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(shuō)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(guò)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(guò)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

2、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(wèn)題就要更新整套夾具，這無(wú)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(wèn)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(guò)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(lái)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

3、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(lái)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(lái)形狀。在收縮過(guò)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?/p>

4、向右運(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）力傳遞部分桿件2桿件1輸出的力通過(guò)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)。桿件3桿件3通過(guò)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(guò)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(guò)定位孔定位。

5、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(guò)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(guò)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。

6、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(lái)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(shuō)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(guò)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

7、）可重構(gòu)分析該裝置的可重構(gòu)性體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)： 旋轉(zhuǎn)圓盤定位裝置 伸縮桿裝置 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(lái)就可以?shī)A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(guò)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)，配合夾頭座的旋轉(zhuǎn)可以?shī)A緊不同位置的工件，也可以?shī)A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

8、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(shuō)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(guò)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，更重要的是，在整個(gè)過(guò)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

9、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/sin對(duì)于桿件2，由杠桿原理，F(xiàn)1*L2*cos=F2*L3故有F2=F0*L2/(L3*tan)圖中角度小于45。從計(jì)算式中我們可以看出，輸出力F2與L1長(zhǎng)度無(wú)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。4 總結(jié)

10、（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(lái)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(wú)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(lái)。此外，所有桿件都可以重復(fù)回收利用。（3）裝置采用無(wú)污染的形狀記憶合金作為驅(qū)動(dòng)裝置，可在一定范圍

11、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(lái)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