CN109866241A - 一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪 - Google Patents
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Abstract
一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪，它涉及冶金机器人技术领域。本发明为解决现有人工装枪困难，及其导致工业生产效率低的问题。本发明包括气缸驱动机构、固定支架和两组机械爪执行机构，气缸驱动机构设置在固定支架的前端，机械爪执行机构设置在固定支架的后端，机械爪执行机构包括驱动滑块、滑块导轨、四个传动直杆、两个传动弯杆和两个手爪，滑块导轨固接在固定支架的中部，驱动滑块两端的外侧分别各设有一个传动弯杆，传动弯杆与驱动滑块之间的上下两侧分别各设有一个传动直杆，传动直杆的一端与驱动滑块的端部转动连接，传动直杆的另一端与传动弯杆的一端转动连接，传动弯杆的另一端固接有手爪。本发明用于冶金测温探头的抓取。
Description
技术领域
本发明涉及冶金机器人技术领域，具体涉及一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪。
背景技术
在钢铁生产中，钢包精炼炉是主要的炉外精炼设备。传统上，钢包精炼炉的测温取样全部由人工完成，人工装卸取样探头，人工手持测温枪测温。由于人为装枪困难，测量者操作水平的差异，导致测量数据及取样结果稳定性差，不利于过程质量监督控制，而测量数据易产生偏差，又需进行多次验证，处理周期延长，生产成本增加，影响了工业生产效率，同时高温粉尘的环境也对工人的身体健康与作业安全有很大的危害。基于上述问题，可采用机器人自动测温采样系统来代替人工劳动。
国内首钢莫托曼机器人有限公司开发了用于LF钢包精炼炉(Ladle refiningfurnace)的机器人自动测温取样系统，其用于抓取安装测温探头的工具端为非夹持型机械爪，但不能满足宝钢的作业要求。现阶段国内的夹持型机械爪专利技术均不能满足宝钢特定尺寸测温探头稳定有效的夹持装配工作要求，然而测温取样又是钢铁生产中的重要环节，必不可少，为此提出一种紧凑型机械爪用于解决上述问题。
发明内容
本发明为了解决现有人工装枪困难，及其导致工业生产效率低的问题，进而提出一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪包括气缸驱动机构、固定支架和两组机械爪执行机构，气缸驱动机构设置在固定支架的前端，机械爪执行机构设置在固定支架的后端，
机械爪执行机构包括驱动滑块、滑块导轨、四个传动直杆、两个传动弯杆和两个手爪，滑块导轨固接在固定支架的中部，驱动滑块套装在滑块导轨上且沿滑块导轨的长度方向上进行直线往复运动，驱动滑块两端的外侧分别各设有一个传动弯杆，传动弯杆与驱动滑块之间的上下两侧分别各设有一个传动直杆，传动直杆的一端与驱动滑块的端部转动连接，传动直杆的另一端与传动弯杆的一端转动连接，传动弯杆的中部与固定支架转动连接，传动弯杆的另一端固接有手爪，两个手爪相对设置。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
本发明设计了一种抓取安装测温探头的紧凑型机械爪作为自动测温采样系统的工具端。本发明涉及的用于冶金行业的抓取安装测温探头的紧凑型机械爪结构简单，坚固耐用，为实现对特制炼钢测温探头的抓取安装，手爪的夹持面形状，位置及尺寸设计，均依据特制炼钢测温探头的结构与外径尺寸进行，保证夹取的稳定性与准确性，提高了整体生产效率；整个机械爪左右两侧的滑块连杆机构均由一个气缸进行驱动，使机械爪具有结构紧凑，体积小，刚性牢固的特点，其工作空间的尺寸限制在330mm×250mm×280mm以内，同时机构可以达到手爪夹持力为气缸驱动力的1.4倍，两侧手爪的移动行程为驱动滑块移动行程的1.3倍，机械爪的整体结构与尺寸设计可以实现行程与力的小输入大输出，有效利用气缸驱动力与空间尺寸。
附图说明
图1是本发明整体结构的轴测图；
图2是本发明整体结构的主视图；
图3是图2中的A-A向剖视图；
图4是本发明中气缸驱动机构1的轴测图；
图5是本发明中固定支架2的轴测图；
图6是本发明中机械爪执行机构3的轴测图；
图7是本发明中机械爪执行机构3的主视图；
图8是本发明中手爪35的轴测图；
图9是本发明中传动弯杆34的轴测图；
图10是本发明最大张角状态时的结构示意图；
图11是本发明夹紧状态时的结构示意图；
图12是本发明受力分析示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图12说明本实施方式，本实施方式所述一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪包括气缸驱动机构1、固定支架2和两组机械爪执行机构3，气缸驱动机构1设置在固定支架2的前端，机械爪执行机构3设置在固定支架2的后端，
