一種單電機旋轉電爪的設計研究

【關鍵詞】自動化；單電機；旋轉；電爪；磁性聯軸器；齒輪齒條

一、結構及工作原理

（一）工作原理

本旋轉電爪設計的驅動源為雙輸出軸直流電機或步進電機，轉盤與機座間的位置鎖定通過磁性聯軸器實現，在控制上，儀器通過程序可控制電機工作電流或電壓的大小，從而達到改變電機輸出力矩大小的目的，當電機輸出力矩小于磁性聯軸器的打滑力矩時，電機可帶動兩個夾爪同步夾緊或松開，此時，因磁性聯軸器的作用，轉盤與機座相對位置不動。

當電機輸出力矩大于磁性聯軸器的打滑力矩時，電機帶動轉盤回轉，當夾爪處于夾緊狀態是，轉盤上的兩個夾爪夾著物體同步轉動，同時保持夾爪位置不動，保證物體不會掉落，當夾爪處于松開狀態時，夾爪張開到最大位置后，轉盤帶著夾爪在最大張開狀態下同步回轉[2]。

工作時，電機先以小力矩逆時針回轉，帶動齒輪驅動夾爪上的齒條同步對稱移動，兩夾爪對稱收回夾緊物體，然后以大力矩同向繼續回轉帶動轉盤回轉，轉盤帶著夾爪，及夾取的物體同步回轉，實現夾緊物體后轉位，轉到設定位置后停止，電機以保持力矩維持夾爪夾緊物體不掉落。

當電機以順時針小力矩回轉時，齒輪驅動夾爪上的齒條同時對稱移動，兩夾爪對稱張開，將物體松開放下，當張開到最大后，繼續以同向大力矩回轉帶動轉盤轉動，實現轉盤零點復位[3]。

工作原理簡圖如圖1所示：

（二）結構特點

本設計由電機、機座、轉盤、齒輪、2條導軌、2個夾爪、3個光耦、2個軸承、上擋片、下擋片、光耦板、多個磁鐵、軸用擋圈、螺釘等組成，夾爪形狀可視夾取物體形狀來設計，本設計為平行夾爪，方便夾取兩面平行的物體，結構簡圖見圖2。

機座周邊開有連接螺紋孔，儀器通過該螺紋孔來靈活的固定整個回轉電爪到儀器上。電機為雙輸出軸電機，一端為負載輸出，尾端為光耦板安裝端，兩個輸出軸同軸、同步回轉，電機通過螺釘固定在機座上，電機輸出負載軸上固定一個齒輪，齒輪與輸出軸采用過盈配合來傳遞扭矩，輸出尾軸上固定有上擋片，擋片邊緣開有一個小槽，用來觸發夾爪最大、最小行程光耦，上擋片采用頂緊螺釘緊固，裝配時，先把夾爪行程調到最小，然后轉動上擋片，讓上擋片的小槽，正好觸發夾爪最小行程光耦，此時頂緊上擋片。

轉盤通過兩個法蘭球軸承與機座連接，通過軸用擋圈限制軸向位移，可360度轉動，轉動靈活，無虛位。兩根導軌對稱安裝在轉盤下部的兩側，導軌為精密直線導軌，精度高，免維護。兩個卡爪分別固定在導軌滑塊上，可隨著滑塊移動，夾爪無虛位，重復定位精度高，本設計的圖示卡爪為夾取平面類物體，夾取不同形狀的物體時，夾爪需按物體外形改動，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，齒輪轉動時，帶動兩個卡爪同步對稱移動，實現夾爪夾緊或松開[4]。

機座和轉盤上分布一圈小孔，分別以S、N交錯安裝有一圈磁鐵，形成磁性聯軸器，保持轉盤與機座相對位置，通過采用不同磁強度的磁鐵，或不同尺寸的磁鐵，或不同數量的磁鐵，或改變兩組磁鐵間的距離等，可調節磁性聯軸器的最大傳遞力矩；另外，為改善磁性聯軸器打滑時產生的抖動，可以采用更密集的磁鐵分布，減少兩磁鐵間的間距來改善，或將磁性聯軸器改為磁性吸附阻尼器，也可將磁性聯軸器改為電磁吸附阻尼器，回轉將變得平滑順暢。轉盤下方安裝有下擋片，隨著轉盤轉動，用來觸發轉盤零位。光耦板通過螺釘固定在機座上，上方安裝有兩個光耦，分別用于檢測卡爪行程的最大、最小位置，下方安裝有一個光耦，用于檢測轉盤的零位，裝配時，通過工裝將轉盤零位確定，調節下擋片正好觸發零位光耦，然后緊固[5]。

（三）工作流程

1.上電復位：上電后，電機先以大力矩逆時針轉動，輸出軸上的齒輪先驅動卡爪夾緊，再帶動轉盤回到零位，然后通過光耦判斷卡爪行程是否處于最小位置，如是，說明卡爪間無物體，如不是，說明卡爪間夾有物體，電機再以小力矩順時針轉動，齒輪帶動卡爪張開到最大，并觸發光耦，回轉電爪完成復位。

