CN104493835A - 一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪，包括交流伺服电机、减速齿轮、双旋向丝杠、丝杠螺母、连接压板、第一夹钳、第二夹钳、直线导轨和直线轴承；交流伺服电机通过减速齿轮与双旋向丝杠连接，双旋向丝杠上配合连接有两个丝杠螺母，两个丝杠螺母嵌套于第一连接压板和第二连接压板的中间孔内，第一连接压板和第二连接压板的侧面B分别连接呈“<>”形结构的第一夹钳和第二夹钳；两个直线导轨平行设置于双旋向丝杠的两侧，直线导轨上分别装配有直线轴承，直线轴承嵌套于第一连接压板和第二连接压板的上下孔内。本发明所述的砝码夹持机械手爪结构简单、可靠性高、便于控制，可高效完成砝码计量检定过程中的砝码夹持搬运任务。

Description

一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪

技术领域

本发明涉及机器人技术领域和计量自动化领域，尤其涉及一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪。

背景技术

质量是七大物理基本量之一，砝码是一种复现质量值的实物量具，被广泛应用于各部门。砝码的计量检定工作是通过衡量仪器对标准砝码和被检砝码进行称量比较来实现的，它直接关系到质量量值传递的准确性和一致性。在现有的砝码检定技术中，砝码装卸通常是采用人工定位、手动搬运来进行的，需要耗费检定人员大量体力劳动，效率低下，而且由于人为的误操作，可能会对衡器设备产生伤害。因此，人工定位和手动搬运砝码无法精确保证检定工作的质量。

传统的工业机器人或装夹机械手由于操作精度和结构刚性的要求，结构往往比较粗大和笨拙。本设计的机械手爪专门针对砝码检定工作中的砝码夹持与搬运动作，该砝码夹持机械手爪结构简单、可靠性高，具备仿人手夹持搬运砝码的功能，大幅度提高砝码计量检定工作的效率，节约了人力成本。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪，结构合理小巧，抓取可靠，便于控制的特点，能顺利完成砝码计量检定过程中的砝码夹持搬运任务。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪，包括交流伺服电机、减速齿轮、双旋向丝杠、第一丝杠螺母、第二丝杠螺母、第一连接压板、第二连接压板、第一夹钳、第二夹钳、第一直线导轨、第二直线导轨、第一直线轴承和第二直线轴承；所述交流伺服电机通过减速齿轮与双旋向丝杠连接，所述双旋向丝杠一部分配合连接第一丝杠螺母，另一部分配合连接第二丝杠螺母；所述第一丝杠螺母嵌套于第一连接压板的中孔内，所述第二丝杠螺母嵌套于第二连接压板的中孔内；所述第一连接压板底端连接第一夹钳，所述第二连接压板底端连接第二夹钳，所述第一夹钳和第二夹钳呈“<>”形结构；所述双旋向丝杠的两侧平行设有第一直线导轨和第二直线导轨，所述第一直线导轨装配有第一直线轴承，所述第一直线轴承嵌套于第一连接压板和第二连接压板的上孔内；所述第二直线导轨装配有第二直线轴承，所述第二直线轴承嵌套于第一连接压板和第二连接压板的下孔内。

优选的，所述第一夹钳和第二夹钳的内表面均包覆有热塑性弹性体TPR。

优选的，所述第一夹钳和第二夹钳的钳口角度均为120°。

优选的，所述交流伺服电机为型号HF－KP13交流伺服电动机，电机额定功率100W，额定转速3000r/min，额定转矩0.32N·m。

优选的，所述第一夹钳或第二夹钳的推力和所述交流伺服电机的模拟转矩关系式如下：

$f_a=\frac{2\mathrm{\&pi;}{Z}_2{\mathrm{\&eta;}}_1{\mathrm{\&eta;}}_2\&CenterDot;K_1}{z_{1}R}V$

式中：

Fa--第一夹钳或第二夹钳的推力；

V--模拟量转矩指令(TC)的电压值；

K1--用于控制输出转矩的可变参数；

z1--主动直齿轮的齿数；

z2--从动直齿轮的齿数；

η1—齿轮传动效率；

η2--丝杠传动效率；

R--丝杠导程。

优选的，所述第一夹钳和第二夹钳材料为铝或铝合金。

优选的，所述第一夹钳和第二夹钳的抓取直径范围是10～50mm，伸出长度为80mm。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述的用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪，其结构简单，可靠性高，便于控制，钳口角度设计为120°增加抓取自适应能力，使被抓取的不同直径的砝码自动对心，抓取稳定，检定工作效率高；双直线导轨及直线轴承的使用既保证了工作精度，又增加了传动效率，能顺利完成砝码计量检定过程中的砝码夹持搬运任务。

(2)两只相互开合呈“<>”形结构的机械手爪的第一夹钳和第二夹钳内表面包覆弹性橡胶体料TPR，实现对夹持砝码的仿人工柔软接触，不对砝码表面造成损伤，不影响检定工作质量。

