快慢自适应大夹持力机构设计及实验验证

田世伟，周庆奎，赵宏亮，赵宝君，宋婉贞，班 超

( 中国电子科技集团公司第四十五研究所， 北京 100176)

在微电子制造的关键设备中，为了提高生产效率，在运动台设计过程中需要通过添加载物台的数量来实现产能的提升，多载物台的应用就需要能够实现自由控制开启和夹紧的机构，来进行运动驱动组件与载物台的连接。

根据该夹紧机构的应用工况，需要该机构一方面能够在产率指标分配的规定时间内，快速完成锁紧和开启动作；另一方面对这种连接机构的可靠性和稳定性要求严格，一旦出现问题会给用户带来巨大的经济损失。这就要求该夹持机构在工程应用上要考虑使用可靠的夹持动力源以及合理的控制逻辑。

本论文主要包含以下内容：（1）确定稳定可靠的夹持动力源，再在此基础上确定夹持力的放大形式，并以力学模型为理论基础，建立夹持力与被动夹持机构的数学模型；（2）通过气路设计和电控板卡设计给出快慢自适应的控制电路；（3）进行所有设计的实验验证，通过实验而确定了设计思路和设计过程的可行性。

1 大夹持力实现方案

1.1 夹持原理

夹持机构按照夹持原理可分为主动夹持和被动夹持两种。主动夹持原理是在机构中引入外界驱动源作用力，从而实现主动夹持锁紧，这种方式的锁紧力大小一般跟驱动源作用力的大小成正相关；被动夹持方式在夹持机构中安装有被动式驱动源，该驱动源一般是由弹性元件经过增力结构提供，同时，在此基础上也会引入外界主动驱动源，在主动外界驱动源作用下夹持机构会实现开启，无驱动源作用时，夹持装置处于锁紧状态。抓卡装置可采用气动、液压、电机等驱动方式[1，2]。被动加紧机构相较于主动夹持机构在可靠性、适应性以及动力装置成本上更具优势，本文将对采用基于气动驱动的被动式夹持结构进行论证分析。

抓卡机构的夹持原理如图1 所示。该装置采用气缸驱动杠杆的主动和叠簧驱动杠杆的被动方式，将活塞的往复运动转变为夹紧连接块的上下运动，实现部件A 和部件B 的连接和分离。夹紧装置和部件B 的连接接触面采用V 型面接触，当气缸充气时，活塞向右运动带动杠杆短臂向下转动，柔性顶块在杠杆的带动下向下运动，夹紧连接块的V 型面与夹紧机构的V 型零件脱开，从而实现部件A 与部件B 的分离；气缸排气时，活塞在叠簧的回复力下，带动杠杆短臂向上转动，柔性顶块克服夹紧连接块的重力和簧片的弹力向上运动实现V 形面锁紧。该夹紧装置采用被动夹紧、主动松开的工作模式，保证机构在突然掉电工况下处于夹紧状态，从而保证部件A 和部件B 的连接可靠性和系统的安全性。柔性顶块的锁紧力由叠簧的弹力经过杠杆放大后提供，杠杆长短臂之比大为b:a，经杠杆放大后柔性顶块的Z 向夹紧力为叠簧回复弹力的4 倍，柔性顶块的运动行程为活塞运动行程的1/4。

图1 抓卡装置原理

计算夹紧力需求时可以考虑叠簧回复力F1和杠杆比例大小b:a 以及V 型块的斜面角度θ 这几个参数。同时需要考虑部件B 的运动参数需求，包括质量m、加速度a，根据需求确定F1、b:a、θ等设计参数。下面以部件B 质量为35 kg，最大加速度为20 m/s2为例，对力学模型进行受力分析。同时为了保证设计的安全性，留有15%的安全余量。该受力分析考虑X 向（V 型面摩擦力方向），Y向由夹紧持连接块与部件B 的柔性连接刚度去考虑，在本文中不做讨论。这样计算下来，部件B运动时所需的X 向驱动力为800 N。其力学分析模型如图2 所示。

图2 部件A 与部件B 连接简化力学模型

连接件Z 方向受力平衡，可得：

得到V 形接触面上作用力的大小：

部件B 的X 向运动所需驱动力由V 型接触面静摩擦力、柔性顶块和夹持连接件接触面的静摩擦力的合力提供，设V 型接触面摩擦系数为μ1，柔性顶块和夹持连接件的摩擦系数为μ2，则该机构能提供的最大X 向驱动力[3]为：

