面向中間尺度零件精密裝配的微夾持器

孫媛,金鑫,葉鑫,張之敬,張曉峰

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081;2.北京航天時(shí)代光電科技有限公司,北京 100094)

面向中間尺度零件精密裝配的微夾持器

孫媛1,2,金鑫1,葉鑫1,張之敬1,張曉峰1

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081;2.北京航天時(shí)代光電科技有限公司,北京 100094)

中間尺度零件廣泛地被應(yīng)用于復(fù)雜微小型武器系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)中。中間尺度零件的尺度范圍跨度大,形狀種類多樣,結(jié)構(gòu)易被損壞,在目前我國(guó)武器裝備科研生產(chǎn)中主要以手工裝配為主,效率低,可靠性差。因此,如何在自動(dòng)化操作和裝配過(guò)程中對(duì)中間尺度零件進(jìn)行安全可靠的夾持,一直是微小型武器系統(tǒng)精密裝配領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)。研制了一種針對(duì)特征尺寸在亞毫米級(jí)至厘米級(jí)的軸類和塊類零件的跨尺度微夾持器,通過(guò)成對(duì)的剛性-柔性?shī)A爪以及精密直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾持動(dòng)作,用粘貼于柔性?shī)A爪上的應(yīng)變片傳感器所構(gòu)成的電橋來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量零件所受夾持力作為控制依據(jù)。對(duì)柔性?shī)A爪的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),提出同類夾爪關(guān)于所面向零件尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。對(duì)柔性?shī)A爪進(jìn)行仿真分析,確定應(yīng)變片最佳粘貼位置,推導(dǎo)針對(duì)柔性?shī)A爪的特殊結(jié)構(gòu)的應(yīng)變-夾持力計(jì)算模型。夾持-釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該夾持器能夠?qū)χ虚g尺寸零件進(jìn)行穩(wěn)定、無(wú)損傷的夾持并可獲得準(zhǔn)確的夾持力信息。

儀器儀表技術(shù)；中間尺度；微夾持；夾爪優(yōu)化模型；微力檢測(cè)

Key words:apparatus and intruments technology;meso-scale;micro-gripper;optimization model;micro-force sensing

0 引言

在機(jī)械制造領(lǐng)域,中間尺度零件通常是指其幾何特征尺寸在10～10 000μm范圍內(nèi)的零件[1]。中間尺度零件及系統(tǒng)在各個(gè)研究領(lǐng)域以及軍用、民用設(shè)施中有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。其中,在微小型武器裝備方面,如微引信、微陀螺儀、微機(jī)器人、軍用單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)等,起著不可替代的作用。微夾持作為微裝配過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接影響到中間尺度系統(tǒng)的裝配精度,進(jìn)而成為影響成品率以及產(chǎn)品性能的重要因素。在目前我國(guó)武器裝備科研生產(chǎn)中主要以手工夾持為主,效率低,可靠性差。因此研究面向中間尺度零件精密裝配的微夾持器、控制夾持過(guò)程中零件的位置精度是非常必要的。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者在對(duì)微夾持器的研究中取得了不少成果。Deutschinger等研制出用微加工方法制成的電熱驅(qū)動(dòng)式微夾爪,夾爪在初始狀態(tài)下張開(kāi)寬度為4μm,可達(dá)到的最大和最小張開(kāi)寬度分別是11.5μm和3.3μm,能夠夾持微米尺度的物體[3]。Khan等研制的靜電驅(qū)動(dòng)夾爪,在微夾持實(shí)驗(yàn)中成功地被證實(shí)能夾持尺寸在53～70μm的物體[4]。Kim等研制了壓電驅(qū)動(dòng)的微夾持器,夾爪位移能達(dá)到142.8μm,在實(shí)驗(yàn)中分別成功完成了尺寸在100μm的矩形零件和長(zhǎng)為1.2 mm、直徑為100～200μm的大頭針的夾持[5]。孫立寧等研制的具有力感知功能的四臂式微機(jī)電微夾持器,采用靜電梳狀驅(qū)動(dòng)方式,夾爪的張合范圍為30～130μm[6].陳國(guó)良等研制的微裝配機(jī)器人系統(tǒng)中,用真空微夾鉗對(duì)直徑約為300～600μm的球形微目標(biāo)進(jìn)行拾取和釋放等操作,用壓電式微夾鉗分別夾取柱形、錐形和薄片形微目標(biāo)[7]。韓江義等研制的帶力傳感的微夾持器,用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng),半導(dǎo)體應(yīng)變片組成半橋測(cè)量電路進(jìn)行力檢測(cè),能夠?qū)χ睆?.2mm的細(xì)軸進(jìn)行操作,并測(cè)出操作過(guò)程中的力信號(hào)[8]。褚金奎等研制出了鉗體尺寸在毫米量級(jí)、最小特征尺寸為10μm、厚30μm的電熱微夾鉗,其夾持端位移最大可達(dá)67μm[9].