(3)砝码夹持机械手爪选用交流伺服电机作为驱动元件。具有功率大、过载能力强、无电刷、环境适应性好的优点。该砝码夹持机械手爪采用交流伺服电机转矩控制模式来控制抓取力的输出。利用与输入电压成正比的转矩来控制伺服电机运行的方法，其优点是运算量最小，驱动器对控制信号的响应快。

附图说明

图1为本发明所述本发明砝码夹持机械手爪结构的示意图。

图2为图1中A向视图。

图3为连接压板侧面B的示意图。

图4为第一夹钳和第二夹钳夹取目标砝码示意图。

图5为图4中砝码移动到第一夹钳和第二夹钳中心位置的轨迹示意图。

附图标记说明如下：

1-交流伺服电机，2-减速齿轮，3-双旋向丝杠，4-第一丝杠螺母，5-第二丝杠螺母，6-第一连接压板，7-第二连接压板，8-第一夹钳，9-第二夹钳，10-第一直线导轨，11-第二直线导轨，12-第一直线轴承，13-第二直线轴承。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1和图2所示，一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪，包括交流伺服电机1、减速齿轮2、双旋向丝杠3、第一丝杠螺母4、第二丝杠螺母5、第一连接压板6、第二连接压板7、第一夹钳8、第二夹钳9、第一直线导轨10、第二直线导轨11、第一直线轴承12和第二直线轴承13；所述交流伺服电机1连接减速齿轮2，所述减速齿轮2通过键连接双旋向丝杠3；所述双旋向丝杠3的一部分配合连接第一丝杠螺母4，另一部分配合连接第二丝杠螺母5将旋转运动转变为直线运动；

所述第一丝杠螺母4嵌套于第一连接压板6的中孔内，第二丝杠螺母5嵌套于第二连接压板7的中孔内，所述双旋向丝杠3的两侧平行设有第一直线导轨10和第二直线导轨11，与双旋向丝杠3的轴心线位于同一平面内，起导向和支撑作用，以增加夹持结构的稳定性；所述第一直线导轨10装配有第一直线轴承12，所述第一直线轴承12嵌套于第一连接压板6和第二连接压板7的上孔内；第二直线导轨11装配有第二直线轴承13，所述第二直线轴承13嵌套于第一连接压板6和第二连接压板7的下孔内。

如图1和图3所示，所述第一连接压板6和第二连接压板7的侧面B上分别螺栓连接呈“<>”形结构的第一夹钳8和第二夹钳9；所述第一夹钳8和第二夹钳9的夹钳内表面均包覆弹性橡胶体料TPR，实现对夹持砝码的仿人工柔软接触，不对砝码表面造成损伤，不影响检定工作质量。

双旋向丝杠3丝杠总长为156mm，螺纹总长90mm，螺距2.5mm，丝杠公称直径14mm，中径12.75mm，小径11mm。所述的砝码夹持机械手爪选用铝合金作为主要制作材料，考虑材料的成本、加工性及总质量等因素，铝或铝合金及其他轻合金材料，其共同特点是质量轻，弹性模量E不大，但是材料密度较小，则E/ρ仍可以与钢材相比。

如图4和图5所示，平动的机械手爪的第一夹钳8和第二夹钳9在做捏取动作时，为了抓取摆放于检定托盘一定范围内的砝码，设计钳口角度为120°。当砝码摆放的中心位置与第一夹钳8和第二夹钳9的中心位置不重合时，砝码先接触到第一夹钳8或第二夹钳9的一个面，随着夹钳的闭合，砝码在夹钳面作用力下运动，当砝码逐渐接触到其他三个立面时，由于互成角度的立面能同时提供两个轴向的力，最终使砝码到达夹钳口中心，实现夹钳准确抓取动作。

所述交流伺服电机1为型号HF－KP13交流伺服电动机，电机额定功率100W，额定转速3000r/min，额定转矩0.32N·m，具有功率大、过载能力强、无电刷、环境适应性好的优点，以获取合适的抓取力，同时保证抓取高精度等级砝码时保持稳定的状态。

本发明用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪的工作过程为：交流伺服电机1驱动减速齿轮2旋转，减速齿轮2带动双旋向丝杠3做旋转运动，双旋向丝杠3通过与第一丝杠螺母4和第二丝杠螺母5的配合，将动力传递给固定在第一连接压板6和第二连接压板7上的第一夹钳8和第二夹钳9，由于双旋向丝杠3为一端左旋，一端右旋，通过将螺旋回转运动转变为直线运动，第一夹钳8和第二夹钳9会同时靠近或远离，完成夹取和释放的动作。

本发明所述的用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪采用交流伺服电机1的转矩控制模式来控制第一夹钳8和第二夹钳9的推力的输出。交流伺服电机1的转矩控制模式是向伺服单元输入模拟量指令形式的转矩指令，利用与输入电压成正比的转矩来控制交流伺服电机1运行的方法，其优点是运算量最小，驱动器对控制信号的响应快。

若交流伺服电机1以额定转矩输出，可得到交流伺服电机1的输出转矩同模拟量转矩指令(TC)的关系:

T₁＝K₁·V   (1)