机械爪执行机构3包括驱动滑块31、滑块导轨32、四个传动直杆33、两个传动弯杆34和两个手爪35，滑块导轨32固接在固定支架2的中部，驱动滑块31套装在滑块导轨32上且沿滑块导轨32的长度方向上进行直线往复运动，驱动滑块31两端的外侧分别各设有一个传动弯杆34，传动弯杆34与驱动滑块31之间的上下两侧分别各设有一个传动直杆33，传动直杆33的一端与驱动滑块31的端部转动连接，传动直杆33的另一端与传动弯杆34的一端转动连接，传动弯杆34的中部与固定支架2转动连接，传动弯杆34的另一端固接有手爪35，两个手爪35相对设置。
本实施方式提供了一种用于冶金行业的抓取特定的KR工位(铁水预处理工艺段)测温探头的紧凑型机械爪，本实施方式中气缸驱动机构1提供了机械爪的动力输出，动力提供给驱动滑块31，通过传动直杆33和传动弯杆34将动力传递给手爪35，从而实现两侧手爪35的夹紧与张开。固定支架2为机构提供固定支撑，滑块导轨32与传动弯杆34均固连在固定支架2上，从而机构可以实现作业要求的夹取操作。驱动滑块31通过传动直杆33和传动弯杆34带动手爪35运动，将驱动滑块31的直线运动转化为手爪35的开合运动；传动直杆33、传动弯杆34和手爪35各自有两个，关于驱动滑块31中心轴线左右对称分布；手爪35关于驱动滑块中心轴线上下偏置布置。
整个机械爪机构为滑块连杆机构，通过滑块导轨32的滑槽长度设计限制驱动滑块31行程，滑块导轨32的外形长度为80mm，其上的滑槽长度为65mm，当驱动滑块31位于滑块导轨32首端时，手爪35处于夹持状态，随着驱动滑块31向滑块导轨32末端的移动，手爪35变为放松状态，当驱动滑块31位于滑块导轨32末端时，手爪35的张角最大。
整个机械爪机构设计布局紧凑，其工作空间的尺寸限制在330mm×250mm×280mm以内，同时结构简单易于制造。整个机械爪机构的行程比为1：3，可以实现位移的小输入大输出，通过驱动系统驱动滑块31移动输入一个较小行程，末端两个手爪可以获得一个较大的张开距离。机械爪机构具有符合作业要求的力传递关系，输出力与输入力的比值为1：4，通过输入较小的滑块驱动力可获得较大的末端手爪夹紧力，实现较为省力的操作，同时保证在传送与操作安装时测温探头不会松动脱落，又不致将测温探头夹变形。
具体实施方式二：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述气缸驱动机构1包括驱动气缸11和传动杆件12，驱动气缸11固接在固定支架2上，传动杆件12的一端与驱动气缸11的活塞杆固接，传动杆件12的另一端与驱动滑块31的中部固接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
整个机械爪机构采用单气缸对左右对称的滑块连杆机构同时进行驱动，控制两个手爪向相反方向运动，从而实现机械爪的夹紧与放松，使得机构的整体体积较小。
具体实施方式三：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述驱动滑块31两端的上下两侧分别各垂直固接有固定销轴311，传动直杆33的一端套装在固定销轴311上，传动直杆33与固定销轴311转动连接，传动直杆33的另一端通过活动销轴36与传动弯杆34的一端转动连接，固定支架2的端面上垂直固接有两个定位销轴21，每个传动弯杆34的中部分别套装在一个定位销轴21上，传动弯杆34与定位销轴21转动连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述手爪35包括上夹爪352、手爪臂353和下夹爪354，上夹爪352固接在传动弯杆34另一端的内侧端面上，下夹爪354平行设置在上夹爪352的下端，手爪臂353的上端与传动弯杆34另一端的外侧垂直固接，手爪臂353的下端与下夹爪354垂直固接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述上夹爪352和下夹爪354的内侧面均设有半圆柱形夹持凹槽351，夹持凹槽351的型线与测温探头夹持面的型线相同。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式四相同。
手爪35的夹持面即为上夹爪352和下夹爪354的内侧面上的半圆柱形夹持凹槽351，半圆柱形面的尺寸与特制测温探头夹持部分为40mm的外径相匹配，保证夹持的稳定性与准确性，且半圆柱形夹持凹槽351表面设有粗糙花纹，保证一定的摩擦力，使机械爪与测温探头之间保持准确的相对位置。上夹爪352和下夹爪354分开的设计可以避免夹持时测温探头发生倾覆。
具体实施方式六：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述手爪臂353上沿高度方向平行设有多个加强筋355。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式四或五相同。
如此设计保证手爪臂353的强度和刚性，有利于散热，节约材料用量以及减轻手爪的重量。
具体实施方式七：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述下夹爪354的侧壁上设有多个通孔356。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式六相同。