從以上來(lái)看,現(xiàn)有的微夾持器夾持范圍有限,大多只針對(duì)尺寸在某一小區(qū)間的零件,而實(shí)際應(yīng)用中的微小型機(jī)械系統(tǒng)往往會(huì)包含幾十微米到幾毫米甚至幾十毫米的零件,如何在微裝配過(guò)程中對(duì)各種幾何形狀的跨尺度零件進(jìn)行夾持,是自動(dòng)化微裝配發(fā)展中的一個(gè)難題。另外,精密裝配還要求微夾持器能夠保證零件在被夾持過(guò)程中的定位精度,目前的大多數(shù)研究并未考慮這一問(wèn)題。

本文針對(duì)特征尺寸在亞毫米級(jí)至厘米級(jí)的軸類和塊類零件的精密裝配提出了一種帶夾持力檢測(cè)功能的跨尺度微夾持器,該微夾持器夾爪采用一端固定一端移動(dòng)的形式,使零件在被夾持過(guò)程中始終擁有定位基準(zhǔn),同時(shí)利用經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的夾爪結(jié)構(gòu),保證零件的夾持穩(wěn)定性及其與定位基準(zhǔn)的一致性,并通過(guò)應(yīng)變片傳感器來(lái)檢測(cè)整個(gè)操作過(guò)程中的夾持力大小,保證零件不被損壞。

1 微夾持器的設(shè)計(jì)

1.1 微夾持器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微夾持器從結(jié)構(gòu)上分為6個(gè)部分:基板、固定夾爪、直線位移平臺(tái)、移動(dòng)夾爪轉(zhuǎn)臺(tái)、大間距移動(dòng)夾爪以及小間距移動(dòng)夾爪,如圖1和圖2所示?；遄鳛槲A持器的基礎(chǔ),用于連接固定夾爪和直線位移平臺(tái),并將微夾持器整體連接到機(jī)器人手臂末端;固定夾爪由大剛性材料加工而成,在整個(gè)夾持過(guò)程中起定位基準(zhǔn)的作用,其端部形狀考慮了被夾持零件的尺寸范圍以及結(jié)構(gòu)剛度要求而進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);直線位移平臺(tái)帶動(dòng)其上所連接的移動(dòng)夾爪,與固定夾爪配合,實(shí)現(xiàn)夾持-釋放動(dòng)作;移動(dòng)夾爪轉(zhuǎn)臺(tái)用于根據(jù)實(shí)際操作對(duì)象的尺寸大小,將小間距移動(dòng)夾爪或大間距移動(dòng)夾爪調(diào)整到與固定夾爪相對(duì)的工作位置;大、小間距移動(dòng)夾爪用巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)各種常見(jiàn)微小型零件的幾何特征,為穩(wěn)定可靠的夾持提供保證。在本文中,固定夾爪的材料是45#鋼,大間距移動(dòng)夾爪和小間距移動(dòng)夾爪的材料是彈簧鋼。

