CN116604379A - 一种机械抓手装置及其夹紧力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械抓手装置及其夹紧力控制方法，涉及夹持工具技术领域，卡盘上开设有三个圆弧导轨，圆弧导轨贯穿卡盘的上下端面，一个圆弧导轨内活动安装一测力卡爪，测力卡爪的上端向卡盘的上方延伸，各圆弧导轨的一端位于卡盘的圆心，各圆弧导轨的另一端延伸至卡盘的外缘，各驱动轮安装于卡盘的下端面，且对应圆弧导轨的圆心设置，连接摆杆的两端分别活动连接驱动轮和测力卡爪，且驱动轮能够带动连接摆杆摆动，并使连接摆杆带动测力卡爪沿圆弧导轨往复滑动，各测力卡爪的外壁周向安装有三个测力应变片。本发明可满足不同形状或不规则几何形状物料的抓取和夹持，且能够避免夹紧力过大造成被夹持物料发生形变或损伤。

Description

一种机械抓手装置及其夹紧力控制方法

技术领域

本发明涉及夹持工具技术领域，具体是涉及一种机械抓手装置及其夹紧力控制方法。

背景技术

机械手可完成物料抓取、搬运、翻转、对接等三维空间移载动作；爪式卡盘是机床中夹持物料与精密定位的夹具，在机械加工中通常利用爪式卡盘夹持物料进行机械切削加工。机械抓手和爪式卡盘通常能实现具有规则几何形状(如：圆柱、正多边体等)的物料的抓取和夹持，在实际生产生活中存在不具有规则几何形状的物料，针对此类物料的抓取和夹持就成为难题。同时针对某些易碎、易变性、易划伤物料的抓取和夹持抓手中，其抓取力度和夹具夹持力度的监测、控制也是难题。

现阶段机械卡爪(以三齿卡爪为例说明)主要由小锥齿轮、大锥齿轮、3个卡爪等构成。三爪卡盘工作时由小锥齿轮驱动大锥齿轮。大锥齿轮的背面有阿基米德螺旋槽，与3个卡爪相啮合，使3个卡爪同时沿径向移动，实现自动定心和夹紧。目前三爪卡盘大多为沿径向同时向心或离心移动，卡抓夹紧力不能监测、控制，夹紧力度不合适时卡抓与被夹持物料相接触的区域极易产生变形或破损。对于易变形薄壁物料的加工，当人工利用扳手向卡盘输入夹紧力矩时，卡盘卡爪向物料所施加的夹紧力不容易把控，易造成物料被夹裂或夹碎。对易碎物料卡爪时输入夹紧力过小，在搬移或加工过程中由于物料自重所产生的离心力的相互耦合作用，会导致物料发生轴向窜动，严重时会脱离夹具，发生事故，因此机械抓手的夹紧力监测控制是有重要研究意义的。

爪式卡盘现有通常为手动式卡盘、自动式卡盘和自动式卡盘附加测力单元。手动式卡盘通常使用内六方扳手驱动小锥齿轮作为扭力，驱动卡爪同时沿径向移动，实现夹紧。自动式卡盘通常以气动、电动或液压作为动力源，通过执行元件、传递装置、增力机构等驱动卡爪沿径向向心或离心移动，实现夹紧。

第一种手动式卡盘，常用的有自动定心的三爪卡盘。三爪卡盘由小锥齿轮驱动大锥齿轮。大锥齿轮的背面有阿基米德螺旋槽，与3个卡爪相啮合。因此用扳手转动小锥齿轮，便能使3个卡爪同时沿径向移动，实现自动定心和夹紧，适于夹持圆形、正三角形或正六边形等的物料。此类卡爪夹持采用手动故卡爪范围调节不便，仅能夹持圆形、正三角形或正六边形等规则几何形状的物料，同时不能实现夹紧力测量、控制。

