一种夹持小型零件的平行夹持装置的制作方法

本发明涉及夹持装置，尤其是一种夹持小型零件进行小空间内装配的平行夹持装置。

背景技术：

在工业生产中，机械手夹持器的应用十分广泛，机械手手部是用来抓持工件(或工具)的部件，有多种结构形式，比如夹持型、托持型和吸附型等。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识。然而针对不同的夹持对象(根据物块的大小、形状及重量等具体要求)和应用领域，专用机械手夹持器仍需要特殊设计。

目前市场上的简易机械手夹持器多是用于中大型物件的夹持，而且往往没有考虑夹持环境，即夹持器与其他物件的干涉。特别的，用于装配作业的夹持器还应具有结构紧凑、开闭范围可控、夹持精度等要求。另外，这些夹持器难以应用于小零件的夹持。

例如低压电器产品含有大量典型的刚性、柔性小零件，分析其内部弹压、卡扣零件的结构形式、材料及装配方法，了解到：

1)该类小零件由于质量轻，夹持动作开始时过大的力易导致硬碰撞夹持不稳定，影响定位精度；而当进行弹压、卡扣等装配动作时又需要一定的夹持力来防止滑脱。因此，该类夹持器需具备夹持力平稳过渡的特点。

2)低压电器零件的装配在产品内部进行，装配空间小，易与已装配零件发生干涉。因此，夹持器末端的尺寸、开闭方式及张合量应根据实际空间设计，同时需保证能够在小空间内完成小零件的推、扣等动作。

技术实现要素：

为了克服已有夹持装置的精度较低、不适用于小型装配环境、装配类型单一的不足，本发明提供一种精度较高、有效适用于小型零件夹持装配环境、通用性较好的夹持小型零件的平行夹持装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种夹持小型零件的平行夹持装置，所述平行夹持装置包括用于将电机的旋转运动转换为夹钳平行运动的传动部分和用于执行输出的夹持末端和作为控制夹持力的柔性夹钳部分；所述传动部分的动作端与所述柔性夹钳部分连接，所述柔性夹钳部分包括对称设置的刚性夹钳和柔性夹钳，所述柔性夹钳包括底座、弹簧、弹簧调节旋钮、弹簧调节件、定位销钉和上部，所述底座上开有滑槽，所述上部可滑动地位于滑槽内，所述滑槽内安装定位销钉，所述定位销钉位于上部的一侧，所述上部的另一侧顶触在所述弹簧的一端，所述弹簧的另一端安装在弹簧调节件上，所述弹簧调节旋钮的动作端顶触在弹簧调节件上；所述夹持末端位于所述上部。

进一步，所述柔性夹钳部分还包括夹持末端和压力应变片，所述夹持末端安装在所述上部，所述压力应变片位于所述夹持末端的中间位置。

再进一步，所述夹持末端的工作面上贴硬质防滑橡胶。

更进一步，所述传动部分包括用于传递伺服电机运动的第一丝杠螺母传动部分和用于使螺母旋转运动转换为夹钳平行运动的第二传动部分。

所述第一丝杠螺母传动部分包括伺服电机、丝杠和套筒，所述伺服电机的输出轴与丝杠一端连接，所述丝杠与螺母配合，所述丝杠的一端安装在箱体的轴承座上，所述螺母可上下运动地套装在箱体的内部滑槽，所述套筒与所述螺母固定连接。

所述螺母上开有卡槽，所述套筒上开有与所述卡槽配合的榫头；所述套筒内部开孔便于其随着螺母上下运动时不干扰丝杆。

所述第二传动部分包括活塞杆、中部杆和凸轮，所述套筒的上部分别与两根活塞杆的下端铰接，所述两根活塞杆的中部杆可转动地安装在箱体内，所述活塞杆的另一端设有凸轮，所述凸轮顶在所述底座的锥形孔内，所述底座可滑动地位于滑轨内，所述滑轨固定在所述箱体上。