1.2 微夾持器的工作原理

微夾持器對(duì)零件的夾持-釋放是通過(guò)固定夾爪和連接在直線位移平臺(tái)上的移動(dòng)夾爪的閉合-張開(kāi)動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。直線位移平臺(tái)的行程有限,為了滿足應(yīng)用所需的零件的尺度范圍0.1～20mm,設(shè)計(jì)了兩檔移動(dòng)夾爪——小間距移動(dòng)夾爪和大間距移動(dòng)夾爪,分別用來(lái)夾持特征尺寸在0.1～10 mm的和特征尺寸在10～20 mm的零件。在實(shí)際操作過(guò)程中,可以通過(guò)移動(dòng)夾爪轉(zhuǎn)臺(tái)隨時(shí)在兩檔之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。固定夾爪和直線位移平臺(tái)分別安裝在基板上,直線位移平臺(tái)在精確控制下輸出位移,帶動(dòng)連接于其上的大、小間距移動(dòng)夾爪獲得同樣的位移,完成固定夾爪和移動(dòng)夾爪的閉合-張開(kāi)動(dòng)作。

圖1 微夾持器總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structuremodel ofmicro-gripper

圖2 微夾持器實(shí)物圖Fig.2 Physical photograph ofmicro-gripper

目前已報(bào)道的微夾持器中,大都以兩片夾爪一起移動(dòng)而產(chǎn)生夾爪的開(kāi)合動(dòng)作,由于定位基準(zhǔn)的缺失,這種方式不能控制零件在被夾持以后的位置精度,因此在精度要求很高的微裝配中不能使用。本微夾持器依靠大剛性的固定夾爪作為被夾持零件的定位基準(zhǔn),由此來(lái)保證夾持操作在整個(gè)微裝配過(guò)程中的高精度。

1.3 夾爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本微夾持器的應(yīng)用對(duì)象是中間尺度的軸類、塊類零件,夾爪的結(jié)構(gòu)也是針對(duì)軸類、塊類零件的幾何特征而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。對(duì)于軸類零件,在裝配過(guò)程中通常從軸向?qū)ζ溥M(jìn)行夾持。工業(yè)生產(chǎn)中的軸向夾持一般用三爪卡盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn),能夠自定心,而且?jiàn)A持穩(wěn)固。但是對(duì)于微小型結(jié)構(gòu)的裝配中相對(duì)有限的操作空間而言,三爪卡盤(pán)并不合適,因此,用兩爪來(lái)實(shí)現(xiàn)三爪的功能,將三爪夾持的穩(wěn)固性和兩爪夾爪體積小的特點(diǎn)相結(jié)合,是微夾持器夾爪的設(shè)計(jì)要素之一。對(duì)于塊類零件,一般夾持其相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面,因此夾爪設(shè)計(jì)的另一個(gè)要素是保證在夾持塊類零件時(shí)夾爪與零件兩相對(duì)面有足夠的接觸。

根據(jù)上面提出的兩個(gè)設(shè)計(jì)要素,設(shè)計(jì)了夾持端部截面如圖3所示的移動(dòng)夾爪及固定夾爪。中間的三角槽,充當(dāng)了三爪卡盤(pán)中兩個(gè)爪的角色,和固定夾爪一起,實(shí)現(xiàn)對(duì)軸類零件的三爪夾持。三角槽和固定夾爪夾持面也能夠夾持較小的塊類零件,這種情況下夾爪和零件之間兩邊一面的接觸,能保證夾持的穩(wěn)定性。三角槽兩邊還分別設(shè)計(jì)有一段平面,這是為了保證在對(duì)較大的塊類零件進(jìn)行夾持時(shí)的穩(wěn)定性。

圖3 移動(dòng)夾爪及固定夾爪夾持端部截面示意圖Fig.3 End face view of gripping jaws

大、小行程移動(dòng)夾爪上都有一段鏤空的部分,如圖4所示,這樣使移動(dòng)夾爪中段具有較大的柔性,從而保證在移動(dòng)夾爪接觸物體而發(fā)生受力變形之后,夾持端部與零件間仍具有較大的接觸面積,從而保證夾持操作的可靠性。

圖4 移動(dòng)夾爪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structuremodel ofmoving gripping jaw

