本发明属于专用机械领域，涉及一种弹性夹紧手指装置及其夹紧力计算方法。
背景技术：
随着社会发展人们生活质量的提高，人们对电动手指运行精度的要求越来越高。目前电动手指主要以启动为主，存在着夹紧刚性大、运动精度差的问题。
中国专利号为cn203665535u的“电动手指”，由伺服电机带动顶推件30上下移动，可同时控制多个活动手指同步向外张开或向内闭合，这是一种针对变压器的绕线装置，利用集装箱内的低压绕箔设备实现箔材卷绕，变压器相较豆皮，结构精巧，加工难度大。此外，还有公布号为cn108312169a的“一种镜片自动夹持装置和方法”，采用电动平行手指可根据前镜片的大小定量设置开度事先夹取，但该发明根据镜片外形特征设计，且对前端上料装置的控制精度信息检测水平要求较高。
上述装置缺乏弹性夹紧功能，因此针对该需求设计出了一种运行可靠，运行精度高的电动手指，此装置通过左、右滑动模块和直推模块的相互配合，实现夹紧力可控。
技术实现要素：
本发明基于现有技术的不足，提供一种弹性夹紧手指装置及其夹紧力计算方法，通过左右滑块间的相向或相背运动，同时利用弹簧实现滑块间的弹性压紧，避免了左右滑块的刚性夹紧。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：
夹紧手指装置包括上壳体(1)、左滑动模块(2)、右滑动模块(3)、直推模块(4)、下壳体(5)；其特征在于：左滑动模块(2)和滑动模块(3)对称布置于上壳体(1)上方的滑轨之上，并沿滑轨方向做相向运动；直推模块(4)与左滑动模块(2)、右滑动模块(3)通过齿轮齿条传动方式。
上壳体(1)上设计有滑块导轨(12)、左滑轨(13)、左齿轮轴安装孔(14)、左定位块(15)、右定位块(16)、右齿轮轴安装孔(17)、右滑轨(18)。
左滑动模块(2)由左手指(21)、左滑块(22)、左滑动直齿条(23)、左齿轮(24)和左齿轮轴(25)组成；左滑块(22)与左滑动直齿条(23)通过螺钉连接，左滑动直齿条(23)侧方设置有滑槽，沿上壳体(1)的滑轨方向做往复运动；左齿轮轴(25)安装于上壳体(1)、下壳体(5)之间，左齿轮(24)对称布置于左齿轮轴(25)上。
右滑动模块(3)由右手指(31)、右滑块(32)、右滑动直齿条(33)、右齿轮(34)和右齿轮轴(35)组成；右滑块(32)与右滑动直齿条(33)通过螺钉连接，右滑动直齿条(33)侧方设置有滑槽，沿上壳体(1)的滑轨方向做往复运动；右齿轮轴(35)安装于上壳体(1)、下壳体(5)之间，右齿轮(34)对称布置于右齿轮轴(35)上。
直推模块(4)由直线位移传感器(41)、挡片(42)、直推齿条组(43)、卡环(44)、丝杆步进电机(45)、丝杆螺母(46)和弹簧(47)组成；直推齿条组(43)中齿条侧表面与上壳体(1)、下壳体(5)上的定位块接触，直推齿条组(43)沿齿条方向做往复运动；弹簧(47)安装于直推齿条组(43)与挡片(42)之间；直线位移传感器(41)螺接于挡片(42)上，其推杆顶端与直推齿条组(43)端面连接，测量直推齿条组(43)与挡片(42)间距。
左右滑块夹紧方法，包括下述步骤：
丝杆步进电机(45)正向转动时，推动丝杆螺母(46)和卡环(44)向下运动，压缩弹簧(47)使得直推齿条组(43)向下运动，左滑块(21)与右滑块(31)相向运动至二者接触，左滑块(21)与右滑块(31)之间无夹紧力。
