鋼球鎖緊式工業機器人末端工具快速更換器的設計

楊 釩，黃澤森

（綿陽職業技術學院機電工程系，四川 綿陽621000）

0 引言

工業機器人所執行的任務往往具有多樣性，不同的作業任務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備已不能滿足日益增長的任務需求。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、焊接等場合的末端操作工具可更換機械臂，使工業機器人在作業環境中一次調試就可完成多種預設作業[1、2]。該類末端工具快速更換裝置由主端口、工具端口、鎖緊機構以及適應盤等部分組成（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構是工具快速更換裝置中的核心部分，當機械臂在外力和振動的作用下，或動力裝置出現故障時，能夠保證更換裝置主端口與工具端口連接穩定可靠。因此，研制穩定可靠，結構簡單的鎖緊機構，對于實現工業機器人多功能化、降低生產成本具有重要意義。目前機器人末端工具快速更換裝置多采用機械式鎖緊，這種方式可有效解決液壓鎖緊存在的問題，能在額定負載下保持長期可靠鎖緊。常用的機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構簡單、鎖定可靠、解鎖方便等優點在機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構設計，關鍵指標——鎖緊和承載條件分析計算等重點問題作一探討。

圖2 末端操作工具可更換機械臂結構示意圖

1 快換器鋼球鎖緊總體結構

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、定位銷孔組成，整體結構如圖3所示，圖4為主要零部件結構圖，圖5為快速更換器機械結構設計總圖。

圖3 鎖緊裝置整體結構圖

當安裝在機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，更換器主端口準確地與工具端口對接，為鎖緊機構提供動力的氣壓裝置啟動，壓縮氣體由氣孔I進入氣缸，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，活塞繼續下移，第二段錐面與鋼球相接觸，前者繼續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錐面緊密結合、提供足夠的鎖緊力。另一方面是具有自動補償功能，鎖緊凸輪的這種結構能提高更換器的連接的可靠性，起到防故障自鎖的作用，當作業過程中動力源發生故障時，保證工具端口不會自動從主端口脫落。當需要主端口與工具端口脫離時，壓縮氣體由氣孔II進入氣缸下腔，推動活塞反向動作，帶動鎖緊凸輪向上運動，當機械臂向上提起主端時，鋼珠在鎖緊環錐面的作用下沿鎖緊孔向內運動，兩對接端口即可脫離。

2 鎖緊機構受力分析

設作用在快換器活塞上部的鎖緊載荷為壓力P。在鎖緊狀態下鋼球與鎖緊凸輪及鎖緊環的力學關系如圖6所示。A1為鋼球與鎖緊環的接觸點，兩者間的摩擦系數為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，摩擦系數為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 鎖緊機構鎖緊時受力分析示意圖

設鋼球個數為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，鋼球鎖緊機構的鎖緊力源于鋼球與鎖緊環、鎖緊凸輪之間產生的靜摩擦力。由力學原理可知，當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生位移。因此，為了使快換機構在工作過程中始終處于鎖緊狀態，鋼球A1、A2兩點實際所產生的滑動摩擦力應小于最大靜摩擦力，即鎖緊條件可表示為：

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

4 承載條件分析

式中，E：鎖緊環材料的彈性模量；μ：鎖緊環材料的泊松比；F：鋼球與鎖緊環間的接觸合力（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，適當增大鎖緊鋼球的半徑，增加鋼球的個數可提高機構的承載能力。

在實際工作狀態下，承載條件可表示為：

式中：[δi]—許用變形。

影響鋼球鎖緊機構承載能力最主要原因是鎖緊環的變形。當鎖緊鋼球外力的作用下壓入鎖緊環時后者會產生彈、塑性變形，但由于彈塑性變形量難以用數學方法得到精確值，因此為了在工程應用中簡化設計問題，可根據鎖緊機構的實際工況來確立其承載條件。

根據前文可知，鎖緊機構在工作工程中始終處于自鎖狀態，此時鋼球會壓入鎖緊環，解鎖時，鋼球與鎖緊環會產生相對運動，硬度較低的鎖緊環必然會變形。因此只要限制鋼球壓入鎖緊環的深度就可以保證快換裝置的實際工作性能。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的彈性變形進行分析計算。設鋼球為剛性材料，將鋼球與鎖緊環的接觸簡化為剛性球體與彈性平面間的接觸，若不計摩擦力的影響，則可得鎖緊環變形量為[7]：

5 許用變形的確定

Hertz接觸理論認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假設接觸區域的壓力分布為拋物線形狀，其表達式為

其接觸的合力F為：

接觸半徑a的表達式為：

等效彈性模量E′的表達式為

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為鎖緊環的屈服強度，而h0即為許用變形[δi]，也即鎖緊環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的深度δ小于h0，鎖緊環就處于彈性變形范圍內，兩者間的相對運動就不會使后者產生犁溝、壓痕等塑性損傷，從而提高鎖緊機構的可靠性，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 結論

本文通過對鋼球鎖緊機構的原理、自鎖條件、承載力等的分析與計算，設計出一種結構簡單，可靠性高，具有機械鎖緊功能的機器人末端快速更換裝置；另一方面，該結構還具備鎖緊凸輪斜面自動補償功能，可保證鎖緊機構在有少量磨損的狀態下保持可靠的自鎖功能。因此本設計具有較強的實用價值，可將其推廣到類似的產品設計中，擴展鋼球鎖緊機構的應用范圍，圖8為已投入生產的機械臂末端快換器產品，圖9為產品測試報告。

圖8 已投入生產的快換器產品

圖9 快換器測試報告