一種單電機(jī)旋轉(zhuǎn)電爪的設(shè)計(jì)研究

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)化；單電機(jī)；旋轉(zhuǎn)；電爪；磁性聯(lián)軸器；齒輪齒條

一、結(jié)構(gòu)及工作原理

（一）工作原理

本旋轉(zhuǎn)電爪設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)源為雙輸出軸直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)盤與機(jī)座間的位置鎖定通過(guò)磁性聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)，在控制上，儀器通過(guò)程序可控制電機(jī)工作電流或電壓的大小，從而達(dá)到改變電機(jī)輸出力矩大小的目的，當(dāng)電機(jī)輸出力矩小于磁性聯(lián)軸器的打滑力矩時(shí)，電機(jī)可帶動(dòng)兩個(gè)夾爪同步夾緊或松開(kāi)，此時(shí)，因磁性聯(lián)軸器的作用，轉(zhuǎn)盤與機(jī)座相對(duì)位置不動(dòng)。

當(dāng)電機(jī)輸出力矩大于磁性聯(lián)軸器的打滑力矩時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)，當(dāng)夾爪處于夾緊狀態(tài)是，轉(zhuǎn)盤上的兩個(gè)夾爪夾著物體同步轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)保持夾爪位置不動(dòng)，保證物體不會(huì)掉落，當(dāng)夾爪處于松開(kāi)狀態(tài)時(shí)，夾爪張開(kāi)到最大位置后，轉(zhuǎn)盤帶著夾爪在最大張開(kāi)狀態(tài)下同步回轉(zhuǎn)[2]。

工作時(shí)，電機(jī)先以小力矩逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)夾爪上的齒條同步對(duì)稱移動(dòng)，兩夾爪對(duì)稱收回夾緊物體，然后以大力矩同向繼續(xù)回轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤帶著夾爪，及夾取的物體同步回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)夾緊物體后轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)到設(shè)定位置后停止，電機(jī)以保持力矩維持夾爪夾緊物體不掉落。

當(dāng)電機(jī)以順時(shí)針小力矩回轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪驅(qū)動(dòng)夾爪上的齒條同時(shí)對(duì)稱移動(dòng)，兩夾爪對(duì)稱張開(kāi)，將物體松開(kāi)放下，當(dāng)張開(kāi)到最大后，繼續(xù)以同向大力矩回轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤零點(diǎn)復(fù)位[3]。

工作原理簡(jiǎn)圖如圖1所示：

（二）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本設(shè)計(jì)由電機(jī)、機(jī)座、轉(zhuǎn)盤、齒輪、2條導(dǎo)軌、2個(gè)夾爪、3個(gè)光耦、2個(gè)軸承、上擋片、下?lián)跗?、光耦板、多個(gè)磁鐵、軸用擋圈、螺釘?shù)冉M成，夾爪形狀可視夾取物體形狀來(lái)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)為平行夾爪，方便夾取兩面平行的物體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

機(jī)座周邊開(kāi)有連接螺紋孔，儀器通過(guò)該螺紋孔來(lái)靈活的固定整個(gè)回轉(zhuǎn)電爪到儀器上。電機(jī)為雙輸出軸電機(jī)，一端為負(fù)載輸出，尾端為光耦板安裝端，兩個(gè)輸出軸同軸、同步回轉(zhuǎn)，電機(jī)通過(guò)螺釘固定在機(jī)座上，電機(jī)輸出負(fù)載軸上固定一個(gè)齒輪，齒輪與輸出軸采用過(guò)盈配合來(lái)傳遞扭矩，輸出尾軸上固定有上擋片，擋片邊緣開(kāi)有一個(gè)小槽，用來(lái)觸發(fā)夾爪最大、最小行程光耦，上擋片采用頂緊螺釘緊固，裝配時(shí)，先把夾爪行程調(diào)到最小，然后轉(zhuǎn)動(dòng)上擋片，讓上擋片的小槽，正好觸發(fā)夾爪最小行程光耦，此時(shí)頂緊上擋片。

轉(zhuǎn)盤通過(guò)兩個(gè)法蘭球軸承與機(jī)座連接，通過(guò)軸用擋圈限制軸向位移，可360度轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，無(wú)虛位。兩根導(dǎo)軌對(duì)稱安裝在轉(zhuǎn)盤下部的兩側(cè)，導(dǎo)軌為精密直線導(dǎo)軌，精度高，免維護(hù)。兩個(gè)卡爪分別固定在導(dǎo)軌滑塊上，可隨著滑塊移動(dòng)，夾爪無(wú)虛位，重復(fù)定位精度高，本設(shè)計(jì)的圖示卡爪為夾取平面類物體，夾取不同形狀的物體時(shí)，夾爪需按物體外形改動(dòng)，以便契合外形，增加接觸面，防止夾變形或掉落；卡爪上的齒條與齒輪嚙合，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)兩個(gè)卡爪同步對(duì)稱移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾爪夾緊或松開(kāi)[4]。