第二种自动式卡盘，推动力三爪卡盘结构驱动力配以不同的动力系统(汽缸、液压油缸或电动机)，便可构成气动式卡盘、液压机卡盘或电动式卡盘。液压缸或油缸装到车床主轴后面，用穿在主轴轴承孔里的支撑杆或顶管，推拉门主轴轴承前面卡盘身体内的契形套，由契形套的径向使3个卡爪与同时轴向移动，此类卡盘、卡爪位移量小，仅能夹持规则几何形状的物料，同时不能实现夹紧力测量、控制。

第三种自动式卡盘附加测力单元，利用三爪卡盘端面上卡爪均匀分布的特点。将测力元件置于夹紧元件和卡抓之间，工作时液压驱动夹紧元件，夹紧元件夹紧力作用于测力元件，并利用其测力传感器对卡抓静态夹紧力进行测量，实现卡盘夹紧力的监测。但因其测力仪器的设计方式(测力元件置于夹紧元件和卡抓之间)所决定，卡爪夹持范围减小，夹持范围受限于测力元件几何位置，测量只局限在三爪卡盘，对待测夹具体的几何形状要求，通用性较差，且不可用于不规则形状物料夹紧力的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械抓手装置及其夹紧力控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，可满足不同形状或不规则几何形状物料的抓取和夹持，且能够避免夹紧力过大造成被夹持物料发生形变或损伤。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种机械抓手装置，包括卡盘和三个传动组件，所述卡盘上开设有三个圆弧导轨，所述圆弧导轨贯穿所述卡盘的上下端面，所述传动组件包括测力卡爪、连接摆杆和驱动轮，一个所述圆弧导轨内活动安装一所述测力卡爪，所述测力卡爪的上端向所述卡盘的上方延伸，各所述圆弧导轨的一端位于所述卡盘的圆心，各所述圆弧导轨的另一端延伸至所述卡盘的外缘，各所述驱动轮安装于所述卡盘的下端面，且对应所述圆弧导轨的圆心设置，所述连接摆杆的两端分别活动连接所述驱动轮和所述测力卡爪，且所述驱动轮能够带动所述连接摆杆摆动，并使所述连接摆杆带动所述测力卡爪沿所述圆弧导轨往复滑动，各所述测力卡爪上均安装有三个测力应变片，三个所述测力应变片围绕所述测力卡爪的外壁周向设置。

优选的，所述圆弧导轨内滑动安装有一轴承，所述测力卡爪的下端安装于所述轴承上，所述连接摆杆的一端与所述轴承连接。

优选的，各所述圆弧导轨的弧长相等，各所述圆弧导轨的圆心角均相等。

优选的，所述驱动轮的动力由涡轮蜗杆电机或液压涡轮蜗杆提供。

优选的，同一所述测力卡爪上的三个测力应变片以所述测力卡爪的轴心为圆心均匀装贴在所述测力卡爪的外侧壁上。

优选的，所述测力卡爪为不锈钢材料制成。

优选的，所述卡盘为硬质合金钢制成。

本发明还提供一种如上述技术方案中任一项所述的机械抓手装置的夹紧力控制方法，所述测力卡爪在驱动轮的驱动下夹持物料时，各所述测力卡爪会受到物料的反作用力，所述反作用力作用在所述测力卡爪与物料接触面上，设物料对各所述测力卡爪的作用力分别为F_CL1、F_CL2、F_CL3，以所述测力卡爪横截面的圆心O为直角坐标中心，以圆心O为起点，过其中一个所述测力应变片中心为直角坐标x轴，以圆心O为起点垂直x轴为直角坐标y轴，建立xoy直角坐标系，作用力F_CL1作用在所述测力卡爪上与xoy直角坐标系中x轴夹角为c1，作用力F在三个所述测力应变片上的纵向分力F1、F2、F3如下：

F1＝-F_CL1cos(c1)

所述测力卡爪在纵向分力F1、F2、F3作用下发生形变，导致所述测力应变片发生拉伸或压缩，所述测力应变片分别与应变测试电路构成应变测力电路，通过应变测力仪分别测得三个所述测力应变片的输出电压U_GS1、U_GS2、U_GS3如下：