与驱动力比较可得式(4)：

考虑到后面实验验证，取μ1= μ2= 0.1，θ=50°，可得0.3366Fz＞800 N，

当FZ＞2 377 N 时，该机构能够提供部件B（质量为35 kg）在X 向以加速度20 m/s2运动时所需的驱动力，根据该需求可对叠簧及杠杆进行设计，杠杆比例可按照b:a=4:1 进行设计，得到叠簧提供的力F1=594.25 N，后续验证即在该参数下验证FZ＞2 377 N。

由式（4）可知，可以通过调整杠杆比例b:a、μ1、μ2、θ 的大小来调整夹持装置所能提供的最大X 向驱动力，保证运动部件B 在大加速度和大质量下运动的安全性和可靠性。

1.2 控制逻辑需求

为尽可能高的提高部件A 和部件B 连接的可靠性、使用寿命和夹持效率，提出如下3 点控制需求：（1）为保证连接的可靠性要求该夹持机构在断电且不做任何操作的时候，保证夹持机构能始终在夹紧状态；（2）为了保护部件A 和部件B 中间连接件夹持连接块的使用寿命和夹持效率，要求柔性顶块对夹持连接件有尽可能小的冲击力，即在机构释放夹持力工况下要尽可能的快；机构需要夹持连接时，要使柔性顶块在接近夹持连接块时能够快速的接近，在接近达到一定力要求时能够缓慢的进行夹持；（3）要保证在夹持连接块和V 型楔形块之间能够满足垂向夹持力的大小，保证部件A 能够带动部件B 做大加速运动。运动示意图如图3 所示。

图3 运动示意图

1.3 气路设计

通过控制逻辑需求进行如图4 所示气路设计，该气路图中用到了两个双电控两位五通先导式电磁阀，利用该阀可以控制气路的通断，同时可以保证机构突然掉电的情况下可以保持当前状态；在阀1 前端和阀2 后端存在两个压力检测传感器，用来给控制电路提供压力值判断输入；储气罐1 位于阀1 前用来保证在CDA（压缩空气）突然断掉的情况下，储气罐1 还能持续的给夹持机构提供一段时间的正压，保证柔性顶块和夹持连接块缓慢夹紧；同时为了保证在夹紧时活塞的排气不至于污染部件A 和部件B，在阀路里面设计有抽排气路。

图4 气路原理示意图

结合气动原理图，以正压0.5 MPa 充气压力和保护设定压力0.2 MPa 为例，对如下几种操作工况进行说明：

（1）夹持机构打开气路操作动作

①阀1 的线圈1 和阀2 的线圈3 得电，阀1工位1~4 导通，阀2 工位1~4 导通；

②夹持机构活塞底部气缸充气到0.5 MPa 时，充气完成，阀1 的线圈1 和阀2 的线圈3 掉电。

（2）夹持机构夹紧气路操作动作

①阀1 的线圈2 和阀2 的线圈4 得电，此时阀1 与阀2 的4、5 导通，夹持机构在叠簧回复力的作用下从0.5 MPa 开始快速放气；

②当夹持机构放气到0.2 MPa 时，阀2 的线圈3 得电，阀2 切换到工位4、1 导通，再通过阀1的4、5 通路，进入到带有小孔截流的抽排气路中，进行慢速放气；

（3）不做任何操作时夹持机构状态

不做任何操作时定义夹持机构是夹紧状态，电磁阀线圈都不上电，阀1 保持在工位4、5 导通，阀2 保持在工位4、5 导通，这样颗粒抽排管路会时刻对夹持机构的气路部分进行抽排，保证部件A 和部件B 的洁净度。

1.4 电控设计

该夹持机构应具备手动控制和远程软件控制两种模式，且在手动控制下，软件远程控制时效，目的是为了在部件A 与部件B 离线调试或者测试时，便于离线手动处理。该夹持机构的电控原理图如图5 所示，电控原理图中包含夹紧机构充排气控制器、压力采集，快/ 慢速排气切换控制，手动切换控制等部分组成，其中：

