基于記憶合金驅(qū)動(dòng)圓盤定位及伸縮桿的可重構(gòu)夾持裝置

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1、基于記憶合金驅(qū)動(dòng)、圓盤定位及伸縮桿的可重構(gòu)夾持裝置 摘 要：介紹基于記憶合金驅(qū)動(dòng)的可重構(gòu)夾持裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，說明了其工作原理和技術(shù)性能特點(diǎn)，給出了夾持力的計(jì)算公式和力學(xué)特性曲線。所創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可重構(gòu)記憶合金夾持裝置，以記憶合金為驅(qū)動(dòng)裝置，常見桿件為基本構(gòu)件，并經(jīng)過對(duì)桿件進(jìn)行簡(jiǎn)單加工組合后，以圓盤定位以及伸縮桿的形式迅速滿足對(duì)不同尺寸以及不同位置工件的夾緊需求。由于該裝置采用大半圓柱夾緊頭，通過自動(dòng)調(diào)整夾緊面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀的工件實(shí)施夾緊。因此，該夾具的可重構(gòu)性非常強(qiáng)。 關(guān)鍵詞：形狀記憶合金、鉸桿、圓盤、伸縮桿、可重構(gòu)、夾持裝置 1、概述 目前，制造

2、業(yè)中廣泛使用的基本都是配套的夾具，對(duì)于一些特殊工件，企業(yè)更是需要花費(fèi)大量資金去設(shè)計(jì)生產(chǎn)專用夾具。而這些配套專用夾具又常常出現(xiàn)“快速下崗”的現(xiàn)象，有時(shí)僅僅因?yàn)閮?nèi)外夾持之類的問題就要更新整套夾具，這無論是對(duì)于企業(yè)還是對(duì)于國(guó)家都是極大的浪費(fèi)。 針對(duì)上述問題，我們提出了以記憶合金，圓盤定位以及伸縮桿為主的可重構(gòu)夾持裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路及目標(biāo)。（1）通過低成本的常見構(gòu)件進(jìn)行加工組合，大幅度降低夾具的制造成本。（2）采用圓盤旋轉(zhuǎn)定位以及伸縮桿，盡可能滿足不同位置及不同尺寸工件的夾緊。（3）采用大半圓柱夾緊頭，旋轉(zhuǎn)夾緊面來獲得對(duì)不同形狀的工件的夾緊。 下面介紹我們?cè)O(shè)計(jì)的可重構(gòu)夾持裝置。 2、工作原理與桿

3、件結(jié)構(gòu) （1）形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)部分 形狀記憶合金(SMA)是一種具有形狀記憶效應(yīng)(SME)，集驅(qū)動(dòng)、感知和執(zhí)行于一體，輸 入熱量即可對(duì)外做功的新型智能材料，近年來得到了較快發(fā)展。所謂形狀記憶效應(yīng)，是指預(yù)先給SMA材料一定量的塑性變形，而后加熱SMA至某一溫度，由于內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，SMA將克服塑性變形回復(fù)到原來形狀。在收縮過程中將產(chǎn)生巨大的回復(fù)應(yīng)力，因此可以將其作為驅(qū)動(dòng)力應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)器中。工作原理為：當(dāng)半導(dǎo)體熱泵熱端對(duì)SMA彈簧加熱時(shí)，SMA彈簧由于內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生收縮，產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力克服彈簧力后拉動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)；滑塊的結(jié)構(gòu)有兩種設(shè)計(jì)。一種是在圓柱滑塊兩邊緣處切出兩塊矩形平

4、面并打上定位孔，兩根簡(jiǎn)單桿件（桿件1）如圖所示定位在滑塊上。兩邊成對(duì)稱分布?；钊蛴疫\(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生對(duì)稱輸出力。另一種是在活塞中央開兩個(gè)槽，并從一側(cè)打銷釘通孔。實(shí)現(xiàn)力的對(duì)稱輸出。 （2）力傳遞部分 ①桿件2 桿件1輸出的力通過鉸接輸出至桿件2。由圖可以看出，桿件2是由一跟矩形桿和一個(gè)帶若干定位孔的圓盤組成。為節(jié)約成本，二者采用焊接方式相連。桿件2上固定孔與機(jī)架相連，因此，桿件2起到的作用為杠桿，固定孔處為支點(diǎn)位置。并且桿件2不可旋轉(zhuǎn)。 ②桿件3 桿件3通過左端圓盤與桿件2相連，并且桿件3為可旋轉(zhuǎn)桿件，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到預(yù)定位置時(shí)通過定位孔與桿件2固連。與圓盤相連為一“Z”形桿，“Z”形桿右端有一段