本发明的技术构思为：平行式夹持装置包括：用于将电机的旋转运动转换为夹钳平行运动的传动部分，用于缓冲与控制夹持力的柔性夹钳部分，用于执行夹持动作的夹持末端及压力应变片的安装部分。

其中，所述传动部分包括：用于提供动力的伺服电机，采用电机驱动而不是其他驱动方式的原因是，考虑不同被夹零件的尺寸不一，电机驱动下的夹钳起始位置可以在一定范围内任意设置。针对传动精度及夹持器紧凑设计的考虑，采用丝杆螺母机构，所述电机通过联轴器与丝杆连接，所述丝杆的一端安装在箱体的轴承内，所述丝杆的中部与螺母螺纹连接，因所述螺母于箱体内部滑槽平行滑动，丝杆稳定转动，可减少常规丝杆螺母机构两个轴承中的一个，节省空间，因该处传动系统受力较小，所述螺母通过特殊形状与套筒卡扣相连，该连接方式节省空间，套筒也在箱体滑槽内滑动，所述套筒顶部与夹钳主体通过活塞杆连接，夹钳主体在安装于箱体顶部的导向滑轨内平行运动，此处使用活塞杆将套筒的运动转化为与之运动方向垂直的夹钳运动，该方式节省连接件，且传动效率高，采用平行夹钳的原因是非平行夹钳开闭时轨迹较大，易与小型产品内部其他零件发生碰撞。

其中，所述柔性夹钳部分包括：用于在滑轨内平行运动的夹钳主体底座部分，所述底座上开有滑槽，夹钳主体中部零件在滑槽中滑动，所述中部零件在对内方向上使用销钉定位，与另一个常规夹钳对称，对外方向上使用弹簧顶紧，使得该夹钳可以在对外方向上移动，其主要功能有两点：其一，小型零件如轻质塑料零件等，普通刚性夹钳在快速夹持瞬间与零件的接触力相对过大，易使夹持位置偏移或夹持失败，同理，对于柔性零件，过大的接触力易使零件变形，该柔性夹钳设计可在夹持瞬间适当缓冲接触力，同时，另一个常规夹钳保证定位精度；其次，确认夹持成功后电机继续慢速转动，以基于力反馈的pid闭环控制系统控制夹紧力，实现针对这类小零件的分两段精密夹持，即快速抓取与确认夹紧。

其中，所述夹持末端及压力应变片的安装部分包括：可更换末端零件使用钢材，该钢材具有较高的刚性，保证足够的夹持刚度，所述钢材零件与夹钳主体通过销钉连接，将压力应变片安装在该钢材不影响夹持的位置上，所述压力应变片通过检测该钢材的应变来提供夹持成功与否的反馈信息，具体实践为，从接触被夹件到夹紧实时采集该应变片的力信息，如若该力信息没有达到理想范围，即表示夹持不稳定。在末端零件与被夹零件接触位置贴上薄硬质防滑橡胶，防止光滑小零件滑脱，硬质是为了不影响应变片力反馈。针对不同类型不同形状的小型零件，如薄片形、圆柱体、长方体及不规则形状，设计了多种末端零件，具有更好的通用性。

本发明的有益效果主要表现在：基于平行手指夹持器模型设计而成，精度较高、有效适用于小型零件夹持装配环境；使用特定设计的夹持前端，能够深入复杂装配体内部完成夹持动作，并且能够保证夹持小零件的稳定性，同时于刚性夹持和柔性夹持中都有更好的通用性；具体如下：

1)该夹钳能够深入小产品内部作业而不干涉其他零件，采用平行运动方式，相对于非平行式夹钳，除了便于计算运动速度，且可通过调整开闭量和更换不同形状夹持末端等方式用于不同形状的夹持任务；