丝杆螺母(46)继续向下运动，弹簧(47)进一步压缩，左滑块(21)与右滑块(31)间夹紧力不断增大，直线位移传感器(41)的推杆拉伸量达到预定值，直线位移传感器(41)发送信号至丝杆步进电机(45)控制器，丝杆步进电机(45)停转。
丝杆步进电机(45)反向转动时，推动丝杆螺母(46)、卡环(44)和直推齿条组(43)向上运动；直推齿条组(43)通过左齿轮(23)、左滑动直齿条(22)、右齿轮(23)、右滑动直齿条(22)驱动左滑块(21)与右滑块(31)反向运动，直线位移传感器(41)的推杆被压缩，直至直线位移传感器(41)的推杆压缩量达到预定值，丝杆步进电机(45)停转。
左滑块(21)与右滑块(31)夹紧力与弹簧(47)压缩量呈一定数量关系，弹簧(47)的压缩量可依据直推齿条组(43)与挡片(42)间距计算得出。
丝杆步进电机(45)可依据直线位移传感器(41)信号调节弹簧(47)压缩量，进而实现左滑块(21)与右滑块(31)夹紧力的动态调节。
左滑块(21)与右滑块(31)夹紧力计算方法包括：
(1)弹簧内力计算：
式中，fk为弹簧内力，k为弹簧弹性系数，x0为弹簧初始压缩量(可手动调节)，n为丝杆步进电机所受到的脉冲数，α为丝杆步进电机的步距角，d为丝杆步进电机中丝杆螺距。
(2)滑块压紧力与弹簧内力计算关系：
i＝r1/r2
式中，i为丝杆步进电机至左右滑块的传动比，r1为滑动模块与直推模块(4)相接触齿轮的分度圆半径，r2为滑动模块与滑块相接触齿轮的分度圆半径。
f＝i·fk
式中，f为滑块压紧力。
左右滑块同步配合，实现一定夹紧力后的自动停止。
本发明可以实现电动手指的弹性夹紧，避免过度夹紧造成的机械损坏。同时可计算得出夹紧力大小，进而实现左滑块与右滑块夹紧力的动态调节。
附图说明
图1是夹紧装置总体结构示意图。
图2是左滑动模块结构示意图。
图3是右滑动模块结构示意图。
图4是直推动模块结构示意图。
图5是上壳体结构示意图。
图1中：1、上壳体；2、左滑动模块，3、右滑动模块，4、直推模块，5、下壳体，12、滑块导轨，13、左滑轨，14、左齿轮轴安装孔，15、左定位块，16、右定位块，17、右齿轮轴安装孔，18、右滑轨，21、左手指，22、左滑块，23、左滑动直齿条，24、左齿轮，25、左齿轮轴，31：右手指，32：右滑块，33：右滑动直齿条，34：右齿轮，35：右齿轮轴，41、直线位移传感器，42、挡片，43、直推齿条组，44、卡环，45、丝杆步进电机，46、丝杆螺母，47、弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
夹紧手指装置，包括上壳体(1)、左滑动模块(2)、右滑动模块(3)、直推模块(4)、下壳体(5)；其特征在于：左滑动模块(2)和滑动模块(3)对称布置于上壳体(1)上方的滑轨之上，并沿滑轨方向做相向运动；直推模块(4)与左滑动模块(2)、右滑动模块(3)通过齿轮齿条传动方式。
上壳体(1)上设计有滑块导轨(12)、左滑轨(13)、左齿轮轴安装孔(14)、左定位块(15)、右定位块(16)、右齿轮轴安装孔(17)、右滑轨(18)。
滑块导轨(12)位于左滑轨(13)和右滑轨(18)的上方；左齿轮轴安装孔(14)、左定位块(15)位于左滑轨(13)下方；右定位块(16)、右齿轮轴安装孔(17)位于右滑轨(18)的下方。