如此设计在下夹爪354的侧壁上设有多个通孔356，同时也可以在传动弯杆34上设有通孔，均可以起到散热减重的作用。
具体实施方式八：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述固定支架2包括上挡板22、下挡板23和端板24，下挡板23平行设置在上挡板22的下端，挡板24的上端与上挡板22的前端固接，挡板24的下端与下挡板23的前端固接，驱动气缸11与挡板24的外侧端面固接，传动杆件12、驱动滑块31、滑块导轨32和传动直杆33均设置在上挡板22与下挡板23之间。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二、四、五或七相同。
机械爪机构在粉尘、高温环境中使用，工作条件恶劣，固定支架2与气缸驱动模块1固定连接，并将机械爪执行机构3的部分构件包围在内，起到支撑固定作用的同时可以一定程度上避免大量粉尘进入。
具体实施方式九：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述上挡板22和下挡板23的外侧端面上均设有多个盲孔25。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式八相同。
如此设计在固定支架2的外侧面设有盲孔25，可以起到减重散热的作用。
具体实施方式十：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述传动弯杆34包括前杆和后杆，前杆的一端与后杆的一端固接，前杆与后杆之间的夹角为133°。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式九相同。
如此设计传动弯杆34的与固定支架2的铰接点设置在前杆与后杆的连接处。传动直杆33的长度为45mm，传动弯杆34以固定连接点为界限分为轴线不共线的前杆和后杆两部分，靠近首端驱动滑块31部分即前杆的杆长为58mm，靠近末端手爪35部分即后杆的杆长为111mm，两部分杆件之间的夹角为133°。
工作原理
本发明所述机械爪机构设计布局紧凑，机构的整体体积较小，通过单气缸驱动，实现左右两侧手爪的夹紧与放松，使机构驱动部分的结构设计简化，使用简单可靠，同时机构可以达到手爪夹持力为气缸驱动力的1.4倍，两侧手爪的移动行程为驱动滑块移动行程的1.3倍，可以实现较大的输出输入力比值与输出输入行程比值。
整个机械爪机构为两个左右对称的滑块连杆机构，对驱动滑块设置有滑块导轨对其限位，通过滑块导轨上的滑槽的方向与长度尺寸的设计实现限位，保证在气缸驱动过程中驱动滑块按照所设计的方向和行程进行运动，确保工作过程的安全性和可靠性。
驱动气缸11与传动杆件12相连接，连接方式为固定连接，驱动气缸11通过传动杆件12实现运动与力的输出，传动杆件12与驱动滑块31相连接，连接方式为固定连接，传动杆件12将驱动气缸11的输出转化为驱动滑块31的输入，实现对驱动滑块31的驱动，使驱动滑块31在滑块导轨32上按预定方向和行程进行直线运动，滑块导轨32与固定支架2相连接，连接方式为固定连接，驱动滑块31与传动直杆33的一端通过固定销轴311相连接，固定销轴311固定在驱动滑块31的上表面，传动直杆33可绕固定销轴311的轴线旋转，随着驱动滑块31的往复直线运动做跟随往复摆动运动，传动直杆33的另一端与传动弯杆34之间通过活动销轴36相连接，两者均可绕活动销轴36的轴线旋转，活动销轴36不做固定，传动弯杆34与固定支架2通过定位销轴21相连接，定位销轴21为传动弯杆34的拐点，定位销轴21固定在固定支架2上，传动弯杆34可绕定位销轴21的轴线旋转，随着传动直杆33的往复摆动，传动弯杆34绕定位销轴21做跟随往复摆动运动，手爪35与传动弯杆34的末端相连接，连接方式为固定连接，通过传动弯杆34的往复摆动运动，手爪35完成闭合和张开运动。
本发明所述的机械爪有两个工作状态，第一个是准备就绪过程，处于该状态时气缸11驱动传动杆件12向外伸出，驱动滑块31跟随传动杆件12沿导轨由首端向末端移动，驱动滑块31带动传动直杆33和传动弯杆34做跟随转动运动，两侧手爪35同时向外侧运动，由闭合状态逐渐运动到最大张角状态，与此同时，测温取样系统将机械爪移动到所需抓取的特制炼钢测温取样探头上方，准备下一步的操作。
第二个状态是抓取安装过程，处于该状态时气缸11驱动传动杆件12向内收缩，驱动滑块31跟随传动杆件12沿导轨由末端向首端移动，驱动滑块31带动传动直杆33和传动弯杆34做跟随转动运动，末端手爪35张角逐渐减小，当驱动滑块31移动到导轨32首端时，手爪35处于夹紧状态，此时完成测温探头的抓取作业过程，可以进行接下来的移动与拔插操作。以此往复循环作业。
其中，根据特制的测温探头的直径尺寸与所需的夹持力数值，分析计算本发明的受力情况，角度α表示传动直杆33与滑块运动方向的夹角，角度β表示传动弯杆34首端与滑块运动方向的夹角，角度φ表示传动弯杆34末端与滑块运动方向的夹角，L1表示传动直杆33的杆长，L2表示传动弯杆34首端部分杆长，L3表示传动弯杆34末端部分杆长，Fin表示作用于驱动滑块31上的驱动力，Fout表示所夹特制测温探头作用于手爪上的反作用力，对于单侧滑块连杆机构而言，滑块驱动力Fin与手爪夹持力Fout之间的关系式可表示为：
