自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪機(jī)構(gòu)研究設(shè)計(jì)

尚延偉

（連云港杰瑞自動(dòng)化有限公司，江蘇 連云港222006）

0 引言

在機(jī)械加工行業(yè)中，工件的抓取和搬運(yùn)通常采用氣缸驅(qū)動(dòng)的4點(diǎn)式手爪，其抓取力度可調(diào)，可抓取工件的尺寸范圍大，而且對(duì)空間要求小，不會(huì)與機(jī)床產(chǎn)生干涉，方便手爪出入機(jī)床。但傳統(tǒng)的4點(diǎn)式手爪中的4個(gè)接觸點(diǎn)很難保證4點(diǎn)同心，對(duì)零部件加工和裝配精度要求極高，而自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪增加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上的2個(gè)接觸點(diǎn)可以自動(dòng)適應(yīng)工件的形狀，手爪4點(diǎn)圓心的位置則由另外2個(gè)固定接觸點(diǎn)確定。

1 自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪的結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪由手爪臂、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、接觸輪等組成。手爪臂上有2個(gè)限位點(diǎn)，可以限制旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在給定的范圍內(nèi)活動(dòng)。

圖1 自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪結(jié)構(gòu)組成

2 工作原理

在手爪抓取工件過程中，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上的一個(gè)接觸點(diǎn)先與工件接觸，在進(jìn)一步夾緊的過程中，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)會(huì)自動(dòng)沿工件外形旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而調(diào)整旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上的另外一個(gè)接觸點(diǎn)的位置，使4個(gè)接觸點(diǎn)同心，保證手爪上的4個(gè)接觸點(diǎn)與工件完全接觸。

3 工件接觸點(diǎn)處受力分析

分析工件在不同類型手爪、不同狀態(tài)下4個(gè)接觸點(diǎn)處的徑向力和切向力，并作對(duì)比分析，計(jì)算其偏離率。

3.1 工件在理想情況下的受力分析

理想情況下接觸點(diǎn)O處的徑向力Fr0和切向力Fτ0計(jì)算公式：

式中：F0=F/2，sinα=L/（2R），F(xiàn)為手爪夾緊力。

圖2 理想情況下工件受力

理想情況下4個(gè)接觸點(diǎn)和工件完全接觸，工件在4個(gè)接觸點(diǎn)處的受力相同。

3.2 傳統(tǒng)4點(diǎn)固定式手爪實(shí)際受力分析

傳統(tǒng)4點(diǎn)固定式手爪在實(shí)際使用過程中，由于零部件加工及裝配精度，肯定存在偏差，其數(shù)值為ΔL，理論上有3點(diǎn)接觸，但實(shí)際上由于手爪臂和工件受力變形，最終會(huì)有4個(gè)點(diǎn)接觸，但4個(gè)接觸點(diǎn)受力極不均勻，影響手爪抓取的位置精度及工件表面質(zhì)量。

圖3 傳統(tǒng)4點(diǎn)固定式手爪工件受力

接觸點(diǎn)處徑向力Fr5和切向力Fτ5：

式中，ΔL為手爪旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)偏移量，R為工件半徑，L為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上2接觸點(diǎn)距離。

3.3 自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪實(shí)際受力分析

當(dāng)旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)偏離ΔL時(shí)，圖4中幾何關(guān)系如下：

式中，Lr為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)到工件外圓的距離，α為接觸點(diǎn)偏移角。

圖4 自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪幾何關(guān)系

接觸點(diǎn)3、4處水平方向受力F3、F4計(jì)算公式：

接觸點(diǎn)3處的徑向力Fr3和切向力Fτ3計(jì)算公式：

接觸點(diǎn)4處的徑向力Fr4和切向力Fτ4計(jì)算公式：

3.4 工件接觸點(diǎn)處受力偏離率計(jì)算

受力偏離率是指接觸點(diǎn)處的實(shí)際受力偏離理想情況的比率。為了保證工件表面加工質(zhì)量，4個(gè)接觸點(diǎn)處的受力要均勻，偏離率應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。