1.3.2 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

在確定了針對(duì)塊類、軸類零件的不同夾持方案并由此初步設(shè)計(jì)了移動(dòng)夾爪和固定夾爪的形狀后,需要對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),才能保證夾爪在實(shí)際應(yīng)用中能夠真正發(fā)揮作用。移動(dòng)夾爪的三角槽夾角角度和固定夾爪的寬度是夾爪設(shè)計(jì)中的兩個(gè)關(guān)鍵尺寸,只有合理選擇了它們的值,才能保證夾持器能適應(yīng)直徑在0.1～20 mm這一大跨度范圍內(nèi)的軸類、塊類零件,并且在對(duì)軸類零件進(jìn)行抓取時(shí)有自定心功能。

具體地,對(duì)塊類零件而言,如果零件寬度能夠達(dá)到移動(dòng)夾爪兩邊的平面位置,夾持器將通過(guò)對(duì)其相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面的夾持來(lái)夾緊零件;若零件寬度很小,零件不能用移動(dòng)夾爪上的兩個(gè)平面和固定夾爪來(lái)夾持,此時(shí),三角槽將接觸零件相鄰的兩個(gè)平行棱邊,配合固定夾爪接觸的一個(gè)面,實(shí)現(xiàn)對(duì)小的塊類零件的夾持。

對(duì)于軸類零件:一方面要保證移動(dòng)夾爪三角槽的夾角角度與固定夾爪的寬度能夠使最小尺寸軸也能被夾緊;另一方面,在對(duì)軸類零件進(jìn)行抓取的過(guò)程中,零件與夾爪中心可能會(huì)有偏移,這就要求夾爪在這種情況下仍然能成功抓取零件,并且使零件自定心,移動(dòng)到夾爪的中心位置。因此夾爪結(jié)構(gòu)尺寸還要盡可能使軸類零件初始偏移位置容差大一些,保證不會(huì)因?yàn)榱慵c夾爪中心稍有偏移就導(dǎo)致不能被夾住。

根據(jù)以上分析,可提出關(guān)于移動(dòng)夾爪三角槽的夾角角度與固定夾爪的寬度這兩個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型及約束條件。

1)目標(biāo)函數(shù)的提出

當(dāng)零件處于能被夾住與不能被夾住的臨界位置時(shí),如圖5(a)所示,設(shè)固定夾爪和移動(dòng)夾爪對(duì)零件的夾持力分別為Ff、Fm,零件的受力分析如圖5(b)所示,其所受合力如下:

式中:a、c為任意實(shí)數(shù);i、j為如圖5所示的方向向量。

要使零件能夠被夾爪夾住且自定心,Ff、Fm必須滿足如下關(guān)系:

根據(jù)以上受力分析以及零件與夾爪之間的幾何關(guān)系,設(shè)移動(dòng)夾爪三角槽夾角角度的一半為α,固定夾爪寬度的一半為x,軸類零件直徑為d,軸類零件中心與夾爪中心的容許偏移量為-y,可得如下目標(biāo)函數(shù):

圖5 零件夾持臨界位置分析Fig.5 Critical state analysis on gripping process

2)約束條件的確定

夾爪夾持其所能夾持最小直徑軸的狀態(tài)如圖6所示,此時(shí),固定夾爪夾持面兩端的棱邊與移動(dòng)夾爪三角槽接觸,無(wú)法再對(duì)更小軸類施加力。

圖6 夾爪所能夾持的最小直徑軸分析Fig.6 Analysis on minimum shaft

設(shè)軸半徑為r,三角槽與固定夾爪所組成的等腰三角形的高為h,單位mm,根據(jù)幾何關(guān)系可得如下約束條件:

另外,從固定夾爪的剛度以及三爪夾持時(shí)三爪的分布對(duì)稱性考慮,結(jié)合前期研究結(jié)果,有如下約束條件:

3)優(yōu)化模型的建立與求解

綜合(1)式和(2)式中的討論,建立了夾爪結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的優(yōu)化模型,如下:

式中:d為[0.4mm,20mm]內(nèi)的常數(shù),優(yōu)化過(guò)程中取為20mm.