機(jī)座和轉(zhuǎn)盤上分布一圈小孔，分別以S、N交錯(cuò)安裝有一圈磁鐵，形成磁性聯(lián)軸器，保持轉(zhuǎn)盤與機(jī)座相對(duì)位置，通過(guò)采用不同磁強(qiáng)度的磁鐵，或不同尺寸的磁鐵，或不同數(shù)量的磁鐵，或改變兩組磁鐵間的距離等，可調(diào)節(jié)磁性聯(lián)軸器的最大傳遞力矩；另外，為改善磁性聯(lián)軸器打滑時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)，可以采用更密集的磁鐵分布，減少兩磁鐵間的間距來(lái)改善，或?qū)⒋判月?lián)軸器改為磁性吸附阻尼器，也可將磁性聯(lián)軸器改為電磁吸附阻尼器，回轉(zhuǎn)將變得平滑順暢。轉(zhuǎn)盤下方安裝有下?lián)跗?，隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，用來(lái)觸發(fā)轉(zhuǎn)盤零位。光耦板通過(guò)螺釘固定在機(jī)座上，上方安裝有兩個(gè)光耦，分別用于檢測(cè)卡爪行程的最大、最小位置，下方安裝有一個(gè)光耦，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)盤的零位，裝配時(shí)，通過(guò)工裝將轉(zhuǎn)盤零位確定，調(diào)節(jié)下?lián)跗糜|發(fā)零位光耦，然后緊固[5]。

（三）工作流程

1.上電復(fù)位：上電后，電機(jī)先以大力矩逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸上的齒輪先驅(qū)動(dòng)卡爪夾緊，再帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤回到零位，然后通過(guò)光耦判斷卡爪行程是否處于最小位置，如是，說(shuō)明卡爪間無(wú)物體，如不是，說(shuō)明卡爪間夾有物體，電機(jī)再以小力矩順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)卡爪張開(kāi)到最大，并觸發(fā)光耦，回轉(zhuǎn)電爪完成復(fù)位。

2.夾取物體回轉(zhuǎn)：電機(jī)先以小力矩逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸上的齒輪驅(qū)動(dòng)卡爪夾緊物體，然后通過(guò)光耦判斷卡爪行程是否處于最小位置，如是，說(shuō)明卡爪間無(wú)物體，如不是，說(shuō)明卡爪間夾有物體，電機(jī)再以大力矩逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)到設(shè)定位置[6]。

3.松開(kāi)物體復(fù)位：電機(jī)先以小力矩順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸上的齒輪驅(qū)動(dòng)卡爪松開(kāi)物體，然后通過(guò)光耦判斷卡爪行程是否處于最大位置，如是，說(shuō)明卡爪已經(jīng)順利張開(kāi)，如不是，說(shuō)明出錯(cuò)，電機(jī)再以大力矩順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)到零位，讀取零位光耦信號(hào)確認(rèn)，完成復(fù)位。

（四）存在的缺點(diǎn)及改善

本設(shè)計(jì)的單電機(jī)旋轉(zhuǎn)電爪，夾緊與回轉(zhuǎn)，電機(jī)需逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為松開(kāi)和復(fù)位，不適合一些應(yīng)用場(chǎng)景，如夾緊后旋轉(zhuǎn)開(kāi)蓋、關(guān)蓋等，且只有兩卡爪，不適用需要多卡爪對(duì)稱夾緊的場(chǎng)合。因磁性聯(lián)軸器特性，回轉(zhuǎn)時(shí)有一些抖動(dòng)，不適合對(duì)要求運(yùn)行平穩(wěn)的場(chǎng)合，可以采用更密集的磁鐵分布，減少磁鐵間的間距來(lái)改善；或?qū)⒋判月?lián)軸器改為磁性吸附阻尼器，也可將磁性聯(lián)軸器改為電磁吸附阻尼器，回轉(zhuǎn)將變得平滑順暢[7]。最大夾緊力為磁性聯(lián)軸器的打滑力矩，夾緊力大小不方便調(diào)節(jié)，可將磁性聯(lián)軸器改為電磁鐵吸附阻尼器，通過(guò)程序控制電磁鐵通過(guò)的電流大小，從而改變電磁鐵吸力大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)電磁鐵吸附阻尼器阻力值來(lái)改善[8]。

