本發(fā)明涉及夾持裝置，尤其是一種夾持小型零件進行小空間內(nèi)裝配的平行夾持裝置。

背景技術(shù)：

在工業(yè)生產(chǎn)中，機械手夾持器的應(yīng)用十分廣泛，機械手手部是用來抓持工件(或工具)的部件，有多種結(jié)構(gòu)形式，比如夾持型、托持型和吸附型等。機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。

如今已進入以通用機械手為標(biāo)志的時代。由于通用機械手的應(yīng)用和發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎(chǔ)知識。然而針對不同的夾持對象(根據(jù)物塊的大小、形狀及重量等具體要求)和應(yīng)用領(lǐng)域，專用機械手夾持器仍需要特殊設(shè)計。

目前市場上的簡易機械手夾持器多是用于中大型物件的夾持，而且往往沒有考慮夾持環(huán)境，即夾持器與其他物件的干涉。特別的，用于裝配作業(yè)的夾持器還應(yīng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、開閉范圍可控、夾持精度等要求。另外，這些夾持器難以應(yīng)用于小零件的夾持。

例如低壓電器產(chǎn)品含有大量典型的剛性、柔性小零件，分析其內(nèi)部彈壓、卡扣零件的結(jié)構(gòu)形式、材料及裝配方法，了解到：

1)該類小零件由于質(zhì)量輕，夾持動作開始時過大的力易導(dǎo)致硬碰撞夾持不穩(wěn)定，影響定位精度；而當(dāng)進行彈壓、卡扣等裝配動作時又需要一定的夾持力來防止滑脫。因此，該類夾持器需具備夾持力平穩(wěn)過渡的特點。

2)低壓電器零件的裝配在產(chǎn)品內(nèi)部進行，裝配空間小，易與已裝配零件發(fā)生干涉。因此，夾持器末端的尺寸、開閉方式及張合量應(yīng)根據(jù)實際空間設(shè)計，同時需保證能夠在小空間內(nèi)完成小零件的推、扣等動作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服已有夾持裝置的精度較低、不適用于小型裝配環(huán)境、裝配類型單一的不足，本發(fā)明提供一種精度較高、有效適用于小型零件夾持裝配環(huán)境、通用性較好的夾持小型零件的平行夾持裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種夾持小型零件的平行夾持裝置，所述平行夾持裝置包括用于將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為夾鉗平行運動的傳動部分和用于執(zhí)行輸出的夾持末端和作為控制夾持力的柔性夾鉗部分；所述傳動部分的動作端與所述柔性夾鉗部分連接，所述柔性夾鉗部分包括對稱設(shè)置的剛性夾鉗和柔性夾鉗，所述柔性夾鉗包括底座、彈簧、彈簧調(diào)節(jié)旋鈕、彈簧調(diào)節(jié)件、定位銷釘和上部，所述底座上開有滑槽，所述上部可滑動地位于滑槽內(nèi)，所述滑槽內(nèi)安裝定位銷釘，所述定位銷釘位于上部的一側(cè)，所述上部的另一側(cè)頂觸在所述彈簧的一端，所述彈簧的另一端安裝在彈簧調(diào)節(jié)件上，所述彈簧調(diào)節(jié)旋鈕的動作端頂觸在彈簧調(diào)節(jié)件上；所述夾持末端位于所述上部。

進一步，所述柔性夾鉗部分還包括夾持末端和壓力應(yīng)變片，所述夾持末端安裝在所述上部，所述壓力應(yīng)變片位于所述夾持末端的中間位置。

再進一步，所述夾持末端的工作面上貼硬質(zhì)防滑橡膠。

更進一步，所述傳動部分包括用于傳遞伺服電機運動的第一絲杠螺母傳動部分和用于使螺母旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為夾鉗平行運動的第二傳動部分。

所述第一絲杠螺母傳動部分包括伺服電機、絲杠和套筒，所述伺服電機的輸出軸與絲杠一端連接，所述絲杠與螺母配合，所述絲杠的一端安裝在箱體的軸承座上，所述螺母可上下運動地套裝在箱體的內(nèi)部滑槽，所述套筒與所述螺母固定連接。