其中，K为所述测力应变片的应变灵敏度，E为所述测力卡爪材料的杨氏弹性模量，U_s为测力仪供给所述测力应变片的输入电压；

进而得到三个所述测力卡爪对物料夹紧力的合力F如下：

F＝F_CL1+F_CL2+F_CL3。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的机械抓手装置及其夹紧力控制方法，卡盘上开设有三个圆弧导轨，圆弧导轨贯穿卡盘的上下端面，一个圆弧导轨内活动安装一测力卡爪，测力卡爪的上端向卡盘的上方延伸，各圆弧导轨的一端位于卡盘的圆心，各圆弧导轨的另一端延伸至卡盘的外缘，各驱动轮安装于卡盘的下端面，且对应圆弧导轨的圆心设置，连接摆杆的两端分别活动连接驱动轮和测力卡爪，且驱动轮能够带动连接摆杆摆动，并使连接摆杆带动测力卡爪沿圆弧导轨往复滑动，进而实现三个测力卡爪同步或不同步地向相互靠近或远离的方向移动，进而满足不同形状或不规则几何形状物料的抓取和夹持，各测力卡爪上均安装有三个测力应变片，三个测力应变片围绕测力卡爪的外壁周向设置，通过三个测力应变片的设置，配合本发明中的夹紧力控制方法，能够完成夹持力大小测量并控制旋转夹持物料夹持力度，以避免夹紧力过大造成被夹持物料发生形变或损伤，利于保证被夹持物料在搬移过程中完好和加工过程中的加工精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例一提供的机械抓手装置的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的仰视图；

图4是实施例一提供的机械抓手装置中测力卡爪的结构示意图；

图5是实施例一提供的机械抓手装置中卡盘的仰视图；

图6是实施例二提供的夹紧力控制方法中测力卡爪测力示意图；

图中：100-机械抓手装置，1-卡盘，2-圆弧导轨，3-测力卡爪，4-测力应变片，5-驱动轮，6-轴承，7-连接摆杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种机械抓手装置及其夹紧力控制方法，以解决现有的物料抓取机构不适用于不规则物料抓取，且容易对物料造成损伤的技术问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图5所示，本实施例提供一种机械抓手装置100，包括卡盘1和三个传动组件，卡盘1上开设有三个圆弧导轨2，圆弧导轨2贯穿卡盘1的上下端面，传动组件包括测力卡爪3、连接摆杆7和驱动轮5，一个圆弧导轨2内活动安装一测力卡爪3，测力卡爪3的上端向卡盘1的上方延伸，各圆弧导轨2的一端位于卡盘1的圆心，各圆弧导轨2的另一端延伸至卡盘1的外缘，各驱动轮5安装于卡盘1的下端面，且对应圆弧导轨2的圆心设置，连接摆杆7的两端分别活动连接驱动轮5和测力卡爪3，且驱动轮5能够带动连接摆杆7摆动，并使连接摆杆7带动测力卡爪3沿圆弧导轨2往复滑动，进而实现三个测力卡爪3同步或不同步地向相互靠近或远离的方向移动，进而满足不同形状或不规则几何形状物料的抓取和夹持，各测力卡爪3上均安装有三个测力应变片4，三个测力应变片4围绕测力卡爪3的外壁周向设置，通过三个测力应变片4的设置，能够完成夹持力大小测量，以避免夹紧力过大造成被夹持物料发生形变或损伤，利于保证被夹持物料在搬移过程中完好和加工过程中的加工精度。

具体地，圆弧导轨2为通孔式，且各圆弧导轨2内均滑动安装有一轴承6，测力卡爪3的下端安装于轴承6上，以便于实现测力卡爪3的转动，连接摆杆7的一端与轴承6连接。轴承6的纵截面为工字型，相邻圆弧导轨2圆弧切线之间夹角分别为a1、a2、a3，且a1＝a2＝a3＝120°。

