工业机器人末端夹持器设计.docx
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工业机器人末端夹持器设计
工业机器人末端夹持器设计
1工业机器人背景与发展趋势
工业机器人是一种高自动化的机电一体化设备，具有很高的技术附加值。
在大规模工业制造过程中，工业机器人是不可缺少的自动化装备。
目前国内大型加工制造企业对工业机器人的需求在日益增加。
机器人广泛应用于各行各业。
主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。
由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。
以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。
在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。
机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。
因此它的发展与上述学科发展密切相关。
机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。
机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。
我国的机器人研究开发工作始于20世纪70年代初，到现在已经历了30年的历程。
前10年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。
1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。
在机器人基础技术方面：
诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。
在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面：
诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品。
但这些元部件距批量化生产还有一段距离。
在机器人的应用工程方面：
目前国内已建立了多条弧焊机器人生产线，装配机器人生产线，喷涂生产线和焊装生产线。
国内的机器人技术研发力量已经具备了大型机器人工程设计和实施的能力，整体性能已达到国际同类产品的先进水平，具有很好的性能价格比和市场竞争力。
我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。
随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。
我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。
据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等，年需求此类自动化线就达300多条，产值约为上百亿元人民币。
我国现有主要生产工业机器人厂家其生产规模较小，这与当前市场需求有较大差距。
生产规模达到大批量生产能力，才能提高机器人的稳定性、可靠性及降低成本，才能占领国内市场。
目前主要生产第一代示教再现型机器人。
随着建筑施工、石化、食品、核工业、水下、高空及微加工行业的需求，将推出一批新机型，如大负载、高精度、无人飞行器以及家用等。
目前正在逐步建立上海、沈阳、北京机器人及其自动化生产线产业基地，开发出一批有市场前景的，具有自主知识产权的机器人及其自动化生产线产品。
进一步加强与外企合作，引入先进技术及资金使我国成为国际生产机器人基地，占领国内市场，走向世界。
2设计要求
1应具有适当的夹持力与驱动力；
2手指应具有一定的开闭范围；
3应保持工件在手指内的夹持精度；
4要求结构紧凑，重量轻，效率高；
5应考虑通用性和特殊性。
设计参数及要求
1采用手指式夹持器，执行动作为抓紧-放松；
2所要抓紧的工件直径为80mm，放松时的两爪的最大距离为110-120mm,1s抓紧，夹持速度为20mm/s;
3工件的材料为45钢，质量为5kg;
4夹持器具有足够的夹持力；
5夹持器靠法兰联接在手臂上，由液压缸提供动力。
3夹持器结构设计
图1-1
契块杠杆式回转型夹持器
1-杠杆2-弹簧3-滚子4-契块5-液压缸
图1-1的驱动器采用液压缸。
当液压缸5将栔块4向前推进时，栔块4上的斜面推动杠杆1，是两个手爪产生夹紧动作和夹紧力。
但栔块4后移时，考弹簧2的拉力使手指松开。
装在杠杆1上端的滚子3与栔块4为滚动接触。
4夹紧装置设计
4.1夹紧力计算
手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小，方向，作用点进行分析，计算。
一般来说，夹紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按下列公式计算：
Fn≥K1K2K3G
式中：
K1-安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定，通常取1,2-2,0，取1.5：
K2-工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大速度，得出工作情况系数，K2=1+a/g=1+0.02/9.8=1.002,a为机器人搬运工件的加速度或减速度的绝对值（m/s）：
K3-方位系数，根据手指与工件的形状及手指与工件位置不同进行选定，
手指与工件位置：
手指水平放置工件竖直放置；
手指与工件形状：
V型指端加持圆柱型工件，
K3=0.5sinө/f,f为摩擦系数，为V型手指半角，此处粗略计算K3=4，如图
图1-2
G-被抓去工件的重量
球的夹紧力Fn=K1K2K3Mg=176.75N,取整为177N。
4.2驱动力计算
根据驱动力和夹紧力之间的关系式；
Fn=Fc/2bsina
式中：
c-滚子至销轴之间的距离；
b-爪至销轴之间的距离；
a-块的倾斜角
可得F=2Fnbsina/c=177x2x86xsin16/34=195.15N,得出F为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力F要大于理论值，考虑手爪的机械效率η,一般取0.8-0.9，此处取0.88，则：
F=F/η=195.15/0.88=221.752，取F=500N
5液压传动设计
5.1液压缸驱动力计算
设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹持器，液压缸为单作用缸，提供推了：
F推=πD²p/4
式中D—活塞直径
d—活塞杆直径
P—驱动力矩，
F推=F,已知液压缸动力F，且F=500N<10KN
由于F<10KG,故选工件压力P=1MPa
据公式计算可得液压缸内径：
D=√4F/πP=√4×500/3.14=25.213mm
根据液压缸设计手册，见表5.1圆整后取D=32mm。
表5.1液压缸的内径系列（JB826—66）（mm）
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
活塞杆直径d=0.15D=0.4x40mm=16mm
活塞厚B=（0.6—1.0D取B=0.8d=0.7x32mm=22.4mm.取23mm.
