳动力越来越紧张,迫使作业生产自动化和智能化成为研究的重点。智能制造离不开机械手,机械手是能按固定程序和要求,模仿人手抓取、搬运或操作的一种新型自动装置。机械手抓取并搬运物品主要靠安装在其上的未端执行器。机械手能周而复始地在脏、乱、差及有毒等环境下工作,尤其是在生产线和危险品处理等领域,由于工作的复杂性和场合的多样性,这些领域一部分物品的抓取、搬运和置放仍靠人工进行,致使工作效率不高。

为提高生产线和危险品处理等领域的工作效率,降低作业成本,改善人类劳动条件,本文将螺旋传动与齿条齿轮、曲柄连杆机构组合,设计了能增力且自锁性能良好的一种电动机械手内抓取装置,并将其作为机械手的末端执行器,用来代替人工完成物品的抓取和置放,将人从繁重的劳动及有害的环境中解放出来,从而实现作业的自动化和智能化。

1电动机械手内抓取装置工作原理

螺旋传动是进行能量和力传递的机械传动装置,具有传动比大和可传递很大的轴向力等优点。齿轮齿条可将齿轮的转动与齿条的平动自由转化,具有承载力大、传动精确和无限长度延续对接等优点。曲柄连杆机构能将旋转运动转变为往复直线运动。减速电机是一种无污染的"绿色"传动技术,能将电能直接输出为大转矩,且可靠性高,承受过载能力和效率高。

本文利用螺旋传动、齿轮齿条和曲柄连杆机构的上述优点,将三者与减速电机结合起来,设计了一种电动机械手内抓取装置,并将其作为机械手的末端执行器。电动机械手内抓取装置的原理图如图1所示,该装置主要由减速电机、螺杆、螺母、左右齿条、左右齿轮、左右曲柄连杆及左右抓取压头等组成。螺母的两侧分别与左、右齿条相连,左、右齿轮齿条一曲柄连杆机构对称布置。

电动机械手内抓取装置工作原理:正向电能驱动减速电机逆时针旋转,旋转的减速电机带动与其相连的螺杆逆时针旋转,螺杆再带动螺母和与螺母相连的左、右齿条上移,上移的左、右齿条分别与左、右齿轮啮合,将动力传递到左、右齿轮上,并把齿条的直线运动转变为左、右齿轮的圆周运动:然后,左、右齿轮分别带动较接在其上的左、右曲柄连杆运动,使左曲柄连杆向左直线运动,右曲柄连杆向右直线运动,从而使左、右抓取压头分别向工件或物品内表面靠近,此时由于左、右曲柄连杆机构的角度效应实现了一次力的放大:最后,左、右抓取压头的输出力作用在工件或物品的内表面,完成左右撑紧抓取动作。因左、右抓取压头端部装有压力传感器,当抓取压力达到设定值时,压力传感器先将此信息返回给机械手的控制系统,然后控制系统将停止信号发送给减速电机并让其停止转动,使整个内抓取装置处于自锁状态[8],即物品在搬运、移动中,其一直被撑紧且抓取力保持不变,使装置不再消耗能源,进一步实现"绿色化"。当物品被搬运、移动到指定地点后,此时减速电机接入反向电能,螺杆顺时针旋转,旋转的螺杆带动螺母和左、右齿条下移,下移的齿条再带动左、右齿轮反向旋转,接着齿轮带动较接在其上的左、右曲柄连杆运动,使左曲柄连杆向右直线运动,右曲柄连杆向左直线运动,使左、右抓取压头分别离开物品内表面,从而松开工件。

设计中,为保证自锁可靠,采用单线螺纹,并选用合适的螺纹升角,取螺纹升角w小于螺旋副的当量摩擦角ov,且ov-w≥1N。

设计中,根据所抓取物品的内径大小来确定曲柄和连杆的长度。为撑紧物品而串联的曲柄连杆机构具有角度增力效应,即当角α减小时,抓取压头运行位移很小,而压头抓取力却快速变大;当角a增大时,抓取压头可获得大位移并快速进给,使运行位移与抓取力具有非线性变化[10]。

2力学计算

2.1力学计算公式

若减速电机功率为Ⅳ,减速比为i,额定转速为n,使用系数为Ka,则减速电机输出扭矩公式为:

若螺杆螺纹中径为d2,螺纹升角为w,螺旋副的当量摩擦角为ov,可算出螺旋传动效率n1=tanw/tan)w+ov）,则螺杆所受的轴向力公式为:

因左、右齿条直接与螺母相连,所以齿条所受推力与螺母所受轴向力大小相等、方向相同。而螺母与螺杆所受轴向力大小相等、方向相反。因此,左、右齿条所受推力与螺杆所受的轴向力F大小相等、方向相反,并将齿条的平动转化成齿轮的转动。

若左右齿轮分度圆直径均为d1,齿轮齿条传动效率为n2,则左、右齿轮扭矩大小72=F·d1/2n2,把公式（3）代入左、右齿轮扭矩72,最终得左、右齿轮扭矩大小公式为:

因左、右曲柄连杆机构的曲柄中心分别与左、右齿轮中心同轴心且曲柄随齿轮转动,因此,左、右曲柄转动的转矩就是左、右齿轮转动的扭矩72。若左、右曲柄中心到连杆较接点距离均为r,则左、右曲柄所受圆周方向切向力Ft=72/r。

如图1所示,左、右曲柄转角均为8,左、右连杆摆角均为a,左、右曲柄连杆机构传动效率为n3,则左、右曲柄传递给左右连杆方向的力:

左、右抓取压头输出力:

将公式（3）代入左、右抓取压头输出力F0/n公式,并考虎左、右曲柄连杆机构传动效率,可得到左、右抓取压头输出力大小公式为:

式中,n为齿轮齿条一曲柄连杆机构布置的个数;71为减速电机输出扭矩;n1为螺旋传动效率;n2为齿轮齿条传动效率;n3为曲柄连杆机构传动效率;d1为左、右齿轮分度圆直径;d2为螺杆螺纹中径;r为曲柄中心到连杆较接点距离;w为螺纹升角;ov为螺旋副的当量摩擦角;α为左、右连杆摆角;8为左、右曲柄转角。

2.2应用举例

选减速电机功率Ⅳ=5kw,减速比i=50,额定转速n=1460r/min,选取中等冲击使用系数Ka=1.75,则由公式（1）得到减速电机输出扭矩:

若齿轮分度圆直径d1=100mm,螺纹中径d2=38mm,曲柄中心到连杆较接点距离r=50mm,左、右连杆摆角α=10N,左、右曲柄转角8=35N,螺纹升角w=3.5N,螺旋副的当量摩擦角ov=5N,则螺旋传动效率:

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

选取齿轮齿条传动效率n2=0.95,曲柄连杆机构传动效率n3=0.8,由公式)4）得出左、右抓取压头输出力大小:

即左、右抓取压头输出力分别达437.361kN。若要再增加或减少左、右抓取压头的输出力,则可通过增加或减少减速电机功率Ⅳ、减速比i等获得。

若机械手内抓取装置所夹物品为U形,则n=2,且齿轮齿条和曲柄连杆机构如图1所示左右对称布置;若机械手内抓取装置所夹物品为圆筒形,则n=3,且齿轮齿条和曲柄连杆机构呈圆形对称布置,从而可根据被抓工件或物品的形态采用不同布置的抓取装置,扩大了抓取装置的使用范围。

3结论

文中提出的一种电动机械手内抓取装置具有以下特点:

（1）电动机械手内抓取装置使用电能直接驱动减速电机,只需要较少的能量转换装置,从而具有紧凑的结构;同时利用螺旋机构的自锁原理,保持左、右压头抓取力不变而节约能量,使绿色化程度进一步提高。

（2）通过曲柄连杆机构的角度效应,可实现力的放大;同时方向柔性很好的曲柄连杆机构可根据实际抓取要求重新布置输出端的装置,从而扩大装置的使用范围。

（3）利用左、右齿轮齿条一曲柄连杆机构的对称布置,使左、右抓取压头的输出力大小相等、方向相反,从而平衡地抓取物品,达到省时和高效的目的。

（4）内抓取装置装在不同的机械手上,可代替人从事重复或繁重的劳动,实现作业的自动化和智能化,改善人类劳动条件和强度,提高作业效率。