各圆弧导轨2的弧长相等，各圆弧导轨2的圆心角均相等。

驱动轮5的动力由涡轮蜗杆电机或液压涡轮蜗杆提供，且驱动轮5为圆形驱动齿轮，各驱动轮5能独立做旋转运动。在外部驱动扭力作用下驱动轮5旋转，驱动轮5与连接摆杆7固定连接，并带动连接摆杆7摆动，连接摆杆7另一端连接于轴承6，连接摆杆7摆动驱动轴承6沿着圆弧导轨2向(或离开)卡盘1中心滑动，轴承6滑动带动测力卡爪3沿着圆弧导轨2向(或离开)卡盘1中心夹紧(或松开)物料。各驱动轮5分别能独立做旋转运动，故各测力卡爪3可以同步向卡盘1中心夹紧或松开，也可以独立向卡盘1中心聚拢夹紧或松开，这种夹紧方式既可以夹紧规则几何形状的物料做定心夹持，也可以夹持不规则几何形状的物料。

测力卡爪3为圆柱形，同一测力卡爪3上的三个测力应变片4以测力卡爪3的轴心为圆心均匀装贴在测力卡爪3的外侧壁上，这种结构可以监测测力卡爪3与物料任意接触面的作用力，即这种监测测力卡爪3和物料间作用力的方式不受物料外形限制，无论规则几何形状或是不规则几何形状均能准确测量(物料外形变化可能导致物料与测力卡爪3之间作用力大小和方向的变化引起测量误差)。各测力应变片4在测力卡爪3圆柱形截面上分布的夹角分别为b1、b2、b3，且b1＝b2＝b3＝120°。

测力卡爪3为不锈钢材料制成。

卡盘1为硬质合金钢制成。

实施例二

本实施例提供一种如实施例一中所述的机械抓手装置100的夹紧力控制方法，测力卡爪3在驱动轮5驱动下夹持物料时，会受到物料的反作用力，作用力作用在圆柱形的测力卡爪3与物料接触面上，无论规则几何形状的物料定心夹持，还是不规则几何形状的物料聚拢夹持，物料在圆柱形的各测力卡爪3接触面上的反作用力大小均相同，设物料对各测力卡爪3的作用力分别为F_CL1、F_CL2、F_CL3。以其中一个测力卡爪3为例，作用在该测力卡爪3上的作用力示意图见图6，图中以测力卡爪3的圆柱形截面测力原理说明。测力卡爪3的圆柱形截面均匀分布装贴有三个测力应变片4，三个测力应变片4在测力卡爪3的圆柱形截面上分布的夹角相等且均为120°；为便于分析，以测力卡爪3圆柱形截面圆心O为直角坐标中心，以圆心O为起点过测力应变片4中心为直角坐标x轴，以圆心O为起点垂直x轴为直角坐标y轴，建立xoy直角坐标系。作用力F_CL1作用在测力卡爪3上与xoy直角坐标系中x轴夹角为c1。作用力F在各测力应变片4纵向分力分别为F1、F2、F3：

F1＝-F_CL1cos(c1)

测力卡爪3在纵向分力F1、F2、F3作用下发生形变，导致装贴在测力卡爪3的测力应变片4发生拉伸和压缩，F1>0、F2>0、F3>0，表示作用力F在测力应变片4纵向分力使得测力应变片4拉伸，F1<0、F2<0、F3<0，表示作用力F在测力应变片4纵向分力使得应变片GS1、GS2、GS3压缩，各测力应变片4分别与应变测试电路构成应变测力电路，通过应变测力仪分别测得各测力应变片4的输出电压U_GS1、U_GS2、U_GS3：

其中，K为各测力应变片4的应变灵敏度，选取同型号测力应变片4，故各测力应变片4的应变灵敏度相同均为K，E为测力卡爪3材料的杨氏弹性模量，U_s为测力仪供给各测力应变片4的输入电压，测力仪供给各测力应变片4的输入电压相同均为U_s。