缸筒长度L<（20-30）D取L为123mm
活塞行程，当抓取80mm工件时，即手爪从张开120mm减小到80mm，契块向前移动大约40mm。
去液压缸行程S=40mm。
液压缸流量计算：
放松时流量
Q=π×（D²-d²）×s/4τ
qV1=A2V1=π×（32²-16²）×20×60/10ˉ=0.724L/min
夹紧是流量
qV1=A1V1=π×D²×s/4τ=0.965L/min
5.2选用夹持器液压缸
根据数据综合比较选择轻型拉杆液压缸，型号为：
MOB-B-83-FB,结构简图，外形尺寸及技术参数如下：
表5.2夹持器液压缸技术参数
工作
压力
使用温度范围
允许最大速度
效率
传动介子
缸径
受压面积（cm）
无杆腔有杆腔
速度比
1MPa
-10—+80
300m/s
90%
常规矿物液压油
32mm
12.58.6
1.45
油压缸‘MOB’系列结构简图
图1-3结构简图
NO
零件名
材料
1
活塞杆
S45C
2
轴用油杯
NBR
3
轴用油封
NBR
4
O型环
NBR
5
橡胶活塞环
NBR
6
弹簧滑丝
S45C
7
螺帽
S45C
NO
零件名
材料
1
前盖
FC-25
2
钢管
STKM-13
3
固定柱子
S20C
4
O型环
NBR
5
活塞本体
FC-25
6
后盖
FC-25
缸径
A
B
C
D
DE
E
F
G
H
N
I
J
K
S
Z
PT
Ø32
35
16
M14X1.5
52
36
28
10
15
25
25
53
100
M8
50
153
ZG1/4
40
40
20
M16X1.5
64
45
28
17
20
30
30
65
110
M8
50
175
ZG3/8
50
45
20
M16X1.5
70
50
28
17
20
30
30
65
110
M10
50
175
ZG3/8
63
55
25
M22X1.5
85
60
40
20
30
31
31
90
112
M10
50
202
ZG3/8
80
62
32
M26X1.5
106
74
40
20
32
37
37
92
129
M12
55
221
ZG1/2
100
78
40
M30X1.5
122
89
45
20
32
37
37
97
154
M14
80
251
ZG1/2
125
85
50
M40X2
147
110
55
25
35
44
44
115
168
M16
80
283
ZG1/2
160
100
60
M52X2
188
145
65
30
35
55
55
130
190
M20
80
320
ZG3/4
MOB系列B型标准油缸
图1-4外形尺寸
5.3液压驱动过程
图1-5
6手爪的加持误差即分析
机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度（由手部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。
特别是在多产品种的中，小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图1-6，从而使夹持误差控制在较小的范围内。
在机械加工中，通常情况是手爪的加持误差不超过±1mm，手部的最终误差取决于手部装置加工精度和控制系统补偿能力。
图1-6
加持不同直径工件时的夹持误差
R1、R2-工件半径C1C2=Δ
工件直径为80mm，尺寸偏差±5mm，则Rmax=42.5mm,Rmin=37.5mm,Rcp=40mm.
