串聯氣缸驅動的工業機械手外夾持裝置

楊益，鐘以波

(1. 蘇州市產品質量監督檢驗所，江蘇蘇州215104; 2. 蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州215021)

工業機械手的靈魂和核心是夾持裝置。目前的工業機械手的夾持裝置，一般采用電動、液壓驅動或者氣壓驅動。電動機容易受到磁性材料飽和的限制，單位質量的設備所能輸出的功率比較小［1］。液壓傳動具有輸出力大、操作簡單等優點，但是其最重要的缺點是液壓介質容易泄漏，造成環境污染。氣壓傳動所用的主要介質是空氣，取之不盡用之不竭，即使泄漏也不會造成污染，但是其致命不足是壓力較小，一般只能夠達到0.5 MPa。因此，在需要大的輸出力場合，人們不得不采用液壓傳動。作者設計一種既采用氣壓傳動，又能使得輸出力達到使用要求的一種夾持裝置。采用串聯氣缸和杠桿－肘桿增力機構來滿足較大的輸出力，整體布局根據對稱美學思想來設計［2－3］，采用氣缸又不會造成環境污染，因此是一種綠色環保的夾持裝置。

下面介紹這種外夾持裝置。

1 工作原理及裝置演變

如圖1 所示為夾持一般尺寸的外夾持裝置。該裝置由串聯氣缸、杠桿機構、肘桿機構等元件組成。其工作原理是:當氣動閥在圖示位置時，壓縮氣體通入左右串聯氣缸的左側，活塞被推動向右運動，肘桿機構的壓力角α 漸漸變小，進行第一次力放大，然后再由杠桿機構進行第二次力放大，并帶動夾持元件夾持工件。工件被機械手放到指定位置后，切換氣動閥，壓縮氣體通入左右串聯氣缸的右側，使得活塞向左運動，松開工件。

圖1 一般尺寸外夾持裝置

根據圖1 所示裝置的原理，通過改變杠桿的位置與形狀，可以設計出滿足不同尺寸要求的夾持裝置［4］，如圖2—5 所示。

圖2 內傾斜外夾持裝置

圖3 外傾斜外夾持裝置

圖4 較小尺寸外夾持裝置

圖5 較大尺寸外夾持裝置

2 力學計算與性能分析

圖1—5 所示夾持裝置的總夾持力Fo的計算公式［5］完全一致，即:

如果不采用串聯氣缸，僅用左邊的一個氣缸，則總夾持力Fo的計算公式為:

式中:D 為氣缸直徑;

d 為右氣缸活塞桿直徑;

p 為氣壓系統壓力(MPa);

α 為肘桿機構的理想壓力角(圖1 所示);

l1、l2為杠桿機構相關組件的長度 (圖1 所示);

ηMP為氣缸活塞裝置的傳動效率，一般應取ηMP=0.85［6］;

ηMT為肘桿機構的傳動效率，一般可取ηMT=0.90［7］;

ηML為杠桿機構的傳動效率，一般ηML=0.97［8］。

在其他參數相同的條件下，對比公式 (2)與(3)，可知文中所介紹的串聯氣缸驅動的工業機械手內夾持裝置，其總夾緊力是傳統的僅用一個氣缸夾持裝置的1.91 倍。如果采用二級串聯氣缸后，夾持力還達不到要求，可適當將串聯氣缸增加到三至四級。鑒于多級串聯氣缸的軸向尺寸將顯著增加，所以一般不推薦采用多于四級的串聯氣缸。

3 總 結

(1)文中提出的串聯氣缸驅動的工業機械手夾持裝置，可極為方便地通過對杠桿機構的形狀和角度等進行簡單的改變，以滿足不同尺寸工件的外夾持和不同夾持力的要求。

(2)采用串聯氣缸，可以明顯提高輸出力，相比較于單個氣缸，二級串聯氣缸的總夾持力提高接近1 倍。

串聯氣缸驅動的肘桿－杠桿增力工業機械手夾持裝置，可在一定范圍內代替容易產生環境污染的液壓傳動夾持裝置，符合機械行業綠色設計與制造的發展趨勢與潮流。

【1】左健民.液壓與氣壓傳動［M］.北京:機械工業出版社，2005.

【2】鐘康民.簡論對稱性美學思想指導下的機械設計創新［J］.機械設計，2004(z1):94 －95，56.

【3】鐘康民，蘇東寧，王明娣.流體傳動夾具中介質綠色化的途徑與方法探討［J］. 機床與液壓，2004(11):44 －45，48.

【4】柏青，鐘康民.基于無桿活塞氣缸的二級增壓裝置［J］.機械制造，2007(4):67 －68.

【5】DOU Yunxia，WANG Mingdi，SU Dongning，et al.Reconfigurable Pneumatic Clamping Device of Industry Manipulator based on Toggle-Lever Force Amplifier in Series ［C］//Proceedings of the ASME 2009 International Mechanical Engineering Congress ＆ Exposition IMECE 2009，Florida，USA，2009:183 －186.

【6】宋學義.袖珍液壓氣動技術手冊［M］.北京:機械工業出版社，1995.

【7】陸雯，鐘康民.平行同步雙邊肘桿增力機構及其在液壓傳動中的應用［J］.工程機械，2005(1):45 －46.

【8】林文煥，陳本通.機床夾具設計［M］.北京:國防工業出版社，1987.

【9】成大先. 機械設計手冊［M］. 北京:化學工業出版社，2003.