往復式凸輪夾鉗機構的研究與設計

羅 堅，徐 峰，陳妙芳，潘 波，鄭 龍，趙輝軍，張加杰，陳章強

（1.邁得醫療工業設備股份有限公司，浙江 臺州 317600；2.瑞好聚合物（蘇州）有限公司，上海 200050）

在醫用耗材自動化組裝設備行業，氣動手指夾的應用非常廣泛，主要用于各種物料的夾取動作。然而由于氣動手指夾內部集成了滑軌、連桿機構和氣缸，導致其自身結構不夠緊湊，在較多場合無法使用，如果選用尺寸較小的氣動手指夾，不僅夾緊力不夠，而且使用壽命也很短。另外，氣動手指夾需要配合氣缸或電缸一起使用，由氣缸或電缸帶動氣動手指夾移動以夾取物料，如此一來，氣動手指夾和氣缸的進氣管和排氣管、磁性開關以及電缸的線纜就比較多，不僅造成管線排布雜亂，還會影響物料的正常夾取。

文獻[1-2]專門對直動型凸輪機械手進行了深入的研究，涉及了平面凸輪和弧面凸輪驅動的機械手的設計和分析。受到凸輪機械手的啟發，如果能夠設計一種移動式夾鉗機構，并用凸輪驅動，那么就完全可以替代目前廣泛使用的氣動手指夾、氣缸或電缸，且可以根據實際需求將夾鉗設計成任意結構形狀，機構和結構簡單且成本低。通過多方面的綜合對比發現，凸輪機構在自動化設備中有著不可多得的優勢，它不僅結構簡單、運行速度高，且動作平穩、噪聲低、無沖擊、可靠性高、成本低、使用壽命長。

該夾鉗機構通過兩個獨立的凸輪聯合動作及后續搖桿滑塊機構的運動轉換，來實現夾鉗的往復運動和啟動作。由這兩個凸輪的廓線形成夾鉗的運動并對其進行控制，而凸輪曲線是根據夾鉗的動作要求由設計給定的。

1 夾鉗機構原理

1.1 機構簡圖

往復式夾鉗建構簡圖如圖1 所示。擺桿A1OfB1和擺桿A2OfB2以Of為公共擺動軸，凸輪 1（cam1）驅動擺桿A1OfB1，通過連桿B1C1帶動C1D1的往復運動；凸輪2（cam2）驅動擺桿A2OfB2，通過連桿B2C2帶動C2D2的往復運動。在桿C1D1上連接有兩個滑槽，兩個滑槽分別于C1D1行成轉動副，轉動副的中心為D1，同時兩個滑槽又同時與C2D2以凸輪副連接。

圖1 往復式夾鉗機構簡圖

1.2 原理分析

往復式夾鉗的運動軌跡圖如圖2 所示。在軌跡的右端夾鉗打開，然后保持夾鉗打開狀態向左水平移動，到達軌跡的最左端后，夾鉗關閉，之后保持關閉狀態返回到最右端，行成一個動作循環。

圖2 往復式夾鉗運動軌跡圖

動作起始階段，兩個凸輪一起轉動，凸輪1 此時處于休止期，控制C1D1保持不動，而凸輪2 驅動擺桿A2OfB2，通過連桿B2C2帶動C2D2向左移動，依靠凸輪副D2驅動連接在D1上的兩個滑槽產生相向擺動，即實現夾鉗的打開動作；之后，C1D1和C2D2在凸輪1 和凸輪2 的驅動下同步向左移動，此時兩個滑槽相對D1保持靜止，即夾鉗保持打開狀態并向左移動；在到達最左側后，C1D1在凸輪1 的控制下保持靜止，C2D2在凸輪2 的控制下向右移動，在凸輪副D2驅動下，連接在D1上的兩個滑槽產生相向擺動，實現夾鉗的夾緊動作；最后，C1D1和C2D2在凸輪1 和2 的驅動下同步向右移動，此時兩個滑槽相對D1保持靜止，即夾鉗保持關閉狀態并向右移動，直到返回到軌跡的最右側。

2 夾鉗機構設計

2.1 相位設計

機構運動相位圖如圖3 所示。在打開和關閉夾鉗的過程中，要保持轉動副D1處于靜止狀態。為了保持夾鉗在往復移動中的啟閉狀態，就要求C1D1和C2D2是同步運動的，因此，其移動的起始時間和動作周期都設計為相同。

圖3 機構運動相位圖

2.2 凸輪設計

為了保持C1D1和C2D2運動的同步性，在設計兩個凸輪時，選用了相同的運動規律，根據機構運動相位圖和文獻[3]，設計的凸輪1 和凸輪2 的輪廓曲線如圖4 和圖5 所示。

圖4 凸輪1 內輪廓曲線

圖5 凸輪2 內輪廓曲線

在設計凸輪時，考慮到要簡化夾鉗機構的結構，避免使用彈簧約束從動件滾子與凸輪廓面間的嚙合，凸輪1 和凸輪2 都采用了溝槽的結構。

2.3 夾鉗設計

夾鉗機構簡圖如圖6 所示，該夾鉗的啟閉采用了凸輪機構原理，兩個傾斜的滑槽M 和N 交錯放置，并共用一個轉動副，一個銷或滾子放置在兩個滑槽的公共交叉處，當銷或滾子左右移動時，就可以同時控制滑槽M 和N 的轉動角度，且滑槽M 和N 是相向轉動，從而控制夾鉗的啟閉動作。

圖6 夾鉗機構簡圖

3 夾鉗機構結構設計

往復式夾鉗機構結構示意圖如圖7 所示。導桿可以在導筒內滑動，而導筒又可以在直線軸承內滑動。夾鉗的上下兩部分安裝在夾鉗座上，夾鉗座通過螺釘鎖緊在導筒上。凸輪1 和凸輪2 可以獨立控制導筒和導桿往復移動，從而達到既可以控制夾鉗啟閉，又可以在保持夾鉗啟閉狀態的情況下移動夾鉗。

圖7 往復式夾鉗機構結構示意圖

根據傳動和結構的需求，凸輪1 和凸輪2 既可以設計成獨立的槽凸輪，也可以設計成一個凸輪帶雙面溝槽的結構形式。

4 結語

根據本文的機構原理和設計方法，可以按照不同的設備需求，將該移動式夾鉗機構設計成任意的結構形式，并能將凸輪機構的優勢充分地應用到自動化組裝設備中。尤其是在醫用耗材自動化組裝設備領域，該機構可以直接替代氣動手指夾、氣缸和電缸，在節省成本的同時，還能最大化地提高設備的性能。