2)该柔性夹钳机构设计思路新颖，只改变其中一个夹钳为柔性夹钳，不影响定位精度，但以简单的方式解决了夹持力平稳过渡的问题；

3)该闭环控制系统采用两个力反馈控制夹持力的大小，满足小质量零件对夹持力的要求，保证夹紧的同时提高了精密夹持的工作速度。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的夹持装置的结构示意图；

图2本发明力反馈闭环控制框图；

图3本发明实施例1提供的丝杆螺母传动示意图；

图4本发明实施例1提供的平行夹钳机构示意图；

图5为图4中活塞杆与夹钳底座配合示意图；

图6本发明实施例提供的柔性夹钳机构示意图。

图7为压力应变片安装在夹持末端上的示意图。

图8为根据圆柱形被夹件设计的夹持末端示意图。

图9为平行夹钳机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图9，一种夹持小型零件的平行夹持装置，包括：用于传递伺服电机运动的丝杆螺母传动部分1，用于使螺母旋转运动转换为夹钳平行运动的传动部分2，用于执行输出的夹持末端和作为控制夹持力的柔性夹钳部分3。

其中，传动部分1包括：如图3所示，用于连接伺服电机的丝杆10，丝杆10通过螺纹与螺母6连接，丝杆10的一端安放在安装在箱体1的轴承座16上，螺母6在箱体1内部滑槽内只能上下平行运动，使得该丝杆螺母机构在缺少一个轴承的情况下能够正常高精度工作，螺母6上部开有卡槽，与套筒7配合连接，套筒7内部开孔便于其随着螺母上下运动时不干扰丝杆10。

本发明提供的实施例中，丝杆螺母机构的作用主要是将旋转运动变换为直线运动，同时使得整体结构紧凑，又具有一定的精度。

本发明实施例中，传动部分2包括：如图4所示，用于连接两活塞杆2和3的套筒7上部，活塞杆的中部杆安装在箱体对应的孔中可旋转运动，一端卡在套筒上部的杆上相对旋转运动，另一端的凸轮在夹钳底座4和8底部的锥形孔内相切配合，如图5所示，驱动夹钳底座在滑轨5中水平运动，滑轨5与箱体1通过销钉连接。

本发明提供的实施例中，要将螺母的上下运动转换为夹钳的水平运动，同时尽可能节约空间，通过该活塞杆方式，可以控制夹钳水平运动与螺母垂直运动的速度比，以实现高速化的同时结构紧凑，提高可靠性。在该装置总夹持力较小的前提下，该机构的凸轮磨损缺陷可在一定程度上减少。

本发明实施例中，用于执行输出的夹持末端和作为控制夹持力的柔性夹钳部分3包括对称设置的刚性夹钳和柔性夹钳，如图6所示，相对于一体夹钳4，柔性夹钳由底座部分8、弹簧11、弹簧调节旋钮18、弹簧调节件19、定位销钉12和上部9组成，柔性夹钳的上部相对底座由于定位销钉12只能向右侧运动，定位销钉12保证了左右夹钳的对中，可以通过手动旋转调节旋钮18调试弹簧初始弹力的大小。考虑到该夹持任务的特殊性，如若将柔性机构设计在夹持末端，难以保证夹持精度。该柔性夹钳设计使得机构本身具有柔性，简化控制，使得整个夹持过程更加稳定，且在具有一个常规夹钳保证定位精度的基础上，该柔性夹钳设计的多处滑轨的累积误差可以不计。如图7所示，防滑橡胶17紧贴夹持末端15，确认接触到薄片、规则长方体或柔性小零件后，压力应变片反馈力信息，控制器做出伺服电机转速调整，继续运动确认夹紧。该末端零件15的设计宽度为6mm，防滑橡胶17的尺寸为6mm×6mm×0.3mm，便于进入普通夹钳无法进入的产品内部。如图8所示，针对圆柱形小零件采用具有一定角度的末端设计，使得夹持更加稳定，其他不规则小零件可同理进行对应的末端设计。使用有限元分析软件，设置5n的压力均匀施加于防滑橡胶区域表面，该应变图说明夹紧力对零件15造成的应变在竖直方向呈线性分布，距接触位置越远应变越小，据此选取中间位置安装应变片，该位置的应变足够明显，能够反应夹紧力的大小，且不干扰末端进入产品内部夹持。

