CN108724238B - 一种由旋转气缸驱动的三爪机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种由旋转气缸驱动的三爪机械手，包括支撑壳体、与支撑壳体盖合安装的滑座以及设置在滑座上的三个滑块，每一滑块上均设置有一个夹爪；滑座与支撑壳体盖合安装时形成一空腔，在该空腔内设置有驱动轮，在支撑壳体的下端安装有旋转气缸，旋转气缸通过定位轴套带动驱动轮在空腔内旋转；驱动轮上设置有三个弧形导向槽，三个弧形导向槽在驱动轮上中心对称分布，滑座上设置有三个向心直线导向槽，向心直线导向槽与弧形导向槽通过驱动滑轮连接，驱动滑轮带动滑块均沿向心直线导向槽滑动，带动夹爪做张开或闭合动作以夹持或松开工件。本发明将旋转气缸的旋转运动转化为夹爪的直线运动，实现了夹爪的开启与闭合。
Description
技术领域
本发明涉及一种由旋转气缸驱动的三爪机械手。
背景技术
目前气动夹爪被广泛地应用于在自动化生产过程中，用于实现工件的夹持与搬运。三爪机械手作为气动夹爪的一种，被用于圆形零件内外径的抓取，具有自对中、负载转矩大等特点。目前，常用的三爪机械手有楔形滑块型及曲柄—滑块型结构，其行程一般较小，型号尺寸相对集中，但是随着生产产品的多样化和生产要求的多样化，对气动夹爪的行程、夹持力、以及在工作过程中是否实现自锁等方面提出了更高的要求，在进行非标设备设计时，往往不能够选型到合适的气动夹爪。
如申请号为1320076755.0的一种三爪机械手的专利中，该专利的爪指通过椎体快推动绕定点开合，实现机械手的抓取，简化机械手结构，降低成本。
如申请号为201510715899X的一种滚轮式三爪机械手结构的专利中，该专利针对现有三爪机械手夹持工件时容易掉落的问题，设计了多个固定爪部分和活动爪部分，配合滾际球、固定爪盘等结构，提高抓举的范围和能力，可以将工件夹持得更加稳固。
如申请号为201320470548.3的一种由三组曲柄滑块机构组成的三爪机械手的专利中，该专利通过设置了多组曲柄滑块机构，从而可以更牢固的抓取物体。
如申请号为201621363491.7的一种三爪机械手气缸的专利中，该专利采用独特的三只抓手机械手机构，从而可以提高工作精度以及工作效果。
但上述专利中，并未涉及气动夹爪的行程、夹持力、以及在工作过程中是否实现自锁等方面的设计，如何更好的针对上述问题进行设计机械手，是本领域人员待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种由旋转气缸驱动的三爪机械手，该由旋转气缸驱动的三爪机械手通过将旋转气缸的旋转运动转化为夹爪的直线运动，多个夹爪同步相互靠近或远离，实现了夹爪的开启与闭合。
本发明通过以下技术方案得以实现。
一种由旋转气缸驱动的三爪机械手，包括支撑壳体(2)、与支撑壳体盖合安装的滑座(5) 以及设置在滑座上的三个滑块(7)，每一滑块上均设置有一个夹爪(8)；所述滑座与所述支撑壳体盖合安装时形成一空腔，在该空腔内设置有驱动轮(4)，在所述支撑壳体的下端部安装有旋转气缸(1)，所述旋转气缸通过定位轴套(3)带动所述驱动轮在空腔内旋转；
所述驱动轮上设置有三个弧形导向槽(4.4)，三个弧形导向槽在驱动轮上中心对称分布，所述滑座上设置有三个向心直线导向槽(5.3)，每一向心直线导向槽对应一个弧形导向槽，所述滑块沿向心直线导向槽滑动；