利用MATLAB優(yōu)化工具箱,求得的結(jié)果如下:

即當(dāng)固定夾爪寬度的一半為0.25 mm,移動(dòng)夾爪三角槽夾角的一半為1.176 rad時(shí),軸類零件初始偏移位置容差有最大值8.60mm.經(jīng)過(guò)圓整后即是固定夾爪寬度為0.5mm,而移動(dòng)夾爪三角槽的夾角為135°.三角槽兩邊還分別設(shè)計(jì)有一段寬度為3mm的平面,這是為了保證在對(duì)較大的塊類零件進(jìn)行夾持時(shí)的穩(wěn)定性。

2 夾持力檢測(cè)方法研究

2.1 夾持力檢測(cè)的原理

為了防止微小型零件在裝配過(guò)程中由于夾持過(guò)緊而造成損壞,需要在裝配過(guò)程中進(jìn)行微夾持力的實(shí)時(shí)檢測(cè)。選用應(yīng)變電橋的方法來(lái)檢測(cè)夾持力,在大、小間距移動(dòng)夾爪分別貼電阻應(yīng)變片,各自組成全橋電路。應(yīng)變電橋的輸出接在智能數(shù)字應(yīng)變儀上,可直接獲得應(yīng)變片位置的應(yīng)變值。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,以及端部受力的懸臂梁的應(yīng)力分布與端部所受力的關(guān)系,可以求得夾爪端部所受力的大小,也即為零件被夾持時(shí)所受夾緊力的大小。由于夾爪存在彈性變形,應(yīng)變片測(cè)得的夾持力會(huì)略大于零件所受到的實(shí)際夾持力,但是在夾持過(guò)程中夾爪的彈性變形量很小,因此由此帶來(lái)的影響可忽略。用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的計(jì)算過(guò)程,并且把計(jì)算結(jié)果反饋到直線位移平臺(tái)的控制程序中,實(shí)時(shí)控制夾緊力。

2.2 夾持力檢測(cè)數(shù)學(xué)模型的建立

從前文中所述夾爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以看出,夾爪對(duì)塊類零件和軸類零件的夾持方式是不一樣的,所對(duì)應(yīng)的夾持力-應(yīng)變的關(guān)系也不同,因此需要針對(duì)這兩類零件分別建立夾持力檢測(cè)數(shù)學(xué)模型。

當(dāng)零件由于固定夾爪和移動(dòng)夾爪的閉合而被夾持時(shí),根據(jù)受力分析可知,固定夾爪對(duì)零件的作用力是所有分力中最大的。因此,檢測(cè)固定夾爪對(duì)零件作用力并據(jù)此進(jìn)行控制,才能保證零件在被夾持過(guò)程中無(wú)損傷。

設(shè)固定夾爪對(duì)零件的作用力為F,移動(dòng)夾爪上所貼的應(yīng)變片位置中心與夾爪尖端距離為l,應(yīng)變片位置中心處移動(dòng)夾爪的寬度為b,厚度為h,移動(dòng)夾爪材料彈性模量為E,應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)棣?下面分別討論塊類零件和軸類零件的夾持力檢測(cè)數(shù)學(xué)模型。

2.2.1 塊類零件

夾持器對(duì)塊類零件進(jìn)行夾持時(shí),夾持器的兩個(gè)夾爪分別夾住塊類零件上相對(duì)的兩個(gè)平面,從而完成夾持動(dòng)作。

前文中有介紹,當(dāng)塊類零件的寬度能夠達(dá)到移動(dòng)夾爪兩邊的平面位置時(shí),夾持器將通過(guò)其相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面的夾持來(lái)夾緊零件,此時(shí)可將零件對(duì)移動(dòng)夾爪的作用力簡(jiǎn)化為F′m1、F′m2,如圖7所示。

圖7 夾持塊類零件的夾爪受力狀態(tài)圖Fig.7 Analysis on force state of gripping jaw holding a block part

移動(dòng)夾爪對(duì)零件的作用力為Fm1、Fm2,有

根據(jù)零件的受力分析可得

根據(jù)對(duì)稱關(guān)系可知F′m1=F′m2,則有F=2F′m1.