所述螺母上開有卡槽，所述套筒上開有與所述卡槽配合的榫頭；所述套筒內(nèi)部開孔便于其隨著螺母上下運動時不干擾絲桿。

所述第二傳動部分包括活塞桿、中部桿和凸輪，所述套筒的上部分別與兩根活塞桿的下端鉸接，所述兩根活塞桿的中部桿可轉(zhuǎn)動地安裝在箱體內(nèi)，所述活塞桿的另一端設(shè)有凸輪，所述凸輪頂在所述底座的錐形孔內(nèi)，所述底座可滑動地位于滑軌內(nèi)，所述滑軌固定在所述箱體上。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：平行式夾持裝置包括：用于將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為夾鉗平行運動的傳動部分，用于緩沖與控制夾持力的柔性夾鉗部分，用于執(zhí)行夾持動作的夾持末端及壓力應(yīng)變片的安裝部分。

其中，所述傳動部分包括：用于提供動力的伺服電機，采用電機驅(qū)動而不是其他驅(qū)動方式的原因是，考慮不同被夾零件的尺寸不一，電機驅(qū)動下的夾鉗起始位置可以在一定范圍內(nèi)任意設(shè)置。針對傳動精度及夾持器緊湊設(shè)計的考慮，采用絲桿螺母機構(gòu)，所述電機通過聯(lián)軸器與絲桿連接，所述絲桿的一端安裝在箱體的軸承內(nèi)，所述絲桿的中部與螺母螺紋連接，因所述螺母于箱體內(nèi)部滑槽平行滑動，絲桿穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，可減少常規(guī)絲桿螺母機構(gòu)兩個軸承中的一個，節(jié)省空間，因該處傳動系統(tǒng)受力較小，所述螺母通過特殊形狀與套筒卡扣相連，該連接方式節(jié)省空間，套筒也在箱體滑槽內(nèi)滑動，所述套筒頂部與夾鉗主體通過活塞桿連接，夾鉗主體在安裝于箱體頂部的導(dǎo)向滑軌內(nèi)平行運動，此處使用活塞桿將套筒的運動轉(zhuǎn)化為與之運動方向垂直的夾鉗運動，該方式節(jié)省連接件，且傳動效率高，采用平行夾鉗的原因是非平行夾鉗開閉時軌跡較大，易與小型產(chǎn)品內(nèi)部其他零件發(fā)生碰撞。

其中，所述柔性夾鉗部分包括：用于在滑軌內(nèi)平行運動的夾鉗主體底座部分，所述底座上開有滑槽，夾鉗主體中部零件在滑槽中滑動，所述中部零件在對內(nèi)方向上使用銷釘定位，與另一個常規(guī)夾鉗對稱，對外方向上使用彈簧頂緊，使得該夾鉗可以在對外方向上移動，其主要功能有兩點：其一，小型零件如輕質(zhì)塑料零件等，普通剛性夾鉗在快速夾持瞬間與零件的接觸力相對過大，易使夾持位置偏移或夾持失敗，同理，對于柔性零件，過大的接觸力易使零件變形，該柔性夾鉗設(shè)計可在夾持瞬間適當(dāng)緩沖接觸力，同時，另一個常規(guī)夾鉗保證定位精度；其次，確認(rèn)夾持成功后電機繼續(xù)慢速轉(zhuǎn)動，以基于力反饋的pid閉環(huán)控制系統(tǒng)控制夾緊力，實現(xiàn)針對這類小零件的分兩段精密夾持，即快速抓取與確認(rèn)夾緊。