Fin·tanα·L2cosβ＝Fout·L3·cosφ
经过整理可得：
其中，α＝77°，β＝11°，φ＝36°，L1＝45，L2＝58，L3＝111，Fout＝200，代入关系式中计算可得作业所需滑块驱动力的大小为F＝2Fin＝145.7N。
Claims (10)
1.一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪，其特征在于：所述一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪包括气缸驱动机构(1)、固定支架(2)和两组机械爪执行机构(3)，气缸驱动机构(1)设置在固定支架(2)的前端，机械爪执行机构(3)设置在固定支架(2)的后端，
机械爪执行机构(3)包括驱动滑块(31)、滑块导轨(32)、四个传动直杆(33)、两个传动弯杆(34)和两个手爪(35)，滑块导轨(32)固接在固定支架(2)的中部，驱动滑块(31)套装在滑块导轨(32)上且沿滑块导轨(32)的长度方向上进行直线往复运动，驱动滑块(31)两端的外侧分别各设有一个传动弯杆(34)，传动弯杆(34)与驱动滑块(31)之间的上下两侧分别各设有一个传动直杆(33)，传动直杆(33)的一端与驱动滑块(31)的端部转动连接，传动直杆(33)的另一端与传动弯杆(34)的一端转动连接，传动弯杆(34)的中部与固定支架(2)转动连接，传动弯杆(34)的另一端固接有手爪(35)，两个手爪(35)相对设置。
2.根据权利要求1所述一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪，其特征在于：所述气缸驱动机构(1)包括驱动气缸(11)和传动杆件(12)，驱动气缸(11)固接在固定支架(2)上，传动杆件(12)的一端与驱动气缸(11)的活塞杆固接，传动杆件(12)的另一端与驱动滑块(31)的中部固接。
3.根据权利要求1或2所述一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪，其特征在于：所述驱动滑块(31)两端的上下两侧分别各垂直固接有固定销轴(311)，传动直杆(33)的一端套装在固定销轴(311)上，传动直杆(33)与固定销轴(311)转动连接，传动直杆(33)的另一端通过活动销轴(36)与传动弯杆(34)的一端转动连接，固定支架(2)的端面上垂直固接有两个定位销轴(21)，每个传动弯杆(34)的中部分别套装在一个定位销轴(21)上，传动弯杆(34)与定位销轴(21)转动连接。
4.根据权利要求3所述一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪，其特征在于：所述手爪(35)包括上夹爪(352)、手爪臂(353)和下夹爪(354)，上夹爪(352)固接在传动弯杆(34)另一端的内侧端面上，下夹爪(354)平行设置在上夹爪(352)的下端，手爪臂(353)的上端与传动弯杆(34)另一端的外侧垂直固接，手爪臂(353)的下端与下夹爪(354)垂直固接。
5.根据权利要求4所述一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪，其特征在于：所述上夹爪(352)和下夹爪(354)的内侧面均设有半圆柱形夹持凹槽(351)，夹持凹槽(351)的型线与测温探头夹持面的型线相同。
6.根据权利要求4或5所述一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪，其特征在于：所述手爪臂(353)上沿高度方向平行设有多个加强筋(355)。
7.根据权利要求6所述一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪，其特征在于：所述下夹爪(354)的侧壁上设有多个通孔(356)。
8.根据权利要求2、4、5或7所述一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪，其特征在于：所述固定支架(2)包括上挡板(22)、下挡板(23)和端板(24)，下挡板(23)平行设置在上挡板(22)的下端，挡板(24)的上端与上挡板(22)的前端固接，挡板(24)的下端与下挡板(23)的前端固接，驱动气缸(11)与挡板(24)的外侧端面固接，传动杆件(12)、驱动滑块(31)、滑块导轨(32)和传动直杆(33)均设置在上挡板(22)与下挡板(23)之间。
9.根据权利要求8所述一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪，其特征在于：所述上挡板(22)和下挡板(23)的外侧端面上均设有多个盲孔(25)。
10.根据权利要求9所述一种用于冶金行业测温探头抓取的紧凑型机械爪，其特征在于：所述传动弯杆(34)包括前杆和后杆，前杆的一端与后杆的一端固接，前杆与后杆之间的夹角为133°。
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