本设计为砌块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图1-7
图1-7
若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有：
X=√lab+（R/sinϴ）²-2lab·R·cosβ/sinϴ-a²
X=
该方程为双曲线方程，如图1-8：
图1-8工件半径与夹持误差Δ关系曲线
由上图得，当工件半径为Ro时，X取最小值。
Xmin，又从上式可以求出：
Ro=labxsinөxcosβ,通常取2ө=120˚
Xmin=labxsinβ
若工件半径Rmax变化Rmin到时，X值得最大变化量，即为夹持误差，用Δ表示。
在设计中，希望按给定的Rmax和来Rmin确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大，另一方面可选取合适的偏转角β，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。
只有当工件平均半径Rcp取为Ro时，夹持误差最小。
此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当a值较大时），偏转角β的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪BE和BE边平行，抓不着工件。
为了避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径Rcp，以∠BCD为条件确定两支点回转型手爪的偏转角β，即下式:
其中2a=90mm,lab86mm,V型钳的夹角2ө=120˚
代入得出：
β=56.57˚
则Ro=lab×sinөcosβ=86sin60˚cos56.57˚=41.02mm
则RminΔ1=
Δ2=
分别代入得：
Δ1=0.0256mmΔ2=0.1482mm
所以Δ=0.1482mm<1mm,夹持误差满足设计要求。
由以上各值可得：
X=√
7栔块设计
7.1栔块等尺寸的确定
栔块进入杠杆手指时的力分析如下：
图1-9
上图1-9中
θ-斜栔角，θ<30˚时有增力作用；
Ø—滚子与斜契面间当量摩擦角，tanϕ'2=（d/D）tanϕ2,ϕ2为滚子与转轴间的摩擦角，d为转轴直径，D为滚子外径，tan=f2,f2为滚子与转轴间摩擦系数；
γ-支点O至斜面垂线与杠杆的夹角；
l-驱动端杆长；
l'-杠杆夹紧端杆长；
η-杠杆传动机械效率
7.2斜栔的传动效率
斜栔的传动效率可以由下式表示:
η=sinθ/sin（θ+ϕ'2）tanϕ'2=d×tanϕ2/D
杠杆传动机械效率η取0.834，tanϕ2取0.1，d/D取0.5，则可得θ=14.036˚，
ϕ'2<γ<90˚,取整的θ=14˚
7.3动作范围分析
阴影部分杠杆手指的活动范围，即ϕ'2<γ<90˚，见图2-1
图2-1
如果，则栔面对杠杆的作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所以必须大于。
此外，当时，杠杆与斜面平行，成直线接触，且与回转支点在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。
7.4斜栔驱动行程与手指开闭范围
当斜栔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为L,此时对应的杠杆手指由位置转到位置，其驱动行程可用下式表示：
L=（l×cosγ1-l×cosγ2）/sinθ
杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为：
Δs=l'[cos（γ1+θ）-cos（γ1+θ）]
通常状态下，γ2在90˚-θ左右范围内，γ1则由手指需要的开闭范围来确定。
由给定的条件可知Δs最大为55-60mm，最小设定为30mm。
即30<Δs<（50-60）.以知，可得，有图关系；
图2-2
可知：
栔块下边为60mm，支点O距离中心线30mm,且有30/（l+l'）=tanθ
解的：
l+l'=120
7.5l与l'的确定
斜栔传动比i可由下式'表示：
I=（Δ·l'）/L=（l'·sinθ）/（l·sinγ）
可知θ一定时，l'/l愈大，i愈大，且杠杆手指的转角γ在γ<90˚范围内增大是，传动比减小，即斜栔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由l+l'=120分配距离为：
l=50,l'=70。
7.6γ1确定
由前式的：
Δs=（60-30）=30
Δs=70·[cos（γ1+14˚）-cos（76˚+14˚）],γ1=50.623˚,取整γ1=50˚。
7.7L确定
L为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有下图中关系
图2-3
L=50·（cos50˚-cos76˚）/sin14˚=82.850,取L=83，则栔块上边长为18.686，取19mm.
8材料及连接件选择
V型指与夹持器连接选用圆柱销GB/T119.1，d=8mm,需要使用2个
杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销GB/T119.1，d=8mm,需要使用2个
滚子与手指连接选用圆柱销GB/T119.1，d=6mm,需使用2个
以上材料均为钢，无淬火和表面处理
栔块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径12mm，螺距p=1,旋和长度为10mm。
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