钢球锁紧式工业机器人末端工具快速更换器的设计

杨 钒，黄泽森

（绵阳职业技术学院机电工程系，四川 绵阳621000）

0 引言

工业机器人所执行的任务往往具有多样性，不同的作业任务通常需要使用特定类型的工具，因此仅装配有单一末端操作器的设备已不能满足日益增长的任务需求。目前解决这一问题的主要手段就是采用如图1所示用于装配、搬运、焊接等场合的末端操作工具可更换机械臂，使工业机器人在作业环境中一次调试就可完成多种预设作业[1、2]。该类末端工具快速更换装置由主端口、工具端口、锁紧机构以及适应盘等部分组成（如图2所示），其中保证主端口与工具端口可靠连接的锁紧机构是工具快速更换装置中的核心部分，当机械臂在外力和振动的作用下，或动力装置出现故障时，能够保证更换装置主端口与工具端口连接稳定可靠。因此，研制稳定可靠，结构简单的锁紧机构，对于实现工业机器人多功能化、降低生产成本具有重要意义。目前机器人末端工具快速更换装置多采用机械式锁紧，这种方式可有效解决液压锁紧存在的问题，能在额定负载下保持长期可靠锁紧。常用的机械锁紧方式主要有钢球式锁紧、凸轮式锁紧、卡盘式锁紧、活塞插销式锁紧和膨胀式锁紧等。其中钢球式锁紧由于其结构简单、锁定可靠、解锁方便等优点在机器人末端工具快速更换装置得到了广泛的使用[3-6]。本文就钢球式锁紧装置的总体结构设计，关键指标——锁紧和承载条件分析计算等重点问题作一探讨。

图2 末端操作工具可更换机械臂结构示意图

1 快换器钢球锁紧总体结构

锁紧模块在主端口主要由气缸、活塞、锁紧凸轮、锁紧钢珠、钢珠保持架、定位销以及密封件组成。在工具端口由锁紧环、定位销孔组成，整体结构如图3所示，图4为主要零部件结构图，图5为快速更换器机械结构设计总图。

图3 锁紧装置整体结构图

当安装在机械臂上的更换器主端逐渐接近工具端时，在两个定位销（一个圆柱销，一个菱形销）的作用下，更换器主端口准确地与工具端口对接，为锁紧机构提供动力的气压装置启动，压缩气体由气孔I进入气缸，推动气缸的活塞杆带动安装在其上的锁紧凸轮向工具端移动，凸轮锁紧部分由两段圆锥面组成，第一段圆锥能确保锁紧凸轮推动钢珠移动沿锁紧孔向外移动，活塞继续下移，第二段锥面与钢球相接触，前者继续推动钢球沿同一方向向外微量移动，最终使得钢球分别与该段锥面和锁紧环锥面紧密结合、提供足够的锁紧力。另一方面是具有自动补偿功能，锁紧凸轮的这种结构能提高更换器的连接的可靠性，起到防故障自锁的作用，当作业过程中动力源发生故障时，保证工具端口不会自动从主端口脱落。当需要主端口与工具端口脱离时，压缩气体由气孔II进入气缸下腔，推动活塞反向动作，带动锁紧凸轮向上运动，当机械臂向上提起主端时，钢珠在锁紧环锥面的作用下沿锁紧孔向内运动，两对接端口即可脱离。

2 锁紧机构受力分析

设作用在快换器活塞上部的锁紧载荷为压力P。在锁紧状态下钢球与锁紧凸轮及锁紧环的力学关系如图6所示。A1为钢球与锁紧环的接触点，两者间的摩擦系数为f1，法向压力为Fn1，切向静摩擦力为Ft1；A2为钢球与锁紧凸轮的接触点，摩擦系数为f2，法向压力为Fn2，切向静摩擦力为Ft2；α、β分别为法向压力Fn1、Fn2与x轴的夹角；R为钢球半径。

图6 锁紧机构锁紧时受力分析示意图

设钢球个数为n，不考虑各钢球的受力不均匀，则锁紧凸轮的轴向力平衡方程为：

3 锁紧条件分析

从上述分析可得，钢球锁紧机构的锁紧力源于钢球与锁紧环、锁紧凸轮之间产生的静摩擦力。由力学原理可知，当钢球所受外力大于作用于其上的最大静摩擦力时钢球会产生位移。因此，为了使快换机构在工作过程中始终处于锁紧状态，钢球A1、A2两点实际所产生的滑动摩擦力应小于最大静摩擦力，即锁紧条件可表示为：