5、中空桿，為伸縮桿腔，左右兩邊打若干定位孔。伸縮桿（桿件4）可以在腔內(nèi)前后移動(dòng)，在所需位置通過定位孔定位。 ③桿件4 當(dāng)驅(qū)動(dòng)部分采用第一種方案（即活塞上有4根桿件1）時(shí)，桿件4結(jié)構(gòu)如左圖。桿件4左端插入桿件3伸縮桿腔中，通過伸縮桿定位孔與桿件3固連。右端與夾頭座相連。圖中裝配對(duì)齊孔是為了方便裝配對(duì)齊所做，為一小孔。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)部分采用方案2（即活塞上只有2根桿件1）時(shí)，桿件4結(jié)構(gòu)如下圖： 與方案一不同的是，桿件4結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單許多，在右端有一夾頭座定位槽。是與夾頭座固連之用。 （3）夾緊部分 桿件4通過其連接孔與夾頭座固連，并由固定螺栓孔(在夾頭座底面未畫出)用螺栓固定。兩邊固定螺栓孔是固定桿

6、件4，中間是固定夾頭。夾頭在夾頭座的最下方，是一大半圓柱（圖中紅色部分）。為使其旋轉(zhuǎn)方便，在左右兩邊各開一注油口，向其添加潤(rùn)滑油。夾頭中央有一淺溝槽，起存放潤(rùn)滑油和定位之用。該夾頭最突出的特點(diǎn)也是其可重構(gòu)性。一般我們只討論某個(gè)裝置具有可重構(gòu)性，但該夾頭單獨(dú)即具有可重構(gòu)性。夾頭部分可旋轉(zhuǎn)，可用平面與圓柱面兩種平面來夾緊不同形狀的工件。該夾頭的設(shè)計(jì)思想尤其值得提出。 （4）總裝配圖及原理說明 這是方案2的裝配示意圖。因該方案較方案1簡(jiǎn)單許多，因此是我們的首選方案。從圖中可以看出，記憶合金（注：記憶合金的加熱冷卻裝置未在圖中畫出）受熱后收縮，克服彈簧力將活塞向右拉動(dòng)，桿件1壓力角變小，經(jīng)桿件1輸

7、出力至桿件2。由于桿件2與機(jī)架相連，故在桿件2右端產(chǎn)生指向套筒的壓力通過桿件3，4帶動(dòng)夾頭夾緊工件。方案一的工作原理與其類似，不再贅述 （5）可重構(gòu)分析 該裝置的可重構(gòu)性體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)： ① 旋轉(zhuǎn)圓盤定位裝置 ② 伸縮桿裝置 ③ 大半圓柱夾頭裝置 由上述裝配圖可以看出，當(dāng)桿件3的圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩夾頭之間的距離也會(huì)同時(shí)產(chǎn)生變化，配合調(diào)整夾頭的方向，這樣一來就可以夾緊不同大小的工件而不需要更換任何桿件。當(dāng)所需夾緊的工件位置較遠(yuǎn)而機(jī)架部分移動(dòng)不便時(shí)，或者需要加緊的工件為內(nèi)夾緊比較深時(shí)，伸縮桿將會(huì)大大改善這種情況。通過桿件4在桿件3中的前后移動(dòng)，可以使夾頭也同時(shí)前后移動(dòng)，配合夾頭座

8、的旋轉(zhuǎn)可以夾緊不同位置的工件，也可以夾緊工件的不同位置。 當(dāng)需要內(nèi)夾緊時(shí)，只需改變記憶合金的電流方向，即可產(chǎn)生相反方向的力，并同時(shí)使夾頭夾持面向上即可實(shí)現(xiàn)。內(nèi)夾持工件的尺寸范圍與工件位置范圍均由桿件三的中間部分及伸縮腔長(zhǎng)度決定，彈性非常大，可根據(jù)需要自由決定。 理想狀況下，如果改變驅(qū)動(dòng)部分在機(jī)架上的位置，即活塞套筒部分可以在機(jī)架上旋轉(zhuǎn)，則不僅能實(shí)現(xiàn)以上所說的上下夾緊，甚至能實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的左右夾緊以及任意角度的夾緊，充分體現(xiàn)可重構(gòu)精神。 通過以上分析，我們可以看出，上面的可重構(gòu)夾緊裝置可重構(gòu)性能非常好，對(duì)于不同尺寸，不同位置，不同形狀的工件以及同一個(gè)工件的不同位置均能實(shí)現(xiàn)較好的夾緊效果

