串联气缸驱动的工业机械手外夹持装置

杨益，钟以波

(1. 苏州市产品质量监督检验所，江苏苏州215104; 2. 苏州大学机电工程学院，江苏苏州215021)

工业机械手的灵魂和核心是夹持装置。目前的工业机械手的夹持装置，一般采用电动、液压驱动或者气压驱动。电动机容易受到磁性材料饱和的限制，单位质量的设备所能输出的功率比较小［1］。液压传动具有输出力大、操作简单等优点，但是其最重要的缺点是液压介质容易泄漏，造成环境污染。气压传动所用的主要介质是空气，取之不尽用之不竭，即使泄漏也不会造成污染，但是其致命不足是压力较小，一般只能够达到0.5 MPa。因此，在需要大的输出力场合，人们不得不采用液压传动。作者设计一种既采用气压传动，又能使得输出力达到使用要求的一种夹持装置。采用串联气缸和杠杆－肘杆增力机构来满足较大的输出力，整体布局根据对称美学思想来设计［2－3］，采用气缸又不会造成环境污染，因此是一种绿色环保的夹持装置。

下面介绍这种外夹持装置。

1 工作原理及装置演变

如图1 所示为夹持一般尺寸的外夹持装置。该装置由串联气缸、杠杆机构、肘杆机构等元件组成。其工作原理是:当气动阀在图示位置时，压缩气体通入左右串联气缸的左侧，活塞被推动向右运动，肘杆机构的压力角α 渐渐变小，进行第一次力放大，然后再由杠杆机构进行第二次力放大，并带动夹持元件夹持工件。工件被机械手放到指定位置后，切换气动阀，压缩气体通入左右串联气缸的右侧，使得活塞向左运动，松开工件。

图1 一般尺寸外夹持装置

根据图1 所示装置的原理，通过改变杠杆的位置与形状，可以设计出满足不同尺寸要求的夹持装置［4］，如图2—5 所示。

图2 内倾斜外夹持装置

图3 外倾斜外夹持装置

图4 较小尺寸外夹持装置

图5 较大尺寸外夹持装置

2 力学计算与性能分析

图1—5 所示夹持装置的总夹持力Fo的计算公式［5］完全一致，即:

如果不采用串联气缸，仅用左边的一个气缸，则总夹持力Fo的计算公式为:

式中:D 为气缸直径;

d 为右气缸活塞杆直径;

p 为气压系统压力(MPa);

α 为肘杆机构的理想压力角(图1 所示);

l1、l2为杠杆机构相关组件的长度 (图1 所示);

ηMP为气缸活塞装置的传动效率，一般应取ηMP=0.85［6］;

ηMT为肘杆机构的传动效率，一般可取ηMT=0.90［7］;

ηML为杠杆机构的传动效率，一般ηML=0.97［8］。

在其他参数相同的条件下，对比公式 (2)与(3)，可知文中所介绍的串联气缸驱动的工业机械手内夹持装置，其总夹紧力是传统的仅用一个气缸夹持装置的1.91 倍。如果采用二级串联气缸后，夹持力还达不到要求，可适当将串联气缸增加到三至四级。鉴于多级串联气缸的轴向尺寸将显著增加，所以一般不推荐采用多于四级的串联气缸。

3 总 结

(1)文中提出的串联气缸驱动的工业机械手夹持装置，可极为方便地通过对杠杆机构的形状和角度等进行简单的改变，以满足不同尺寸工件的外夹持和不同夹持力的要求。

(2)采用串联气缸，可以明显提高输出力，相比较于单个气缸，二级串联气缸的总夹持力提高接近1 倍。

串联气缸驱动的肘杆－杠杆增力工业机械手夹持装置，可在一定范围内代替容易产生环境污染的液压传动夹持装置，符合机械行业绿色设计与制造的发展趋势与潮流。

【1】左健民.液压与气压传动［M］.北京:机械工业出版社，2005.

【2】钟康民.简论对称性美学思想指导下的机械设计创新［J］.机械设计，2004(z1):94 －95，56.

【3】钟康民，苏东宁，王明娣.流体传动夹具中介质绿色化的途径与方法探讨［J］. 机床与液压，2004(11):44 －45，48.

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【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】宋学义.袖珍液压气动技术手册［M］.北京:机械工业出版社，1995.

【7】陆雯，钟康民.平行同步双边肘杆增力机构及其在液压传动中的应用［J］.工程机械，2005(1):45 －46.

【8】林文焕，陈本通.机床夹具设计［M］.北京:国防工业出版社，1987.

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