所述驱动轮(4)与滑座(5)通过驱动滑轮(6)连接，所述驱动滑轮一端伸入所述弧形导向槽(4.4)与所述驱动轮连接，另一端伸入所述向心直线导向槽(5.3)与所述滑块连接；
旋转气缸(1)启动时，通过定位轴套(3)带动驱动轮(4)旋转，进而通过驱动滑轮，将驱动轮的旋转运动转化为驱动滑轮(6)在向心直线导向槽(5.3)的直线滑动，所述驱动滑轮带动滑块沿向心直线导向槽(5.3)滑动，带动夹爪做直线运动，两个夹爪同步靠近或远离，带动夹爪做张开或闭合动作以夹持或松开工件。
进一步的，所述弧形导向槽(4.4)的一端靠近驱动轮(4)的中心位置O1，另一端远离中心位置O1。
进一步的，三个所述向心直线导向槽一端靠近滑座(5)的中心，另一端远离靠近滑座 (5)的中心。
进一步的，当驱动滑轮与中心位置O1的连线和驱动滑轮与圆弧中心O2的连线形成的压力角θ3小于摩擦角时，夹爪在弧形导向槽的任意位置上自锁。
进一步的，所述支撑壳体(2)为“凹”字形的圆柱体形状，在支撑壳体的侧壁上端设置有三个定位槽(2.1)，每一所述定位槽(2.1)的底壁上设置有螺纹孔(2.2)；所述滑座为圆形面板结构，其向外延伸而出形成若干个定位凸台(5.1)，所述定位凸台(5.1)与所述定位槽(2.1)嵌合安装，所述定位凸台(5.1)上设置有螺纹安装孔(5.2)，通过螺钉穿过螺纹安装孔(5.2)和螺纹孔(2.2)，所述支撑壳体与所述滑座螺接安装。
进一步的，所述支撑壳体的中部设置有中心定位孔(2.5)，与所述驱动轮(4)的旋转轴连接。
进一步的，所述驱动轮(4)上设置有定位孔(4.1)、螺纹安装孔(4.2)和中心定位孔(4.3)，所述驱动轮通过定位孔(4.1)和螺纹安装孔(4.2)的配合与旋转气缸连接，所述定位轴套的一端伸入所述中心定位孔(4.3)进而与驱动轮连接。
进一步的，所述定位轴套(3)包括定位轴面(3.1)和定位轴面(3.2)，定位轴面(3.1) 与旋转气缸(1)的中心定位孔(1.7)相配合；定位轴面(3.2)与驱动轮(4)的中心定位孔(4.3)配合。
进一步的，所述滑块呈“工”字形形状，其两侧面向内凹陷形成与所述向心直线导向槽 (5.3)嵌合的矩形限位槽(7.1)，所述滑块通过两侧的矩形限位槽(7.1)嵌入到所述向心直线导向槽(5.3)上，滑块在向心直线导向槽(5.3)上滑动。
进一步的，所述滑块(7)的侧壁上设置有通孔(7.2)以及从滑块的下端面朝上延伸并贯通至通孔(7.2)的轴孔(7.3)，所述驱动滑轮一端穿过所述轴孔(7.3)，进而与所述滑块(7)连接。
上述由旋转气缸驱动的三爪机械手，旋转气缸作为夹爪的驱动装置，驱动轮通过定位轴套与旋转气缸连接，驱动轮通过驱动滑轮与滑块连接，驱动轮上开设有三个弧形导向槽，滑座上开设有位于弧形导向槽上方且与弧形导向槽一一对应的向心直线导向槽，驱动滑轮两端分别设置在弧形导向槽和向心直线导向槽上，将旋转气缸的旋转运动转化为夹爪在向心直线导向槽的直线运动，在旋转气缸的驱动下，两个夹爪同步相互靠近或远离，实现了夹爪的开启与闭合。本发明改变了目前将驱动气缸和夹爪集成为一体的设计方式，设计过程灵活可调，只需改变弧形导向槽的行程即可改变夹爪的行程，只需改变弧形导向槽的压力角以及偏心距即可改变夹爪的夹持力以及实现自锁功能，可满足夹爪的不同实用要求，使其应用范围广、互换性高。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的爆炸图；
