鋼球鎖緊式工業(yè)機(jī)器人末端工具快速更換器的設(shè)計(jì)

楊 釩，黃澤森

（綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川 綿陽621000）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人所執(zhí)行的任務(wù)往往具有多樣性，不同的作業(yè)任務(wù)通常需要使用特定類型的工具，因此僅裝配有單一末端操作器的設(shè)備已不能滿足日益增長的任務(wù)需求。目前解決這一問題的主要手段就是采用如圖1所示用于裝配、搬運(yùn)、焊接等場合的末端操作工具可更換機(jī)械臂，使工業(yè)機(jī)器人在作業(yè)環(huán)境中一次調(diào)試就可完成多種預(yù)設(shè)作業(yè)[1、2]。該類末端工具快速更換裝置由主端口、工具端口、鎖緊機(jī)構(gòu)以及適應(yīng)盤等部分組成（如圖2所示），其中保證主端口與工具端口可靠連接的鎖緊機(jī)構(gòu)是工具快速更換裝置中的核心部分，當(dāng)機(jī)械臂在外力和振動的作用下，或動力裝置出現(xiàn)故障時，能夠保證更換裝置主端口與工具端口連接穩(wěn)定可靠。因此，研制穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單的鎖緊機(jī)構(gòu)，對于實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人多功能化、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。目前機(jī)器人末端工具快速更換裝置多采用機(jī)械式鎖緊，這種方式可有效解決液壓鎖緊存在的問題，能在額定負(fù)載下保持長期可靠鎖緊。常用的機(jī)械鎖緊方式主要有鋼球式鎖緊、凸輪式鎖緊、卡盤式鎖緊、活塞插銷式鎖緊和膨脹式鎖緊等。其中鋼球式鎖緊由于其結(jié)構(gòu)簡單、鎖定可靠、解鎖方便等優(yōu)點(diǎn)在機(jī)器人末端工具快速更換裝置得到了廣泛的使用[3-6]。本文就鋼球式鎖緊裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵指標(biāo)——鎖緊和承載條件分析計(jì)算等重點(diǎn)問題作一探討。

圖2 末端操作工具可更換機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖

1 快換器鋼球鎖緊總體結(jié)構(gòu)

鎖緊模塊在主端口主要由氣缸、活塞、鎖緊凸輪、鎖緊鋼珠、鋼珠保持架、定位銷以及密封件組成。在工具端口由鎖緊環(huán)、定位銷孔組成，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖4為主要零部件結(jié)構(gòu)圖，圖5為快速更換器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總圖。

圖3 鎖緊裝置整體結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)安裝在機(jī)械臂上的更換器主端逐漸接近工具端時，在兩個定位銷（一個圓柱銷，一個菱形銷）的作用下，更換器主端口準(zhǔn)確地與工具端口對接，為鎖緊機(jī)構(gòu)提供動力的氣壓裝置啟動，壓縮氣體由氣孔I進(jìn)入氣缸，推動氣缸的活塞桿帶動安裝在其上的鎖緊凸輪向工具端移動，凸輪鎖緊部分由兩段圓錐面組成，第一段圓錐能確保鎖緊凸輪推動鋼珠移動沿鎖緊孔向外移動，活塞繼續(xù)下移，第二段錐面與鋼球相接觸，前者繼續(xù)推動鋼球沿同一方向向外微量移動，最終使得鋼球分別與該段錐面和鎖緊環(huán)錐面緊密結(jié)合、提供足夠的鎖緊力。另一方面是具有自動補(bǔ)償功能，鎖緊凸輪的這種結(jié)構(gòu)能提高更換器的連接的可靠性，起到防故障自鎖的作用，當(dāng)作業(yè)過程中動力源發(fā)生故障時，保證工具端口不會自動從主端口脫落。當(dāng)需要主端口與工具端口脫離時，壓縮氣體由氣孔II進(jìn)入氣缸下腔，推動活塞反向動作，帶動鎖緊凸輪向上運(yùn)動，當(dāng)機(jī)械臂向上提起主端時，鋼珠在鎖緊環(huán)錐面的作用下沿鎖緊孔向內(nèi)運(yùn)動，兩對接端口即可脫離。

2 鎖緊機(jī)構(gòu)受力分析

設(shè)作用在快換器活塞上部的鎖緊載荷為壓力P。在鎖緊狀態(tài)下鋼球與鎖緊凸輪及鎖緊環(huán)的力學(xué)關(guān)系如圖6所示。A1為鋼球與鎖緊環(huán)的接觸點(diǎn)，兩者間的摩擦系數(shù)為f1，法向壓力為Fn1，切向靜摩擦力為Ft1；A2為鋼球與鎖緊凸輪的接觸點(diǎn)，摩擦系數(shù)為f2，法向壓力為Fn2，切向靜摩擦力為Ft2；α、β分別為法向壓力Fn1、Fn2與x軸的夾角；R為鋼球半徑。

圖6 鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時受力分析示意圖

設(shè)鋼球個數(shù)為n，不考慮各鋼球的受力不均勻，則鎖緊凸輪的軸向力平衡方程為：

3 鎖緊條件分析

從上述分析可得，鋼球鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊力源于鋼球與鎖緊環(huán)、鎖緊凸輪之間產(chǎn)生的靜摩擦力。由力學(xué)原理可知，當(dāng)鋼球所受外力大于作用于其上的最大靜摩擦力時鋼球會產(chǎn)生位移。因此，為了使快換機(jī)構(gòu)在工作過程中始終處于鎖緊狀態(tài)，鋼球A1、A2兩點(diǎn)實(shí)際所產(chǎn)生的滑動摩擦力應(yīng)小于最大靜摩擦力，即鎖緊條件可表示為：