考虑到本装置的夹持对象为轻质的小零件，夹持末端夹紧力f较小，普通伺服电机能够满足要求。首先，根据式(1)确定滚珠丝杠副的导程，如图9机构示意图所示，螺母轴向运动速度可通过实际尺寸推出，即根据设计的夹持末端开闭速度推出螺母输出速度。

ph＝vmax/i·nmax(1)

ph：丝杆导程；

vmax：螺母轴向最大运动速度；

i：电机与联轴器传动效率；

nmax：电机最高转速；

然后，根据图9机构示意图及力学推理可计算出丝杆螺母的推拉力f1，根据作用在丝杆上的扭矩与推拉力的关系公式(2)可计算出丝杆螺母机构的扭矩m。

f1＝2π·m/ph(2)

最后，通过式(3)验证，当电机额定扭矩大于计算电机总扭矩时，所选电机满足条件。

tm＝tp+td+tj+tb(3)

tm：电机计算总扭矩；

tp：外部负荷产生的摩擦扭矩；

td：预紧力产生的摩擦扭矩；

tj：加速度产生的负荷扭矩；

tb：支承轴承产生的摩擦扭矩；

柔性夹钳部分的弹簧受力对图9平行夹钳整体受力无影响，起缓冲接触碰撞的作用，选型时需保证弹簧的外径比安装孔小且夹紧力在其最大载荷范围内，且可通过图6中旋钮18调节初始弹力，初始弹力的大小决定了其缓冲能力的强弱。根据公式(4)设计弹簧指数c，根据式(5)计算弹簧的自由长度。

c＝d2/d(4)

d2：弹簧圈中径；

d：弹簧丝直径；

h＝n·δ+(n0+1)d(5)

n：弹簧工作圈数；

δ：弹簧钢丝间距，δ＝t-d，t：弹簧节距；

n0：弹簧总圈数。

本发明的闭环控制框图如图2所示，闭环控制通过对夹持末端的应变进行不断的检测，通过检测到的系统输出量主动修正控制量，使夹紧力总保持在理想范围。当快速接触到被夹件，两个应变片都有应变时，按照一定比例调整电机转速，直到两个力反馈都达到各自理想范围内表示夹持成功，否则，调整夹持。特别的，因该装置使用了一个柔性夹钳，左右两个末端在相同位置同一时刻的应变不同，(为便于描述，左末端安装于常规夹钳上，右末端安装于柔性夹钳上)，所以使用两个应变片进行力反馈，控制器需对这两个力反馈进行分析，具体的，因左夹钳为常规一体夹钳，力反馈直接，当对这两个力信息进行分析时，以左应变为主，即主要依左应变力反馈调整夹紧力，右应变为辅，即保证两个接触被夹件的末端都夹持成功，弥补了一个力反馈的不足。

这里采用针对该力反馈系统的比例-积分-微分(pid)控制方法。电机转速与末端移动速度、电机扭矩与末端夹紧力之间的比例关系通过以上物理模型得到。针对该力反馈系统的pid控制方法中，电机需要的转速n0(t)未知，通过控制器对力反馈的分析得出，控制器采用非线性转换方式处理采集的数据，即应变值对应的模拟信号，与理想夹紧时应变值对应的模拟信号进行对比，随着该差值的减小，为使夹持平稳，设计电机速度指数减小，得到每个时刻以夹紧为目标的最佳转速n0(t)，与实际转速n(t)比较，其差值e(t)＝n0(t)-n(t)，经过pid控制器调整后输出电压控制信号u(t)，u(t)经过功率放大后，驱动电机改变其转速。再依据经典模拟式pid调节器的控制规律式进行控制。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化以及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。