图3为本发明旋转气缸的结构示意图；
图4为本发明支撑壳体的结构示意图；
图5为本发明定位轴套的结构示意图；
图6为本发明驱动轮的结构示意图；
图7为本发明滑座的结构示意图；
图8为本发明驱动滑轮的结构示意图；
图9为本发明滑块的结构示意图；
图10为本发明夹爪的结构示意图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1和图2所示的一种由旋转气缸驱动的三爪机械手，包括支撑壳体2、与支撑壳体2 盖合安装的滑座5以及设置在滑座5上的三个滑块7。每一滑块7上均设置有一个夹爪8。滑座5 与支撑壳体2盖合安装时形成一空腔，在该空腔内设置有驱动轮4，在支撑壳体2的下端部安装有旋转气缸1，旋转气缸1通过定位轴套3带动驱动轮4在空腔内旋转。支撑壳体2为“凹”字形的圆柱体形状，该空腔为圆形空腔，便于驱动轮4在空腔内旋转。滑座5为圆形面板，可以盖合支撑壳体2的上端，起到保护驱动轮4的作用。
驱动轮4上设置有三个弧形导向槽4.4，三个弧形导向槽4.4在驱动轮4上中心对称分布，滑座5上设置有三个向心直线导向槽5.3，每一向心直线导向槽5.3对应一个弧形导向槽4.4，驱动轮4与滑座5通过驱动滑轮6连接，驱动滑轮6一端伸入弧形导向槽4.4与驱动轮4连接，另一端伸入向心直线导向槽5.3与滑座5连接。三个弧形导向槽4.4中心对称，对驱动轮4旋转时，三个弧形导向槽4.4在旋转一定角度后，可相互重合，保证三个夹爪9可以同步运动。
旋转气缸1启动时，通过定位轴套3带动驱动轮4旋转，进而通过驱动滑轮6，将驱动轮4 的旋转运动转化为驱动滑轮6在向心直线导向槽5.3的直线滑动，驱动滑轮6带动夹爪8做直线运动，多个夹爪8同步靠近或远离，从而带动夹爪8做张开或闭合动作以夹持或松开工件。如此，将旋转气缸1的旋转运动转化为夹爪8的直线运动，多个夹爪同步相互靠近或远离，实现了夹爪的开启与闭合。其中，驱动滑轮6通过弧形导向槽4.4与驱动轮4做相对曲线运动，驱动滑轮6沿向心直线导向槽5.3滑动与滑座5做相对直线运动。优选的，弧形导向槽4.4的一端靠近靠近驱动轮4的中心位置O1，另一端远离驱动轮4的中心位置O1。三个向心直线导向槽 5.3一端靠近滑座5的中心，另一端远离靠近滑座5的中心，使得驱动滑轮6可以顺利地带动滑块7沿向心直线导向槽5.3滑动。
如图3、图4、图5、图6和图7所示，旋转气缸1为选用的SMC型MSQB系列的旋转气缸，作为夹爪8的驱动装置，支撑壳体2可通过定位销钉及螺钉安装于旋转气缸1上。旋转气缸1包括用于调节旋转气缸1的旋转角度的螺杆1.1和螺杆1.2，用于排气的排气口1.3和排气口1.4，通过螺钉与支撑壳体2螺接的螺纹孔1.5、中心定位凸台1.6和周向定位孔1.8，通过螺钉与定位轴套3连接的中心定位孔1.7，通过螺钉与驱动轮4连接的螺纹孔1.9和周向定位孔1.10，以及安装孔1.11。其中，中心定位孔1.7、螺纹孔1.9和周向定位孔1.10均设置在中心定位凸台1.6上，中心定位凸台1.6可旋转，并通过定位轴套3带动驱动轮4旋转。定位轴套3的下端设为定位轴面3.1，上端设为定位轴面3.2，定位轴面3.1和定位轴面3.2均为圆柱体结构，定位轴面3.1的半径长度大于定位轴面3.2的半径长度。定位轴面3.1与旋转气缸1的中心定位凸台1.6连接，定位轴面3.2与驱动轮4连接。