其中，所述夾持末端及壓力應(yīng)變片的安裝部分包括：可更換末端零件使用鋼材，該鋼材具有較高的剛性，保證足夠的夾持剛度，所述鋼材零件與夾鉗主體通過銷釘連接，將壓力應(yīng)變片安裝在該鋼材不影響夾持的位置上，所述壓力應(yīng)變片通過檢測該鋼材的應(yīng)變來提供夾持成功與否的反饋信息，具體實踐為，從接觸被夾件到夾緊實時采集該應(yīng)變片的力信息，如若該力信息沒有達到理想范圍，即表示夾持不穩(wěn)定。在末端零件與被夾零件接觸位置貼上薄硬質(zhì)防滑橡膠，防止光滑小零件滑脫，硬質(zhì)是為了不影響應(yīng)變片力反饋。針對不同類型不同形狀的小型零件，如薄片形、圓柱體、長方體及不規(guī)則形狀，設(shè)計了多種末端零件，具有更好的通用性。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：基于平行手指夾持器模型設(shè)計而成，精度較高、有效適用于小型零件夾持裝配環(huán)境；使用特定設(shè)計的夾持前端，能夠深入復(fù)雜裝配體內(nèi)部完成夾持動作，并且能夠保證夾持小零件的穩(wěn)定性，同時于剛性夾持和柔性夾持中都有更好的通用性；具體如下：

1)該夾鉗能夠深入小產(chǎn)品內(nèi)部作業(yè)而不干涉其他零件，采用平行運動方式，相對于非平行式夾鉗，除了便于計算運動速度，且可通過調(diào)整開閉量和更換不同形狀夾持末端等方式用于不同形狀的夾持任務(wù)；

2)該柔性夾鉗機構(gòu)設(shè)計思路新穎，只改變其中一個夾鉗為柔性夾鉗，不影響定位精度，但以簡單的方式解決了夾持力平穩(wěn)過渡的問題；

3)該閉環(huán)控制系統(tǒng)采用兩個力反饋控制夾持力的大小，滿足小質(zhì)量零件對夾持力的要求，保證夾緊的同時提高了精密夾持的工作速度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1提供的夾持裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本發(fā)明力反饋閉環(huán)控制框圖；

圖3本發(fā)明實施例1提供的絲桿螺母傳動示意圖；

圖4本發(fā)明實施例1提供的平行夾鉗機構(gòu)示意圖；

圖5為圖4中活塞桿與夾鉗底座配合示意圖；

圖6本發(fā)明實施例提供的柔性夾鉗機構(gòu)示意圖。

圖7為壓力應(yīng)變片安裝在夾持末端上的示意圖。

圖8為根據(jù)圓柱形被夾件設(shè)計的夾持末端示意圖。

圖9為平行夾鉗機構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖9，一種夾持小型零件的平行夾持裝置，包括：用于傳遞伺服電機運動的絲桿螺母傳動部分1，用于使螺母旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為夾鉗平行運動的傳動部分2，用于執(zhí)行輸出的夾持末端和作為控制夾持力的柔性夾鉗部分3。

其中，傳動部分1包括：如圖3所示，用于連接伺服電機的絲桿10，絲桿10通過螺紋與螺母6連接，絲桿10的一端安放在安裝在箱體1的軸承座16上，螺母6在箱體1內(nèi)部滑槽內(nèi)只能上下平行運動，使得該絲桿螺母機構(gòu)在缺少一個軸承的情況下能夠正常高精度工作，螺母6上部開有卡槽，與套筒7配合連接，套筒7內(nèi)部開孔便于其隨著螺母上下運動時不干擾絲桿10。

本發(fā)明提供的實施例中，絲桿螺母機構(gòu)的作用主要是將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動，同時使得整體結(jié)構(gòu)緊湊，又具有一定的精度。

本發(fā)明實施例中，傳動部分2包括：如圖4所示，用于連接兩活塞桿2和3的套筒7上部，活塞桿的中部桿安裝在箱體對應(yīng)的孔中可旋轉(zhuǎn)運動，一端卡在套筒上部的桿上相對旋轉(zhuǎn)運動，另一端的凸輪在夾鉗底座4和8底部的錐形孔內(nèi)相切配合，如圖5所示，驅(qū)動夾鉗底座在滑軌5中水平運動，滑軌5與箱體1通過銷釘連接。