综上所述，通过应变测力仪分别测得各测力应变片4的输出电压U_GS1、U_GS2、U_GS3，分析获得各测力应变片4纵向分力分别为F1、F2、F3，以及各测力卡爪3与物料接触面的作用力F_CL1、F_CL2、F_CL3及作用方向角c1、c2、c3。测力卡爪3对物料的夹紧力为F，夹紧力F为三个测力卡爪3的合力，即

F＝F_CL1+F_CL2+F_CL3。

通过控制驱动轮5驱动测力卡爪3在卡盘1上的移动，调整机械抓手装置100对物料的夹持力。故机械抓手装置100同时能完成夹持力大小测量并控制旋转夹持夹具夹持力度，利于保证被夹持物料在搬移过程中完好和加工过程中的加工精度。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种机械抓手装置，其特征在于：包括卡盘和三个传动组件，所述卡盘上开设有三个圆弧导轨，所述圆弧导轨贯穿所述卡盘的上下端面，所述传动组件包括测力卡爪、连接摆杆和驱动轮，一个所述圆弧导轨内活动安装一所述测力卡爪，所述测力卡爪的上端向所述卡盘的上方延伸，各所述圆弧导轨的一端位于所述卡盘的圆心，各所述圆弧导轨的另一端延伸至所述卡盘的外缘，各所述驱动轮安装于所述卡盘的下端面，且对应所述圆弧导轨的圆心设置，所述连接摆杆的两端分别活动连接所述驱动轮和所述测力卡爪，且所述驱动轮能够带动所述连接摆杆摆动，并使所述连接摆杆带动所述测力卡爪沿所述圆弧导轨往复滑动，各所述测力卡爪上均安装有三个测力应变片，三个所述测力应变片围绕所述测力卡爪的外壁周向设置。

2.根据权利要求1所述的机械抓手装置，其特征在于：所述圆弧导轨内滑动安装有一轴承，所述测力卡爪的下端安装于所述轴承上，所述连接摆杆的一端与所述轴承连接。

3.根据权利要求1所述的机械抓手装置，其特征在于：各所述圆弧导轨的弧长相等，各所述圆弧导轨的圆心角均相等。

4.根据权利要求1所述的机械抓手装置，其特征在于：所述驱动轮的动力由涡轮蜗杆电机或液压涡轮蜗杆提供。

5.根据权利要求1所述的机械抓手装置，其特征在于：同一所述测力卡爪上的三个测力应变片以所述测力卡爪的轴心为圆心均匀装贴在所述测力卡爪的外侧壁上。

6.根据权利要求1所述的机械抓手装置，其特征在于：所述测力卡爪为不锈钢材料制成。

7.根据权利要求1所述的机械抓手装置，其特征在于：所述卡盘为硬质合金钢制成。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的机械抓手装置的夹紧力控制方法，其特征在于：

所述测力卡爪在驱动轮的驱动下夹持物料时，各所述测力卡爪会受到物料的反作用力，所述反作用力作用在所述测力卡爪与物料接触面上，设物料对各所述测力卡爪的作用力分别为F_CL1、F_CL2、F_CL3，以所述测力卡爪横截面的圆心O为直角坐标中心，以圆心O为起点，过其中一个所述测力应变片中心为直角坐标x轴，以圆心O为起点垂直x轴为直角坐标y轴，建立xoy直角坐标系，作用力F_CL1作用在所述测力卡爪上与xoy直角坐标系中x轴夹角为c1，作用力F在三个所述测力应变片上的纵向分力F1、F2、F3如下：

F1＝-F_CL1cos(c1)

所述测力卡爪在纵向分力F1、F2、F3作用下发生形变，导致所述测力应变片发生拉伸或压缩，所述测力应变片分别与应变测试电路构成应变测力电路，通过应变测力仪分别测得三个所述测力应变片的输出电压U_GS1、U_GS2、U_GS3如下：

其中，K为所述测力应变片的应变灵敏度，E为所述测力卡爪材料的杨氏弹性模量，U_s为测力仪供给所述测力应变片的输入电压；

进而得到三个所述测力卡爪对物料夹紧力的合力F如下：

F＝F_CL1+F_CL2+F_CL3。