9、，更重要的是，在整個(gè)過程中不需要更換任何一個(gè)部件，只需要簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)伸縮動(dòng)作即可。 3 力學(xué)計(jì)算與性能分析 3.1 力學(xué)計(jì)算公式 先看該裝置的結(jié)構(gòu)圖。設(shè)桿件1的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，桿件2的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2+L3。其中L2與L3的分界點(diǎn)即為桿件2上與機(jī)架相連的孔，即杠桿的支點(diǎn)。 我們采用NiTi合金作為SMA彈簧的材料。為保證彈簧的使用次數(shù)，我們?nèi)∷ぷ鲿r(shí)的形變量為3﹪。假設(shè)SMA彈簧初始長(zhǎng)度為L(zhǎng)。，當(dāng)SMA彈簧受熱收縮時(shí)，它收縮量為L(zhǎng)。*3﹪，記憶合金受熱收縮克服彈簧力后產(chǎn)生向右的拉力F0，如圖。對(duì)于桿件1，由力學(xué)關(guān)系有， F1=F0/sinα 對(duì)于桿件2，由杠桿

10、原理， F1*L2*cosα=F2*L3 故有 F2=F0*L2/(L3*tanα) 圖中角度α小于45。從計(jì)算式中我們可以看出，輸出力F2與L1長(zhǎng)度無關(guān)，故為節(jié)省成本，可以盡量降低L1的長(zhǎng)度。同時(shí)為了獲得更大的輸出力，可以盡量提高L2與L3的比值，并減小α。 4 總結(jié) （1）本文主要介紹了基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)，圓盤定位裝置以及伸縮桿的可重構(gòu)智能夾具。它是由最近流行的高性能NI-TI合金作為驅(qū)動(dòng)源，以類似鼠牙盤的圓盤作為定位裝置，配合伸縮桿來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的內(nèi)外夾緊以及不同位置不同形狀的工件的夾緊。裝置成本低廉，桿件易加工，并具有適應(yīng)范圍廣，柔性化程度高，可快速重構(gòu)以迅速滿足用戶

11、不同要求等突出優(yōu)點(diǎn)。 （2）夾持裝置的基本構(gòu)件為鉸桿與杠桿，是幾何形狀與制造工藝都基本相同的桿件，便于快速設(shè)計(jì)與制造。無論是直線形還是曲線形桿件，都可以采用數(shù)控電火花切割工藝，很方便快捷地加工出來。此外，所有桿件都可以重復(fù)回收利用。 （3）裝置采用無污染的形狀記憶合金作為驅(qū)動(dòng)裝置，可在一定范圍內(nèi)代替容易產(chǎn)生環(huán)境污染的液壓傳動(dòng)夾持裝置，符合機(jī)械行業(yè)綠色設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展趨勢(shì)與潮流。 （4）裝置中采用了伸縮桿裝置，極大縮短了縱向尺寸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約緊湊。 我們相信，以上敘述的可重構(gòu)夾持裝置，將為未來工業(yè)機(jī)械手的綠色化與柔性化，發(fā)揮其應(yīng)有的重要作用。 參考文獻(xiàn) [1] Dou Yunxia 1, Wang Chuanyang 1,Wang Mingdi1, Su Dongning 2 Zhong Kangmin基于鉸桿-杠桿串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的工業(yè)機(jī)械手可重構(gòu)氣動(dòng)夾持裝置 [2] 李欣，王明娣，鐘康民. 形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)的鉸桿增力夾緊裝置 [3] 夏仰帥, 王明娣. 基于快速可重構(gòu)夾緊裝置的設(shè)計(jì) [4] W. Huang. On the selection of shape memory alloys for actuators. Materials and Design,23 ?2002. 11_19