式中：T1--电机输出转矩；

K1--用于控制输出转矩的可变参数；

V--模拟量转矩指令(TC)的电压值。

由于交流伺服电机1的输出转矩由减速齿轮2(包括主动直齿轮、从动直齿轮)啮合传递给双旋向丝杠3，并通过丝杠螺母、直线导轨将转矩变为平行于双旋向丝杠3轴的推力，从而带动安装于连接压板上的第一夹钳1和第二夹钳2做水平开合运动，得到如下的传动关系:

$T_2=T_1\&CenterDot;\frac{z_2}{z_1}\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_1---\left(2\right)$

式中：T2--丝杠转矩；

z1，z2--主动直齿轮、从动直齿轮的齿数；

η1--齿轮传动效率。

双旋向丝杠将齿轮传递的转矩转化为推力，有如下关系:

F_a＝2πη₂·T₂/R  (3)

式中：Fa--丝杠产生的推力；

η2--丝杠传动效率；

R--丝杠导程。

综合式(1)～式(3)，由于丝杠产生的推力即为第一夹钳8或第二夹钳9的推力Fa，因此可得到砝码夹持机械手爪的第一夹钳8或第二夹钳9的推力Fa与交流伺服电机1模拟量转矩指令的电压值V的关系式：

$f_a=\frac{2\mathrm{\&pi;}{Z}_2{\mathrm{\&eta;}}_1{\mathrm{\&eta;}}_2\&CenterDot;K_1}{z_{1}R}V$

由此可见，第一夹钳8或第二夹钳9产生的推力与输入电机模拟量转矩指令的电压值成单一的线性关系，因此其夹紧力可通过调节输入电压值来控制，根据抓取的砝码规格不同，设定不同的输入电压，以保证产生大小适中的夹紧力，顺利完成夹取砝码的同时不产生对砝码的损伤。本发明所述的砝码夹持机械手爪拥有一个平动自由度，其抓取对象为500g-5000gE2等级砝码，抓取直径范围是10～50mm，第一夹钳8和第二夹钳9的伸出长度取80mm。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪，其特征在于，包括交流伺服电机(1)、减速齿轮(2)、双旋向丝杠(3)、第一丝杠螺母(4)、第二丝杠螺母(5)、第一连接压板(6)、第二连接压板(7)、第一夹钳(8)、第二夹钳(9)、第一直线导轨(10)、第二直线导轨(11)、第一直线轴承(12)和第二直线轴承(13)；所述交流伺服电机(1)通过减速齿轮(2)与双旋向丝杠(3)连接；所述双旋向丝杠(3)一部分配合连接第一丝杠螺母(4)，另一部分配合连接第二丝杠螺母(5)；所述第一丝杠螺母(4)嵌套于第一连接压板(6)的中孔内，所述第二丝杠螺母(5)嵌套于第二连接压板(7)的中孔内；所述第一连接压板(6)底端连接第一夹钳(8)，所述第二连接压板(7)底端连接第二夹钳(9)，所述第一夹钳(8)和第二夹钳(9)呈“<>”形结构；所述双旋向丝杠(3)的两侧平行设有第一直线导轨(10)和第二直线导轨(11)，所述第一直线导轨(10)装配有第一直线轴承(12)，所述第一直线轴承(12)嵌套于第一连接压板(6)和第二连接压板(7)的上孔内；所述第二直线导轨(11)装配有第二直线轴承(13)，所述第二直线轴承(13)嵌套于第一连接压板(6)和第二连接压板(7)的下孔内。

2.根据权利要求1所述的一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪，其特征在于，所述第一夹钳(8)和第二夹钳(9)的内表面均包覆有热塑性弹性体TPR。

3.根据权利要求1所述的一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪，其特征在于，所述第一夹钳(8)和第二夹钳(9)的钳口角度均为120°。

4.根据权利要求1所述的一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪，其特征在于，所述交流伺服电机(1)为型号HF－KP13交流伺服电动机，电机额定功率100W，额定转速3000r/min，额定转矩0.32N·m。

5.根据权利要求1所述的一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪，其特征在于，所述第一夹钳(8)或第二夹钳(9)的推力和所述交流伺服电机(1)的模拟转矩关系式如下：

$F_a=\frac{2\mathrm{\&pi;}{z}_2{\mathrm{\&eta;}}_1{\mathrm{\&eta;}}_2\&CenterDot;K_1}{z_{1}R}V$

式中：Fa--第一夹钳或第二夹钳的推力；V--模拟量转矩指令(TC)的电压值；K1--用于控制输出转矩的可变参数；z1--主动直齿轮的齿数；z2--从动直齿轮的齿数；η1—齿轮传动效率；η2--丝杠传动效率；R--丝杠导程。

6.根据权利要求1所述的一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪，其特征在于，所述第一夹钳(8)和第二夹钳(9)材料为铝或铝合金。

7.根据权利要求1所述的一种用于计量检定工作的砝码夹持机械手爪，其特征在于，所述第一夹钳(8)和第二夹钳(9)的抓取直径范围是10～50mm，伸出长度为80mm。