支撑壳体2为“凹”字形的圆柱体形状，支撑壳体2的底面中部设置有中心定位孔2.5，定位轴面3.2穿过中心定位孔2.5与驱动轮4连接。中心定位孔2.5位于支撑壳体2的底部中心位置，可与旋转气缸1的中心定位凸台1.6配合连接，保证了支撑壳体2的中心定位。支撑壳体2 的侧壁上端设置有三个定位槽2.1，定位槽2.1可与滑座5安装连接，定位槽2.1上设置有两个螺纹孔2.2，定位槽2.1和螺纹孔2.2均分布在支撑壳体2的定位槽2.1的底壁上，在支撑壳体2 的底面上设置有定位孔2.3和螺纹安装孔2.4，定位孔2.3和螺纹安装孔2.4对应与旋转气缸1的定位孔1.8和螺纹孔1.5配合，通过螺钉的连接，使得支撑壳体2和旋转气缸1螺接。螺纹安装孔2.4开有沉孔，使螺钉的头部埋入零件内部。
滑座5为圆形面板结构，其向外延伸而出形成六个定位凸台5.1，定位凸台5.1与定位槽2.1 嵌合安装，两个定位凸台5.1嵌合安装在一个定位槽2.1上。每一定位凸台5.1上设置有螺纹安装孔5.2，螺纹安装孔5.2与螺纹孔2.2相配合，通过螺钉使得滑座5和支撑壳体2螺接。两个定位凸台5.1为一组，每组的两个定位凸台5.1间隔设置，向心直线导向槽5.3位于在同一组的两个定位凸台5.1之间。在滑座5的中部位置上设置有定位销钉孔5.4，定位销钉孔5.4用于定位工件，其与驱动轮4的中心位置同心，保证了取放工件时的位置与夹爪的中心位置均在驱动轮4的中心位置上，可避免工件的夹偏。滑座5的工作平面5.5可作为工件的工作台面，不必为工件的加工另设工作台。
驱动轮4还包括与旋转气缸1连接的定位孔4.1和螺纹安装孔4.2、通过螺钉与定位轴套3 连接的中心定位孔4.3。定位孔4.1有四个，分布在中心定位孔4.3的周边，且沿圆周方向均匀布置，可与旋转气缸1上的定位孔1.10配合，螺纹安装孔4.2则与旋转气缸1上的螺纹孔1.9配合，螺纹安装孔4.2上开有沉孔，使螺钉的头部埋入零件内部。此外，可将两个螺纹安装孔 4.2和一个定位孔4.1设计为一组，在同一组中，定位孔4.1设置在两个螺纹安装孔4.2之间。定位轴套3的一端伸入中心定位孔4.3与驱动轮4连接，即定位轴面3.2伸入中心定位孔4.3与驱动轮4连接。中心定位孔4.3位于驱动轮4的中心，保证了驱动轮4的中心定位。
如图6所示，本实施例中，在图6中标注：设其中一个弧形导向槽4.4的起始位置为S1、终止位置为S2、驱动轮4的中心位置O1、该弧形导向槽4.4的圆弧中心O2。弧形导向槽4.4的起始位置S1为使夹爪8闭合的位置，即为弧形导向槽4.4靠近中心位置O1的一端。终止位置S2 为使夹爪8张开最大时的位置，即为弧形导向槽4.4远离中心位置O1的一端。其中，起始位置 S1到中心位置O1的距离设为L1，终止位置S2到中心位置O1的距离设为L2，起始位置S1与中心位置O1的连线和起始位置S1与圆弧中心O2的连线形成的压力角设为θ1，终止位置S2与中心位置O1的连线和终止位置S2与圆弧中心O2的连线形成的压力角设为θ2。驱动滑轮6在弧形导向槽4.4做相对曲线运动，驱动滑轮6与中心位置O1的连线和驱动滑轮6与圆弧中心O2的连线形成的压力角设为θ3。
其中，夹爪8在向心直线导向槽5.3的行程距离为(L2-L1)，可根据实际需要设置该行程距离。夹爪8自锁的条件是：(1)当θ1和θ2均大于摩擦角时，则夹爪8不能自锁；(2)当θ 1和θ2均小于摩擦角时，夹爪8在起始位置为S1或终止位置S2上可保持自锁；(3)当θ3小于摩擦角时，则夹爪8可在弧形导向槽4.4的任意位置上自锁。