式（5）即为摩擦自锁条件，该条件是锁紧环锥面角以及锁紧凸轮上第二段锥度夹角的主要依据之一，经计算及试验验证表明通常情况下锁紧环锥面角可取45°，而锁紧凸轮锥度取值为10°左右。

4 承载条件分析

式中，E：锁紧环材料的弹性模量；μ：锁紧环材料的泊松比；F：钢球与锁紧环间的接触合力（锁紧力与外载荷的矢量和）；R：钢球的半径。

从式（3）、（6）可以看出，适当增大锁紧钢球的半径，增加钢球的个数可提高机构的承载能力。

在实际工作状态下，承载条件可表示为：

式中：[δi]—许用变形。

影响钢球锁紧机构承载能力最主要原因是锁紧环的变形。当锁紧钢球外力的作用下压入锁紧环时后者会产生弹、塑性变形，但由于弹塑性变形量难以用数学方法得到精确值，因此为了在工程应用中简化设计问题，可根据锁紧机构的实际工况来确立其承载条件。

根据前文可知，锁紧机构在工作工程中始终处于自锁状态，此时钢球会压入锁紧环，解锁时，钢球与锁紧环会产生相对运动，硬度较低的锁紧环必然会变形。因此只要限制钢球压入锁紧环的深度就可以保证快换装置的实际工作性能。而对于锁紧凸轮来说，由于有与钢球的接触部位的自动补偿功能，即使有轻微的擦伤、凹坑等变形也不会影响其工作。故下面主要针对锁紧环的弹性变形进行分析计算。设钢球为刚性材料，将钢球与锁紧环的接触简化为刚性球体与弹性平面间的接触，若不计摩擦力的影响，则可得锁紧环变形量为[7]：

5 许用变形的确定

Hertz接触理论认为刚性球与弹性体相互作用，在压入深度为h时，两者之间的接触处于无摩擦的局部弹性变形阶段。图7所示为锁紧钢球与锁紧环之间的变形示意图，a表示接触半径。p0为接触中心处的最大接触压力；r为接触点距接触中心的径向距离。F为接触的合力，R为锁紧钢球半径。则两个接触体可以在接触区域上受到了相同的接触压力[8]。

图7Hertz接触理论压痕模型图

Hertz假设接触区域的压力分布为抛物线形状，其表达式为

其接触的合力F为：

接触半径a的表达式为：

等效弹性模量E′的表达式为

式中，μ1、μ2分别为两接触体的泊松比，E1、E2为其弹性模量。

根据Hertz接触理论，半径为R的刚性球与弹性平面接触，其接触力F，最大接触压力p0，接触半径a与压入深度h之间的关系分别是[8、9]

因此、对于泊松比μ=0.3的材料（工程常用钢材），在开始屈服时，临界压入深度h0为[10]：

式中σ为锁紧环的屈服强度，而h0即为许用变形[δi]，也即锁紧环允许的最大弹性变形量，从理论上来说，只要钢球压入锁紧环的深度δ小于h0，锁紧环就处于弹性变形范围内，两者间的相对运动就不会使后者产生犁沟、压痕等塑性损伤，从而提高锁紧机构的可靠性，并延长其使用寿命。同样由式（13）可知增大锁紧钢球的半径可使临界压入深度变大，也即提高其承载能力。

6 结论

本文通过对钢球锁紧机构的原理、自锁条件、承载力等的分析与计算，设计出一种结构简单，可靠性高，具有机械锁紧功能的机器人末端快速更换装置；另一方面，该结构还具备锁紧凸轮斜面自动补偿功能，可保证锁紧机构在有少量磨损的状态下保持可靠的自锁功能。因此本设计具有较强的实用价值，可将其推广到类似的产品设计中，扩展钢球锁紧机构的应用范围，图8为已投入生产的机械臂末端快换器产品，图9为产品测试报告。

图8 已投入生产的快换器产品

图9 快换器测试报告