式（5）即為摩擦自鎖條件，該條件是鎖緊環(huán)錐面角以及鎖緊凸輪上第二段錐度夾角的主要依據(jù)之一，經(jīng)計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證表明通常情況下鎖緊環(huán)錐面角可取45°，而鎖緊凸輪錐度取值為10°左右。

4 承載條件分析

式中，E：鎖緊環(huán)材料的彈性模量；μ：鎖緊環(huán)材料的泊松比；F：鋼球與鎖緊環(huán)間的接觸合力（鎖緊力與外載荷的矢量和）；R：鋼球的半徑。

從式（3）、（6）可以看出，適當(dāng)增大鎖緊鋼球的半徑，增加鋼球的個數(shù)可提高機(jī)構(gòu)的承載能力。

在實(shí)際工作狀態(tài)下，承載條件可表示為：

式中：[δi]—許用變形。

影響鋼球鎖緊機(jī)構(gòu)承載能力最主要原因是鎖緊環(huán)的變形。當(dāng)鎖緊鋼球外力的作用下壓入鎖緊環(huán)時后者會產(chǎn)生彈、塑性變形，但由于彈塑性變形量難以用數(shù)學(xué)方法得到精確值，因此為了在工程應(yīng)用中簡化設(shè)計(jì)問題，可根據(jù)鎖緊機(jī)構(gòu)的實(shí)際工況來確立其承載條件。

根據(jù)前文可知，鎖緊機(jī)構(gòu)在工作工程中始終處于自鎖狀態(tài)，此時鋼球會壓入鎖緊環(huán)，解鎖時，鋼球與鎖緊環(huán)會產(chǎn)生相對運(yùn)動，硬度較低的鎖緊環(huán)必然會變形。因此只要限制鋼球壓入鎖緊環(huán)的深度就可以保證快換裝置的實(shí)際工作性能。而對于鎖緊凸輪來說，由于有與鋼球的接觸部位的自動補(bǔ)償功能，即使有輕微的擦傷、凹坑等變形也不會影響其工作。故下面主要針對鎖緊環(huán)的彈性變形進(jìn)行分析計(jì)算。設(shè)鋼球?yàn)閯傂圆牧?，將鋼球與鎖緊環(huán)的接觸簡化為剛性球體與彈性平面間的接觸，若不計(jì)摩擦力的影響，則可得鎖緊環(huán)變形量為[7]：

5 許用變形的確定

Hertz接觸理論認(rèn)為剛性球與彈性體相互作用，在壓入深度為h時，兩者之間的接觸處于無摩擦的局部彈性變形階段。圖7所示為鎖緊鋼球與鎖緊環(huán)之間的變形示意圖，a表示接觸半徑。p0為接觸中心處的最大接觸壓力；r為接觸點(diǎn)距接觸中心的徑向距離。F為接觸的合力，R為鎖緊鋼球半徑。則兩個接觸體可以在接觸區(qū)域上受到了相同的接觸壓力[8]。

圖7Hertz接觸理論壓痕模型圖

Hertz假設(shè)接觸區(qū)域的壓力分布為拋物線形狀，其表達(dá)式為

其接觸的合力F為：

接觸半徑a的表達(dá)式為：

等效彈性模量E′的表達(dá)式為

式中，μ1、μ2分別為兩接觸體的泊松比，E1、E2為其彈性模量。

根據(jù)Hertz接觸理論，半徑為R的剛性球與彈性平面接觸，其接觸力F，最大接觸壓力p0，接觸半徑a與壓入深度h之間的關(guān)系分別是[8、9]

因此、對于泊松比μ=0.3的材料（工程常用鋼材），在開始屈服時，臨界壓入深度h0為[10]：

式中σ為鎖緊環(huán)的屈服強(qiáng)度，而h0即為許用變形[δi]，也即鎖緊環(huán)允許的最大彈性變形量，從理論上來說，只要鋼球壓入鎖緊環(huán)的深度δ小于h0，鎖緊環(huán)就處于彈性變形范圍內(nèi)，兩者間的相對運(yùn)動就不會使后者產(chǎn)生犁溝、壓痕等塑性損傷，從而提高鎖緊機(jī)構(gòu)的可靠性，并延長其使用壽命。同樣由式（13）可知增大鎖緊鋼球的半徑可使臨界壓入深度變大，也即提高其承載能力。

6 結(jié)論

本文通過對鋼球鎖緊機(jī)構(gòu)的原理、自鎖條件、承載力等的分析與計(jì)算，設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，具有機(jī)械鎖緊功能的機(jī)器人末端快速更換裝置；另一方面，該結(jié)構(gòu)還具備鎖緊凸輪斜面自動補(bǔ)償功能，可保證鎖緊機(jī)構(gòu)在有少量磨損的狀態(tài)下保持可靠的自鎖功能。因此本設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的實(shí)用價值，可將其推廣到類似的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，擴(kuò)展鋼球鎖緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍，圖8為已投入生產(chǎn)的機(jī)械臂末端快換器產(chǎn)品，圖9為產(chǎn)品測試報告。

圖8 已投入生產(chǎn)的快換器產(chǎn)品

圖9 快換器測試報告