本發(fā)明提供的實施例中，要將螺母的上下運動轉(zhuǎn)換為夾鉗的水平運動，同時盡可能節(jié)約空間，通過該活塞桿方式，可以控制夾鉗水平運動與螺母垂直運動的速度比，以實現(xiàn)高速化的同時結(jié)構(gòu)緊湊，提高可靠性。在該裝置總夾持力較小的前提下，該機構(gòu)的凸輪磨損缺陷可在一定程度上減少。

本發(fā)明實施例中，用于執(zhí)行輸出的夾持末端和作為控制夾持力的柔性夾鉗部分3包括對稱設(shè)置的剛性夾鉗和柔性夾鉗，如圖6所示，相對于一體夾鉗4，柔性夾鉗由底座部分8、彈簧11、彈簧調(diào)節(jié)旋鈕18、彈簧調(diào)節(jié)件19、定位銷釘12和上部9組成，柔性夾鉗的上部相對底座由于定位銷釘12只能向右側(cè)運動，定位銷釘12保證了左右夾鉗的對中，可以通過手動旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕18調(diào)試彈簧初始彈力的大小。考慮到該夾持任務(wù)的特殊性，如若將柔性機構(gòu)設(shè)計在夾持末端，難以保證夾持精度。該柔性夾鉗設(shè)計使得機構(gòu)本身具有柔性，簡化控制，使得整個夾持過程更加穩(wěn)定，且在具有一個常規(guī)夾鉗保證定位精度的基礎(chǔ)上，該柔性夾鉗設(shè)計的多處滑軌的累積誤差可以不計。如圖7所示，防滑橡膠17緊貼夾持末端15，確認(rèn)接觸到薄片、規(guī)則長方體或柔性小零件后，壓力應(yīng)變片反饋力信息，控制器做出伺服電機轉(zhuǎn)速調(diào)整，繼續(xù)運動確認(rèn)夾緊。該末端零件15的設(shè)計寬度為6mm，防滑橡膠17的尺寸為6mm×6mm×0.3mm，便于進入普通夾鉗無法進入的產(chǎn)品內(nèi)部。如圖8所示，針對圓柱形小零件采用具有一定角度的末端設(shè)計，使得夾持更加穩(wěn)定，其他不規(guī)則小零件可同理進行對應(yīng)的末端設(shè)計。使用有限元分析軟件，設(shè)置5n的壓力均勻施加于防滑橡膠區(qū)域表面，該應(yīng)變圖說明夾緊力對零件15造成的應(yīng)變在豎直方向呈線性分布，距接觸位置越遠應(yīng)變越小，據(jù)此選取中間位置安裝應(yīng)變片，該位置的應(yīng)變足夠明顯，能夠反應(yīng)夾緊力的大小，且不干擾末端進入產(chǎn)品內(nèi)部夾持。

考慮到本裝置的夾持對象為輕質(zhì)的小零件，夾持末端夾緊力f較小，普通伺服電機能夠滿足要求。首先，根據(jù)式(1)確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程，如圖9機構(gòu)示意圖所示，螺母軸向運動速度可通過實際尺寸推出，即根據(jù)設(shè)計的夾持末端開閉速度推出螺母輸出速度。

ph＝vmax/i·nmax(1)

ph：絲桿導(dǎo)程；

vmax：螺母軸向最大運動速度；

i：電機與聯(lián)軸器傳動效率；

nmax：電機最高轉(zhuǎn)速；

然后，根據(jù)圖9機構(gòu)示意圖及力學(xué)推理可計算出絲桿螺母的推拉力f1，根據(jù)作用在絲桿上的扭矩與推拉力的關(guān)系公式(2)可計算出絲桿螺母機構(gòu)的扭矩m。

f1＝2π·m/ph(2)