再根據(jù)應(yīng)力公式及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,可得

當(dāng)塊類零件的寬度不能達(dá)到移動(dòng)夾爪兩邊的平面位置時(shí),其夾持方式跟軸類零件相同,夾持力檢測(cè)模型也同軸類零件,詳見(jiàn)2.2.2節(jié)。

2.2.2 軸類零件

軸類零件在被夾持時(shí)與移動(dòng)夾爪的三角槽兩個(gè)面接觸,設(shè)其對(duì)三角槽兩個(gè)面的作用力分別為Fs1、Fs2,如圖8所示。

圖8 夾持軸類零件的夾爪受力分析示意圖Fig.8 Analysis on force state of gripping jaw holding a shaft part

設(shè)三角槽兩個(gè)面對(duì)零件的作用力分別為F′s1、F′s2,根據(jù)牛頓第三定律可知:

根據(jù)對(duì)稱關(guān)系可知Fs1=Fs2.

再根據(jù)應(yīng)力公式及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,可得

根據(jù)對(duì)零件的受力分析可得

由(21)式和(23)式可得

2.3 應(yīng)變片最佳位置仿真分析

為了讓?xiě)?yīng)變片傳感器達(dá)到最好的使用效果,利用ANSYS軟件進(jìn)行了力學(xué)仿真,選出了在頂端施加作用力時(shí)移動(dòng)夾爪上應(yīng)變最大的地方作為應(yīng)變片的安裝位置。

對(duì)軸類、塊類零件被夾持時(shí)移動(dòng)夾爪的應(yīng)變分布進(jìn)行仿真,得到應(yīng)變?cè)茍D分別如圖9、圖10所示。從圖中可知,應(yīng)變最大的位置在夾爪橫截面發(fā)生變化的地方。

圖9 軸類零件被夾持時(shí)移動(dòng)夾爪的應(yīng)變?cè)茍DFig.9 Strain analysis result ofmoving gripping jaw holding a shaft part

圖10 塊類零件被夾持時(shí)移動(dòng)夾爪的應(yīng)變?cè)茍DFig.10 Strain analysis result of themoving gripping jaw holding a block part

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 微夾持力傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5604—1985負(fù)荷傳感器實(shí)驗(yàn)方法[10],采用靜重砝碼作為加荷裝置,對(duì)微夾持力傳感器進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。為了直觀地顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值繪制成曲線圖,如圖11所示。

圖11 微夾持力傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Calibration test result ofmicro-force sensor

3.2 夾持實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本微夾持器的有效性和可靠性,分別以軸類和塊類零件為被夾持對(duì)象進(jìn)行了夾持實(shí)驗(yàn),并利用夾持力傳感器對(duì)各個(gè)零件在待夾持-正在夾持-被夾持起來(lái)-釋放這一整個(gè)過(guò)程中的所受夾持力大小進(jìn)行了采集。下面逐一介紹針對(duì)4個(gè)典型零件的實(shí)驗(yàn)情況。

3.2.1 塊類零件

某彈用引信零件A,其形狀及尺寸如圖12所示,其被夾持過(guò)程如圖13所示,全過(guò)程夾持力傳感器所測(cè)得的夾持力如圖14所示。

某彈用引信零件B,其形狀及尺寸如圖15所示,其被夾持過(guò)程如圖16所示,全過(guò)程夾持力傳感器所測(cè)得的夾持力如圖17所示。

3.2.2 軸類零件

圖12 某彈用引信零件A實(shí)物圖Fig.12 Part A-a part in a fuze

圖13 某彈用引信零件A夾持過(guò)程圖Fig.13 Gripping process of Part A

圖14 某彈用引信零件A被夾持過(guò)程夾持力曲線圖Fig.14 Gripping force of Part A being gripped

圖15 某彈用引信零件B實(shí)物圖Fig.15 Part B-a part of a fuze

軸類零件A,其形狀及尺寸如圖18所示,對(duì)其上直徑為7 mm部分進(jìn)行夾持,其被夾持過(guò)程如圖19所示,全過(guò)程夾持力傳感器所測(cè)得的夾持力如圖20所示。