左滑动模块(2)由左手指(21)、左滑块(22)、左滑动直齿条(23)、左齿轮(24)和左齿轮轴(25)组成；左滑块(22)与左滑动直齿条(23)通过螺钉连接，左滑动直齿条(23)侧方设置有滑槽，沿上壳体(1)的滑轨方向做往复运动；左齿轮轴(25)安装于上壳体(1)、下壳体(5)之间，两个左齿轮(24)平行且同轴布置于左齿轮轴(25)上。右滑动模块(3)由右手指(31)、右滑块(32)、右滑动直齿条(33)、右齿轮(34)和右齿轮轴(35)组成；右滑块(32)与右滑动直齿条(33)通过螺钉连接，右滑动直齿条(33)侧方设置有滑槽，沿上壳体(1)的滑轨方向做往复运动；右齿轮轴(35)安装于上壳体(1)、下壳体(5)之间，两个右齿轮(34)平行且同轴布置于右齿轮轴(35)上。
直推模块(4)由直线位移传感器(41)、挡片(42)、直推齿条组(43)、卡环(44)、丝杆步进电机(45)、丝杆螺母(46)和弹簧(47)组成；直推齿条组(43)中齿条侧表面与上壳体(1)、下壳体(5)上的定位块接触，直推齿条组(43)沿齿条方向做往复运动；弹簧(47)安装于直推齿条组(43)与挡片(42)之间；直线位移传感器(41)螺接于挡片(42)上，其推杆顶端与直推齿条组(43)端面连接，测量直推齿条组(43)与挡片(42)间距。
如附图1，丝杆步进电机(45)正向转动时，推动丝杆螺母(46)和卡环(44)向下运动，压缩弹簧(47)使得直推齿条组(43)向下运动，左滑块(21)与右滑块(31)相向运动至二者接触，左滑块(21)与右滑块(31)之间无夹紧力。
丝杆螺母(46)继续向下运动，弹簧(47)进一步压缩，左滑块(21)与右滑块(31)间夹紧力不断增大，直线位移传感器(41)的推杆拉伸量达到预定值，直线位移传感器(41)发送信号至丝杆步进电机(45)控制器，丝杆步进电机(45)停转。
丝杆步进电机(45)反向转动时，推动丝杆螺母(46)、卡环(44)和直推齿条组(43)向上运动；直推齿条组(43)通过左齿轮(23)、左滑动直齿条(22)、右齿轮(23)、右滑动直齿条(22)驱动左滑块(21)与右滑块(31)反向运动，直线位移传感器(41)的推杆被压缩，直至直线位移传感器(41)的推杆压缩量达到预定值，丝杆步进电机(45)停转。
左滑块(21)与右滑块(31)夹紧力与弹簧(47)压缩量呈线性函数，弹簧(47)的压缩量可依据直推齿条组(43)与挡片(42)间距计算得出。
丝杆步进电机(45)可依据直线位移传感器(41)信号调节弹簧(47)压缩量，进而实现左滑块(21)与右滑块(31)夹紧力的动态调节。
左滑块(21)与右滑块(31)夹紧力计算方法：
i＝r1/r2
f＝i·fk
式中，fk为弹簧内力，k为弹簧弹性系数，x0为弹簧初始压缩量(可手动调节)，n为丝杆步进电机所受到的脉冲数，α为丝杆步进电机的步距角，d为丝杆步进电机中丝杆螺距；i为丝杆步进电机至左右滑块的传动比，r1为滑动模块与直推模块(4)相接触齿轮的分度圆半径，r2为滑动模块与滑块相接触齿轮的分度圆半径；f为滑块压紧力。
1.一种弹性夹紧手指装置，包括上壳体(1)、左滑动模块(2)、右滑动模块(3)、直推模块(4)、下壳体(5)；其特征在于：所述左滑动模块(2)和右滑动模块(3)对称布置于上壳体(1)上方的滑轨之上，并沿滑轨方向做相向运动；直推模块(4)与左滑动模块(2)、右滑动模块(3)通过齿轮齿条啮合传动。
2.如权利要求1所述的一种弹性夹紧手指装置，其特征在于：所述上壳体(1)上设有滑块导轨(12)、左滑轨(13)、左齿轮轴安装孔(14)、左定位块(15)、右定位块(16)、右齿轮轴安装孔(17)、右滑轨(18)。