圖5 自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪工件受力

徑向力偏離率計(jì)算公式為

切向力偏離率計(jì)算公式為

式中，F(xiàn)τ為實(shí)際切向力，F(xiàn)r為實(shí)際徑向力，F(xiàn)τ0為理想情況下的切向力，F(xiàn)r0為理想情況下的徑向力。

3.5 實(shí)際案例下的受力計(jì)算

實(shí)際案例下取 Lr=16 mm，L=200 mm，R=250 mm，ΔL=2 mm。

1）理想情況下工件接觸點(diǎn)處徑向力和切向力大小。

代入式（1）、式（2）經(jīng)計(jì)算得：F0=；Fr0=F0×cosα=。

2）傳統(tǒng)4點(diǎn)固定式手爪工件接觸點(diǎn)處徑向力和切向力大小。

代入式（3）、式（4） 經(jīng)計(jì)算得：F5=F；Fr5=F5×cosθ=。

3）傳統(tǒng)4點(diǎn)固定式手爪工件接觸點(diǎn)處徑向力和切向力偏離率。

代入式（9）、式（10），ΔFr5=×100%=100.8%；

×100%=96%。

4）自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪工件接觸點(diǎn)處徑向力和切向力計(jì)算。

接觸點(diǎn)3處的徑向力和切向力大?。?/p>

代入式 （5）、式 （6），F(xiàn)3=F4=F/2，F(xiàn)r3===0.203F。

接觸點(diǎn)3處的徑向力和切向力偏離率：

代入式（9）、式（10），ΔFr3=（Fr3-Fr0）/Fr0=-0.274%；Fτ3=（Fτ3-Fτ0）/Fτ0=1.5%。

接觸點(diǎn)4處的徑向力和切向力大?。?/p>

代入式（7）、式（8），F(xiàn)r4=F×cos（α-β）/2=F×cos23.147°÷2=0.460F；Fτ4=F×sin（α-β）/2=F×sin23.147°÷2=0.197F。

接觸點(diǎn)4處的徑向力和切向力偏離率：

ΔFr4=（Fr4-Fr0）/Fr0=0.38%；ΔFτ4=（Fτ4-Fτ0）/Fτ0=-1.5%。

經(jīng)過上述計(jì)算可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)偏離2 mm時(shí)，傳統(tǒng)4點(diǎn)固定式手爪接觸點(diǎn)處工件徑向力最大偏離率為100.8%，切向力最大偏離率為96%，而自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪3、4點(diǎn)處徑向力偏離率分別為-0.274%和0.38%，切向力偏離率分別為1.5%和-1.5%。由此可見自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪4個(gè)接觸點(diǎn)處的受力更加均勻。

4 實(shí)際應(yīng)用

輪轂機(jī)加工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線上利用機(jī)器人進(jìn)行機(jī)床上下料，與之配套使用的自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪可以實(shí)現(xiàn)工件精準(zhǔn)取放，減小了調(diào)試難度，并且提高了產(chǎn)品良品率。

自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪同樣可以抓取方型及不規(guī)則形狀工件，可以廣泛應(yīng)用于上下料、裝配、搬運(yùn)、機(jī)加工、清洗等環(huán)境。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)傳統(tǒng)的4點(diǎn)固定式手爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了自適應(yīng)4點(diǎn)同心手爪結(jié)構(gòu)，降低了手爪零部件的加工和裝配精度，而且可以提高手爪抓取的位置精度，并分析了4個(gè)接觸點(diǎn)處的受力情況，經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，其受力情況明顯好于傳統(tǒng)的4點(diǎn)固定式手爪，可以最大程度地減少手爪對(duì)工件表面質(zhì)量的影響。

［1］ 舒幼生.力學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2005.

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［3］ 王建國(guó).機(jī)械加工工藝［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［4］ 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.8版.北京：高等教育出版社，2006.