最后，通過式(3)驗證，當(dāng)電機額定扭矩大于計算電機總扭矩時，所選電機滿足條件。

tm＝tp+td+tj+tb(3)

tm：電機計算總扭矩；

tp：外部負(fù)荷產(chǎn)生的摩擦扭矩；

td：預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩；

tj：加速度產(chǎn)生的負(fù)荷扭矩；

tb：支承軸承產(chǎn)生的摩擦扭矩；

柔性夾鉗部分的彈簧受力對圖9平行夾鉗整體受力無影響，起緩沖接觸碰撞的作用，選型時需保證彈簧的外徑比安裝孔小且夾緊力在其最大載荷范圍內(nèi)，且可通過圖6中旋鈕18調(diào)節(jié)初始彈力，初始彈力的大小決定了其緩沖能力的強弱。根據(jù)公式(4)設(shè)計彈簧指數(shù)c，根據(jù)式(5)計算彈簧的自由長度。

c＝d2/d(4)

d2：彈簧圈中徑；

d：彈簧絲直徑；

h＝n·δ+(n0+1)d(5)

n：彈簧工作圈數(shù)；

δ：彈簧鋼絲間距，δ＝t-d，t：彈簧節(jié)距；

n0：彈簧總?cè)?shù)。

本發(fā)明的閉環(huán)控制框圖如圖2所示，閉環(huán)控制通過對夾持末端的應(yīng)變進行不斷的檢測，通過檢測到的系統(tǒng)輸出量主動修正控制量，使夾緊力總保持在理想范圍。當(dāng)快速接觸到被夾件，兩個應(yīng)變片都有應(yīng)變時，按照一定比例調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，直到兩個力反饋都達到各自理想范圍內(nèi)表示夾持成功，否則，調(diào)整夾持。特別的，因該裝置使用了一個柔性夾鉗，左右兩個末端在相同位置同一時刻的應(yīng)變不同，(為便于描述，左末端安裝于常規(guī)夾鉗上，右末端安裝于柔性夾鉗上)，所以使用兩個應(yīng)變片進行力反饋，控制器需對這兩個力反饋進行分析，具體的，因左夾鉗為常規(guī)一體夾鉗，力反饋直接，當(dāng)對這兩個力信息進行分析時，以左應(yīng)變?yōu)橹?，即主要依左?yīng)變力反饋調(diào)整夾緊力，右應(yīng)變?yōu)檩o，即保證兩個接觸被夾件的末端都夾持成功，彌補了一個力反饋的不足。

這里采用針對該力反饋系統(tǒng)的比例-積分-微分(pid)控制方法。電機轉(zhuǎn)速與末端移動速度、電機扭矩與末端夾緊力之間的比例關(guān)系通過以上物理模型得到。針對該力反饋系統(tǒng)的pid控制方法中，電機需要的轉(zhuǎn)速n0(t)未知，通過控制器對力反饋的分析得出，控制器采用非線性轉(zhuǎn)換方式處理采集的數(shù)據(jù)，即應(yīng)變值對應(yīng)的模擬信號，與理想夾緊時應(yīng)變值對應(yīng)的模擬信號進行對比，隨著該差值的減小，為使夾持平穩(wěn)，設(shè)計電機速度指數(shù)減小，得到每個時刻以夾緊為目標(biāo)的最佳轉(zhuǎn)速n0(t)，與實際轉(zhuǎn)速n(t)比較，其差值e(t)＝n0(t)-n(t)，經(jīng)過pid控制器調(diào)整后輸出電壓控制信號u(t)，u(t)經(jīng)過功率放大后，驅(qū)動電機改變其轉(zhuǎn)速。再依據(jù)經(jīng)典模擬式pid調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律式進行控制。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)以及上述實施例可以實現(xiàn)所述變化例，在此不予贅述。這樣的變化例并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容，在此不予贅述。

以上對本發(fā)明的較佳實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，其中未盡詳細描述的設(shè)備和結(jié)構(gòu)應(yīng)該理解為用本領(lǐng)域中的普通方式予以實施；任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化以及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。