2.夾取物體回轉：電機先以小力矩逆時針轉動，輸出軸上的齒輪驅動卡爪夾緊物體，然后通過光耦判斷卡爪行程是否處于最小位置，如是，說明卡爪間無物體，如不是，說明卡爪間夾有物體，電機再以大力矩逆時針轉動，帶動轉盤回轉到設定位置[6]。

3.松開物體復位：電機先以小力矩順時針轉動，輸出軸上的齒輪驅動卡爪松開物體，然后通過光耦判斷卡爪行程是否處于最大位置，如是，說明卡爪已經順利張開，如不是，說明出錯，電機再以大力矩順時針轉動，帶動轉盤回轉到零位，讀取零位光耦信號確認，完成復位。

（四）存在的缺點及改善

本設計的單電機旋轉電爪，夾緊與回轉，電機需逆時針方向轉動，順時針方向轉動時為松開和復位，不適合一些應用場景，如夾緊后旋轉開蓋、關蓋等，且只有兩卡爪，不適用需要多卡爪對稱夾緊的場合。因磁性聯軸器特性，回轉時有一些抖動，不適合對要求運行平穩的場合，可以采用更密集的磁鐵分布，減少磁鐵間的間距來改善；或將磁性聯軸器改為磁性吸附阻尼器，也可將磁性聯軸器改為電磁吸附阻尼器，回轉將變得平滑順暢[7]。最大夾緊力為磁性聯軸器的打滑力矩，夾緊力大小不方便調節，可將磁性聯軸器改為電磁鐵吸附阻尼器，通過程序控制電磁鐵通過的電流大小，從而改變電磁鐵吸力大小，進而調節電磁鐵吸附阻尼器阻力值來改善[8]。

二、運動分析

（一）夾爪張開回轉模擬

結果和圖解查看，進入結果和圖解選項，在結果欄下拉框中，選取類別：力；選取子類別：馬達力矩；選取結果分量：幅值；選取旋轉馬達對象：旋轉馬達1，確定生成力矩圖解圖4。

從圖4分析，可看出單電機旋轉電爪在張開過程中，前半段夾爪張開，馬達所需力矩較小，當夾爪張開到最大后，電機繼續轉動時，馬達力矩急劇上升，當達到轉盤磁性聯軸器打滑力矩后，轉盤同步轉動，馬達輸出力矩趨于平穩。從運動分析過程，及結果和圖解可看出，單電機旋轉電爪的張開過程，與預期一致，達到設計要求。

（二）夾爪夾緊回轉模擬

使用SOLIDWORKS打開單電機旋轉電爪數模，夾爪處于最大張開狀態，通過SOLIDWORKS Motion 插件進行運動分析，設置旋轉馬達：電機軸相對于機座逆時針轉動，等速60 RPM；設置接觸對：齒輪與兩個夾爪分別設置接觸組，兩個夾爪間設置接觸組，材料選STEEL；設置彈簧：轉盤與機座間旋轉扭矩彈簧，彈簧力表達式指數選線性，k值取0.1N/度，阻尼力表達式指數選線性，C值取10N/度，在卡爪與機座間分別設置較小阻尼力，模擬導軌運行阻力，拉動鍵碼到1S，設置好的運動計算菜單見圖3，提交計算。

結果和圖解查看，進入結果和圖解選項，在結果欄下拉框中，選取類別：力，選取子類別：馬達力矩，選取結果分量：幅值，選取旋轉馬達對象：旋轉馬達1，確定生成力矩圖解圖5。

從圖5分析，可看出單電機旋轉電爪在夾緊過程中，前半段夾爪夾緊，馬達所需力矩較小，當夾爪夾緊后，電機繼續轉動時，馬達力矩急劇上升，當達到轉盤磁性聯軸器打滑力矩后，轉盤同步轉動，馬達輸出力矩趨于平穩。從運動分析過程，及結果和圖解可看出，單電機旋轉電爪的夾緊過程，與預期一致，達到設計要求。

對比張開和夾緊過程受力圖解，可看出馬達輸出力矩曲線基本相同，與設計預期一致。

結論

通過簡化設計的單電機旋轉電爪，實現了預期的夾爪夾緊、轉盤帶夾爪一起回轉、夾爪松開復位、轉盤復位等功能動作。夾爪導向由常用的滑槽，改為精密直線導軌，壽命長、阻力小、精度高，無需維護，夾爪無虛位。轉盤與機座的鎖定，采用磁性聯軸器，相互間不接觸，無磨損，終身免維護。夾爪的夾緊與張開，采用齒輪齒條傳動，對稱開合，定位精度高，全行程力臂一致，簡化受力模型。通過使用SOLIDWORKS Motion 進行運動受力分析，輸出結果和圖解圖，通過分析結果和圖解圖可看出設計達成了預期要求。該設計整體結構簡單、體積小、成本低、運動可靠，性價比較高，為小型自動化設備的進一步小型化，提供了可能，同時也較好的增加了儀器的性價比。