另外，若不计弧形导向槽4.4与驱动滑轮6之间的摩擦力，弧形导向槽4.4作用于驱动滑轮 6的力为F1，其方向朝向圆弧中心O2(即驱动滑轮6与圆弧中心O2的连线方向)；F1的分力F2 为夹爪8的夹持力，F2的方向为驱动滑轮6与中心位置O1的连线方向；F1的另一分力F3为驱动滑轮6的旋转力。驱动滑轮6与中心位置O1的连线距离和F3的乘积为旋转气缸1的驱动扭矩 M。中心位置O1与起始位置S1的连线和中心位置O1与终止位置S2连线形成的夹角越小，夹爪8所能获得的压力角θ1、θ2越大，传动角越小，其夹持力越小、效率越低。
此外，三个弧形导向槽4.4为偏心设置驱动轮4上。弧形导向槽4.4的偏心距为圆弧中心 O2与中心位置O1之间的距离。通过改变弧形导向槽4.4的压力角以及偏心距即可改变夹爪的夹持力以及是否需要实现自锁功能，可满足夹爪的不同实用要求，使其应用范围广、互换性高。
如图8、图9和图10所示，驱动滑轮6选用Misumi型CFFAMG系列微型凸轮轴承随动器，可将弧形导向槽4.4与驱动滑轮6之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，减小运动副之间的摩擦力。
滑块7包括矩形限位槽7.1、通孔7.2、轴孔7.3、螺纹孔7.4和定位孔7.5。矩形限位槽7.1 由滑块7的两侧面上向内凹陷形成，滑块7呈“工”字型。矩形限位槽7.1与向心直线导向槽 5.3相嵌合，滑块7通过矩形限位槽7.1嵌入到向心直线导向槽5.3上。滑块7的侧壁上设置有通孔7.2以及从滑块7的下端面朝上延伸并贯通至通孔7.2的轴孔7.3，在通孔7.2内设置有螺母，驱动滑轮6一端穿过轴孔7.3，并与螺母螺接，进而与滑块7连接。螺纹孔7.4和定位孔7.5位于滑块7的上平面，用于夹爪8的安装与定位。
夹爪8包括定位槽8.1、螺纹安装孔8.2、定位孔8.3和夹持手指8.4。定位槽8.1呈矩形状，设置在夹爪8的下端面，与滑块7上端嵌合。在螺纹孔7.4和和螺纹安装孔8.2以及定位孔7.5 和定位孔8.3均通过螺钉连接，使得夹爪8与滑块7螺接安装，将夹爪8固定在滑块7上。螺纹安装孔8.2上开有沉孔，可使螺钉的头部埋入零件内部。夹持手指8.4的高度可根据工件的大小来进行设计，夹持手指8.4上设置有用于夹持与定位工件的V型槽，并可防止夹爪8的夹持部位由于磨损而造成的偏心现象。
上述由旋转气缸驱动的三爪机械手，旋转气缸作为夹爪的驱动装置，驱动轮通过定位轴套与旋转气缸连接，驱动轮通过驱动滑轮与滑块连接，驱动轮上开设有三个弧形导向槽，滑座上开设有位于弧形导向槽上方且与弧形导向槽一一对应的向心直线导向槽，驱动滑轮两端分别设置在弧形导向槽和向心直线导向槽上，将旋转气缸的旋转运动转化为夹爪在向心直线导向槽的直线运动，在旋转气缸的驱动下，两个夹爪同步相互靠近或远离，实现了夹爪的开启与闭合。本发明改变了目前将驱动气缸和夹爪集成为一体的设计方式，设计过程灵活可调，只需改变弧形导向槽的行程即可改变夹爪的行程，只需改变弧形导向槽的压力角以及偏心距即可改变夹爪的夹持力以及实现自锁功能，可满足夹爪的不同实用要求，使其应用范围广、互换性高。
Claims (7)
1.一种由旋转气缸驱动的三爪机械手，其特征在于：包括支撑壳体(2)、与支撑壳体盖合安装的滑座(5)以及设置在滑座上的三个滑块(7)，每一滑块上均设置有一个夹爪(8)；所述滑座与所述支撑壳体盖合安装时形成一空腔，在该空腔内设置有驱动轮(4)，在所述支撑壳体的下端部安装有旋转气缸(1)，所述旋转气缸通过定位轴套(3)带动所述驱动轮在空腔内旋转；