3.如权利要求1所述的一种弹性夹紧手指装置，其特征在于：所述左滑动模块(2)由左手指(21)、左滑块(22)、左滑动直齿条(23)、左齿轮(24)和左齿轮轴(25)组成；所述左滑块(22)与左滑动直齿条(23)连接，左滑动直齿条(23)侧方设置有滑槽，左滑动直齿条(23)沿上壳体(1)的滑轨方向做往复运动；左齿轮轴(25)安装于上壳体(1)、下壳体(5)之间，两个左齿轮(24)平行且同轴布置于左齿轮轴(25)上。
4.如权利要求1所述的一种弹性夹紧手指装置，其特征在于：所述右滑动模块(3)由右手指(31)、右滑块(32)、右滑动直齿条(33)、右齿轮(34)和右齿轮轴(35)组成；所述右滑块(32)与右滑动直齿条(33)连接，右滑动直齿条(33)侧方设置有滑槽，右滑动直齿条(33)沿上壳体(1)的滑轨方向做往复运动；右齿轮轴(35)安装于上壳体(1)、下壳体(5)之间，两个右齿轮(34)平行且同轴布置于右齿轮轴(35)上。
5.如权利要求1所述的一种弹性夹紧手指装置，其特征在于：所述直推模块(4)由直线位移传感器(41)、挡片(42)、直推齿条组(43)、卡环(44)、丝杆步进电机(45)、丝杆螺母(46)和弹簧(47)组成；所述直推齿条组(43)中齿条侧表面与上壳体(1)、下壳体(5)上的定位块接触，直推齿条组(43)沿齿条方向做往复运动；所述弹簧(47)安装于直推齿条组(43)与挡片(42)之间；所述直线位移传感器(41)连接于挡片(42)上，直线位移传感器(41)推杆顶端与直推齿条组(43)端面连接。
6.如权利要求1所述的一种弹性夹紧手指装置，其特征在于：所述丝杆步进电机(45)正向转动时，推动丝杆螺母(46)和卡环(44)向下运动，压缩弹簧(47)使得直推齿条组(43)向下运动，左滑块(21)与右滑块(31)相向运动至二者接触，左滑块(21)与右滑块(31)之间无夹紧力；丝杆螺母(46)继续向下运动，弹簧(47)进一步压缩，左滑块(21)与右滑块(31)间夹紧力不断增大，直线位移传感器(41)的推杆拉伸量达到预定值，直线位移传感器(41)发送信号至丝杆步进电机(45)控制器，丝杆步进电机(45)停转。
7.如权利要求1所述的一种弹性夹紧手指装置，其特征在于：所述丝杆步进电机(45)反向转动时，推动丝杆螺母(46)、卡环(44)和直推齿条组(43)向上运动；所述直推齿条组(43)通过左齿轮(23)、左滑动直齿条(22)、右齿轮(23)、右滑动直齿条(22)驱动左滑块(21)与右滑块(31)反向运动，直线位移传感器(41)的推杆被压缩，直至直线位移传感器(41)的推杆压缩量达到预定值，丝杆步进电机(45)停转。
8.如权利要求1所述的一种弹性夹紧手指装置，其特征在于：所述左滑块(21)与右滑块(31)夹紧力与弹簧(47)压缩量呈线性函数；弹簧(47)的压缩量可依据直推齿条组(43)与挡片(42)间距计算得出。
9.如权利要求1所述的一种弹性夹紧手指装置，其特征在于：丝杆步进电机(45)可依据直线位移传感器(41)信号调节弹簧(47)压缩量，进而实现左滑块(21)与右滑块(31)夹紧力的动态调节。
10.如权利要求1所述的一种弹性夹紧手指装置，其特征在于：左滑块(21)与右滑块(31)夹紧力f＝i·fk；i为丝杆步进电机至左右滑块的传动比，i＝r1/r2，r1为滑动模块与直推模块(4)相接触齿轮的分度圆半径，r2为滑动模块与滑块相接触齿轮的分度圆半径；fk为弹簧内力；
k为弹簧弹性系数，x0为弹簧初始压缩量，n为丝杆步进电机所受到的脉冲数，α为丝杆步进电机的步距角，d为丝杆步进电机中丝杆螺距。
技术总结