軸類零件B,其形狀及尺寸如圖21所示,對(duì)其上直徑為0.4 mm部分進(jìn)行夾持,其被夾持過(guò)程如圖22所示,全過(guò)程夾持力傳感器所測(cè)得的夾持力如圖23所示。

圖16 某彈用引信零件B夾持過(guò)程圖Fig.16 Gripping process of Part B

圖17 某彈用引信零件B被夾持過(guò)程夾持力曲線圖Fig.17 Gripping force of Part B being gripped

圖18 軸類零件A實(shí)物圖Fig.18 Shaft part A

圖19 軸類零件A夾持過(guò)程圖Fig.19 Gripping process of shaft part A

4 結(jié)論

圖20 軸類零件A被夾持過(guò)程夾持力曲線圖Fig.20 The gripping force of Shaft Part A being gripped

圖21 軸類零件B實(shí)物圖Fig.21 Shaft part B

圖22 軸類零件B夾持過(guò)程圖Fig.22 Gripping process of shaft part B

圖23 軸類零件B被夾持過(guò)程夾持力曲線圖Fig.23 Gripping force of shaft part B being gripped

本文研制了一種針對(duì)特征尺寸在亞毫米級(jí)至厘米級(jí)的軸類和塊類零件的跨尺度微夾持器,提出了同類夾爪關(guān)于所面向零件尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型和針對(duì)柔性?shī)A爪的特殊結(jié)構(gòu)的應(yīng)變-夾持力計(jì)算模型,并通過(guò)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到了以下結(jié)論:

1)通過(guò)成對(duì)的剛性-柔性?shī)A爪以及精密直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾持動(dòng)作,用粘貼于柔性?shī)A爪上的應(yīng)變片傳感器所構(gòu)成的電橋來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量零件所受夾持力作為控制依據(jù)。

2)通過(guò)對(duì)柔性?shī)A爪進(jìn)行仿真分析,確定了應(yīng)變片最佳粘貼位置在夾爪橫截面發(fā)生變化處。

3)夾持-釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該夾持器能夠?qū)χ虚g尺寸零件進(jìn)行穩(wěn)定、無(wú)損傷的夾持并可獲得準(zhǔn)確的夾持力信息?？蓮V泛應(yīng)用于微小型武器裝備的人機(jī)協(xié)同裝配以及自動(dòng)化裝配過(guò)程,以推動(dòng)武器微小型化的發(fā)展。

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M icro-gripper for Precision M eso-scale Assembly

SUN Yuan1,2,JIN Xin1,YE Xin1,ZHANG Zhi-jing1,ZHANG Xiao-feng1
(1.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;
2.Beijing Aerospace Times Optical-Electronic Technology Co.,Ltd.,Beijing 100094,China)

Meso-scale parts are widely used in the complex miniature weapon systems.On account of a large dimension range,a variety of shapes and vulnerable structures of themeso-scale parts,the weapon systems aremainly assembled by hand,bringing poor efficiency and reliability.A challenging issue in the precision assembly ofminiature weapon systems is how to safely and reliably grip themeso-scale parts in the automatic handling and assembly.A micro-gripper for gripping the sub-millimeter and millimeter scale shafts and parts is developed,including a pair of rigid and flexible gripping jaws and a precision linearmotion stage.AWheatstone bridge,which consists of strain gauges stuck on the flexible gripping jaw,is used to detect a clamping force on a part in real time.The structural parameters of flexible gripping jaw are designed optimally,and an optimal designmodel of gripping jaws is proposed.A simulation analysis is carried out to determine the best sticking positions of the gauges.A strain-forcemodel for the special shape of flexible gripping jaw is derived.Grip-release experiments indicate that themicro-gripper is capable to grip themeso-scale parts stably and nondestructively.

TP241

A

1000-1093(2014)12-2078-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.12.021

2014-04-08

國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(A0920110013);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51127004)

孫媛(1985—),女,工程師,博士研究生。

金鑫(1971—),女,副教授。E-mail:goldking@bit.edu.cn