二、運(yùn)動(dòng)分析

（一）夾爪張開(kāi)回轉(zhuǎn)模擬

結(jié)果和圖解查看，進(jìn)入結(jié)果和圖解選項(xiàng)，在結(jié)果欄下拉框中，選取類別：力；選取子類別：馬達(dá)力矩；選取結(jié)果分量：幅值；選取旋轉(zhuǎn)馬達(dá)對(duì)象：旋轉(zhuǎn)馬達(dá)1，確定生成力矩圖解圖4。

從圖4分析，可看出單電機(jī)旋轉(zhuǎn)電爪在張開(kāi)過(guò)程中，前半段夾爪張開(kāi)，馬達(dá)所需力矩較小，當(dāng)夾爪張開(kāi)到最大后，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，馬達(dá)力矩急劇上升，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)盤磁性聯(lián)軸器打滑力矩后，轉(zhuǎn)盤同步轉(zhuǎn)動(dòng)，馬達(dá)輸出力矩趨于平穩(wěn)。從運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程，及結(jié)果和圖解可看出，單電機(jī)旋轉(zhuǎn)電爪的張開(kāi)過(guò)程，與預(yù)期一致，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（二）夾爪夾緊回轉(zhuǎn)模擬

使用SOLIDWORKS打開(kāi)單電機(jī)旋轉(zhuǎn)電爪數(shù)模，夾爪處于最大張開(kāi)狀態(tài)，通過(guò)SOLIDWORKS Motion 插件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，設(shè)置旋轉(zhuǎn)馬達(dá)：電機(jī)軸相對(duì)于機(jī)座逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，等速60 RPM；設(shè)置接觸對(duì)：齒輪與兩個(gè)夾爪分別設(shè)置接觸組，兩個(gè)夾爪間設(shè)置接觸組，材料選STEEL；設(shè)置彈簧：轉(zhuǎn)盤與機(jī)座間旋轉(zhuǎn)扭矩彈簧，彈簧力表達(dá)式指數(shù)選線性，k值取0.1N/度，阻尼力表達(dá)式指數(shù)選線性，C值取10N/度，在卡爪與機(jī)座間分別設(shè)置較小阻尼力，模擬導(dǎo)軌運(yùn)行阻力，拉動(dòng)鍵碼到1S，設(shè)置好的運(yùn)動(dòng)計(jì)算菜單見(jiàn)圖3，提交計(jì)算。

結(jié)果和圖解查看，進(jìn)入結(jié)果和圖解選項(xiàng)，在結(jié)果欄下拉框中，選取類別：力，選取子類別：馬達(dá)力矩，選取結(jié)果分量：幅值，選取旋轉(zhuǎn)馬達(dá)對(duì)象：旋轉(zhuǎn)馬達(dá)1，確定生成力矩圖解圖5。

從圖5分析，可看出單電機(jī)旋轉(zhuǎn)電爪在夾緊過(guò)程中，前半段夾爪夾緊，馬達(dá)所需力矩較小，當(dāng)夾爪夾緊后，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，馬達(dá)力矩急劇上升，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)盤磁性聯(lián)軸器打滑力矩后，轉(zhuǎn)盤同步轉(zhuǎn)動(dòng)，馬達(dá)輸出力矩趨于平穩(wěn)。從運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程，及結(jié)果和圖解可看出，單電機(jī)旋轉(zhuǎn)電爪的夾緊過(guò)程，與預(yù)期一致，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

對(duì)比張開(kāi)和夾緊過(guò)程受力圖解，可看出馬達(dá)輸出力矩曲線基本相同，與設(shè)計(jì)預(yù)期一致。

結(jié)論

通過(guò)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的單電機(jī)旋轉(zhuǎn)電爪，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的夾爪夾緊、轉(zhuǎn)盤帶夾爪一起回轉(zhuǎn)、夾爪松開(kāi)復(fù)位、轉(zhuǎn)盤復(fù)位等功能動(dòng)作。夾爪導(dǎo)向由常用的滑槽，改為精密直線導(dǎo)軌，壽命長(zhǎng)、阻力小、精度高，無(wú)需維護(hù)，夾爪無(wú)虛位。轉(zhuǎn)盤與機(jī)座的鎖定，采用磁性聯(lián)軸器，相互間不接觸，無(wú)磨損，終身免維護(hù)。夾爪的夾緊與張開(kāi)，采用齒輪齒條傳動(dòng)，對(duì)稱開(kāi)合，定位精度高，全行程力臂一致，簡(jiǎn)化受力模型。通過(guò)使用SOLIDWORKS Motion 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)受力分析，輸出結(jié)果和圖解圖，通過(guò)分析結(jié)果和圖解圖可看出設(shè)計(jì)達(dá)成了預(yù)期要求。該設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、運(yùn)動(dòng)可靠，性價(jià)比較高，為小型自動(dòng)化設(shè)備的進(jìn)一步小型化，提供了可能，同時(shí)也較好的增加了儀器的性價(jià)比。