所述驱动轮上设置有三个弧形导向槽(4.4)，三个弧形导向槽在驱动轮上中心对称分布，所述滑座上设置有三个向心直线导向槽(5.3)，每一向心直线导向槽对应一个弧形导向槽，所述滑块沿向心直线导向槽滑动；
所述驱动轮(4)与滑座(5)通过驱动滑轮(6)连接，所述驱动滑轮一端伸入所述弧形导向槽(4.4)与所述驱动轮连接，另一端伸入所述向心直线导向槽(5.3)与所述滑块连接；
旋转气缸(1)启动时，通过定位轴套(3)带动驱动轮(4)旋转，进而通过驱动滑轮，将驱动轮的旋转运动转化为驱动滑轮(6)在向心直线导向槽(5.3)的直线滑动，所述驱动滑轮带动滑块沿向心直线导向槽(5.3)滑动，带动夹爪做直线运动，两个夹爪同步靠近或远离，带动夹爪做张开或闭合动作以夹持或松开工件；
当驱动滑轮与中心位置O1的连线和驱动滑轮与圆弧中心O2的连线形成的压力角θ3小于摩擦角时，夹爪在弧形导向槽的任意位置上自锁；
所述滑块呈“工”字形形状，其两侧面向内凹陷形成与所述向心直线导向槽(5.3)嵌合的矩形限位槽(7.1)，所述滑块通过两侧的矩形限位槽(7.1)嵌入到所述向心直线导向槽(5.3)上，滑块在向心直线导向槽(5.3)上滑动；
所述滑块(7)的侧壁上设置有通孔(7.2)以及从滑块的下端面朝上延伸并贯通至通孔(7.2)的轴孔(7.3)，所述驱动滑轮一端穿过所述轴孔(7.3)，进而与所述滑块(7)连接。
2.如权利要求1所述的由旋转气缸驱动的三爪机械手，其特征在于：所述弧形导向槽(4.4)的一端靠近驱动轮(4)的中心位置O1，另一端远离中心位置O1。
3.如权利要求1所述的由旋转气缸驱动的三爪机械手，其特征在于：三个所述向心直线导向槽一端靠近滑座(5)的中心，另一端远离靠近滑座(5)的中心。
4.如权利要求1所述的由旋转气缸驱动的三爪机械手，其特征在于：所述支撑壳体(2)为“凹”字形的圆柱体形状，在支撑壳体的侧壁上端设置有三个定位槽(2.1)，每一所述定位槽(2.1)的底壁上设置有螺纹孔(2.2)；所述滑座为圆形面板结构，其向外延伸而出形成若干个定位凸台(5.1)，所述定位凸台(5.1)与所述定位槽(2.1)嵌合安装，所述定位凸台(5.1)上设置有螺纹安装孔(5.2)，通过螺钉穿过螺纹安装孔(5.2)和螺纹孔(2.2)，所述支撑壳体与所述滑座螺接安装。
5.如权利要求1所述的由旋转气缸驱动的三爪机械手，其特征在于：所述支撑壳体的中部设置有中心定位孔(2.5)，与所述驱动轮(4)的旋转轴连接。
6.如权利要求1所述的由旋转气缸驱动的三爪机械手，其特征在于：所述驱动轮(4)上设置有定位孔(4.1)、螺纹安装孔(4.2)和中心定位孔(4.3)，所述驱动轮通过定位孔(4.1)和螺纹安装孔(4.2)的配合与旋转气缸连接，所述定位轴套的一端伸入所述中心定位孔(4.3)进而与驱动轮连接。
7.如权利要求1所述的由旋转气缸驱动的三爪机械手，其特征在于：所述定位轴套(3)包括定位轴面(3.1)和定位轴面(3.2)，定位轴面(3.1)与旋转气缸(1)的中心定位孔(1.7)相配合；定位轴面(3.2)与驱动轮(4)的中心定位孔(4.3)配合。
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