图5 电控功能框图

（1）充排气控制通过接受软件指令实现充气和排气电磁阀的开关实现对夹紧机构进行充气或排气；

（2）压力采集电路部分通过压力传感器采集夹紧机构活塞底部的压力；

（3）快/ 慢速排气切换控制通过对比采集到的夹紧机构活塞底部的压力值和设定的压力值，控制快速排气电磁阀的开关，实现快/ 慢速排气的控制；

（4）手动切换控制通过双刀双掷开关切断充排气电磁的控制电路，直接连接到电源上，实现对充/排气电磁阀的优先控制。

结合上述原理图描述该夹持机构具备的功能如下：

功能1：手动控制阀同时按下供电+OPEN时，夹持机构松开

功能2：手动控制阀同时按下供电+CLOSE时，夹持机构锁死

功能3：线圈1 和线圈2 为一个双控电磁阀，线圈3 和线圈4 为一个双控电磁阀，其中1 和3为并联关系，同时动作，外部可控（open 阀）；2 外部可控（close 阀），4 外部不可控，通过气压控制。

2 实验验证

2.1 夹持力测试

夹持机构的夹持力大小直接影响到部件A 和部件B 联接稳定性，所以需要对夹持机构的夹持力进行测试以判断是否符合理论设计要求。

利用力传感器及配套数显仪器测试该夹持机构夹紧推动块在夹紧位置状态下的力值。选用如下测量设备及工装工具，力传感器（量程8 000 N），配套数显仪（精度0.01 N）；按照机械设计的垂向夹持行程，设计测试用工装，包括上垫块、下垫块及0.1 mm 厚金属圆片；

实验步骤：

1）将上垫块及下垫块安装在夹持机构上；

2）夹持机构的电控板卡上电；

3）将0.5 MPa 正压接入夹持机构气源输入口；

4）将力传感器放置在下垫块固定位置上，由0.1 mm 厚圆片调节力传感器高度；

5）控制夹持机构中部手动控制按钮，实现夹持机构夹紧/ 打开功能验证，并记录夹紧力数据。实验测试结果如表1 所示。

表1 实验测试结果

根据前期理论计算FZ>2 377 N，测试结果显示在柔性顶块与柔性连接块间距小于3.6 mm 时，垂向夹紧力均大于2 390 N，可满足运动组件设计要求，3.6 mm 即为部件A 和部件B 设计的最大间隙。

2.2 夹紧动作测试

夹持机构在夹紧过程中需保证在压力释放到0.2 MPa 时，电磁阀2 线圈3 动作，夹紧机构由快速夹紧变换到缓慢夹紧。

利用气路图中的末端压力传感器，示波器实时读取夹持机构在排气夹紧过程中的压力变换，判断是否在夹紧过程中该夹持机构存在快速排气夹紧和慢速夹紧排气两个阶段。

实验步骤：

1）将示波器信号采集线与夹持机构电控板卡数据读取端口连接；

2）夹持机构的电控板卡上电；

3）将0.5 MPa 正压接入夹持机构气源输入口，手动控制夹持机构打开（手动控制阀同时按下供电+OPEN）；

4）将示波器上电并实时读取压力传感器1 的读数，采样频率为200 Hz；

5）手动控制夹持机构排气夹紧（手动控制阀同时按下供电+CLOSE），夹紧机构进入夹紧过程。

实验测试结果如图6 所示。

图6 夹持机构腔体内气压随时间变换曲线

从压力与时间的关系图可以清楚看到，夹持机构排气夹紧时，压力值随着时间的延长而线性降低，当压力值降低到设定压力值0.2 MPa 后夹紧机构变为缓慢夹紧。

3 结 论

（1）根据本文中关于夹持机构的结构原理及夹持力计算方法可准确的对夹持机构提供垂向夹持力进行计算，且根据本文的计算方法并通过实验验证，可得到满足设计指标的垂向夹持力。

（2）本文中给出关于夹持机构夹紧/打开的控制逻辑，可以通过工程上的电控设计、气路设计进行实现，并在工程应用中得到准确的验证。

（3）本文中设计的夹持机构，在尽可能保证部件A 和部件B 夹持快速响应的同时，又尽可能减少夹持机构对被夹持部件夹持连接块的冲击力，提高连接部件的使用寿命。