夹持器

夹持器
夹持器设计的基本要求
（1）应具有适当的夹紧力和驱动力； （2）手指应具有一定的开闭范围； （3）应保证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要求。

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 放松时的两抓的最大距离为110-120mm/s ， 1s 抓紧,夹持速度20mm/s ；
（3）工件的材质为5kg ，材质为45#钢； （4）夹持器有足够的夹持力；
（5）夹持器靠法兰联接在手臂上。

由液压缸提供动力。

夹持器结构设计 2.2.1夹紧装置设计. 2.2.1.1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，加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）以使工件保持可靠的加紧状态。

手指对工件的夹紧力可按下列公式计算：
123N F K K K G
2-1
式中：
1K —安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取——，取；
2K —工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况
系数2K , 20.02/1
11 1.0029.8
a K g =+=+=，a 为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s ）；
3K —方位系数，根据手指与工件形状以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 工件垂直放置； 手指与工件形状：V 型指端夹持圆柱型工件，
30.5sin K f
θ
=
，f 为摩擦系数，θ为V 型手指半角，此处粗略计算34K ≈,如图
图
G —被抓取工件的重
量
求得夹紧力
N
F ，
123 1.5 1.002439.8176.75N F K K K Mg N
==⨯⨯⨯⨯=，取整为177N 。

2.2.1.2驱动力力计算
根据驱动力和夹紧力之间的关系式：
2sin N Fc
F b a
=
式中：
c —滚子至销轴之间的距离； b —爪至销轴之间的距离；
a —楔块的倾斜角
可得2sin 177286sin16
195.1534
N F b a F N c ⨯⨯⨯===，得出F 为理论计
算值，实际采取的液压缸驱动力'
F 要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率η，一般取～，此处取，则：
'195.15
221.7620.88
F F N η
=
=
= ，取'500F N = 2.2.1.3液压缸驱动力计算
设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力：
2=
4
F D p π
推
式中 D ——活塞直径 d ——活塞杆直径 p ——驱动压力，
'F F =推,已知液压缸驱动力'
F ，且'50010F N KN =<
由于'
10F KN <，故选工作压力P=1MPa
据公式计算可得液压缸内径：
25.231D mm
===
根据液压设计手册,见表，圆整后取D=32mm 。

表 液压缸的内径系列（JB826-66）（mm ）
活塞杆直径 d==×40mm=16mm
活塞厚 B=～D 取B==×32mm=,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 ，楔快向前移动大约40mm 。

取液压缸行程S=40mm 。

液压缸流量计算： 放松时流量
τ
π
S
d D Q ⨯
-⨯=
)(4
22
226121(3216)2060100.724/min 4
qV A V L π
-==⨯-⨯⨯⨯=
夹紧时流量
226111322060100.965/min 4
4
S
qV AV D L π
π
τ
-==
⨯
=
⨯⨯⨯⨯=
2.2.1.4选用夹持器液压缸
温州中冶液压气动有限公司所生产的轻型拉杆液压缸
型号为：MOB-B-32-83-FB ，结构简图，外形尺寸及技术参数如下：
表夹持器液压缸技术参数
图结构简图
图外形尺寸
2.2.2手爪的夹持误差及分析
机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位精度（由臂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2-4，从而使夹持误差控制在较小的
，手部的最终误差取范围内。

在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过1mm
决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。

图
工件直径为80mm ，尺寸偏差5mm ±，则
max 42.5R mm
=，
min 37.5R mm
=，
40ep R mm
=。

本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图。

图
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：
22
(
)2cos sin sin AB AB R R
X l l a βθθ=+--
简化为：
2222
2
1(sin cos )(sin )sin AB AB X R l l a θββθ=
-+-
该方程为双曲线方程，如图：
图 工件半径与夹持误差∆关系曲线
由上图得，当工件半径为
R 时，X 取最小值
min
X ，又从上式可以求出：
0sin cos AB R l θβ=，通常取2120θ=
min sin AB X l β
=
若工件的半径
max
R 变化到
min
R 时，X 值的最大变化量，即为夹持误差，用∆表示。

在设计中，希望按给定的
max
R 和
min
R 来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。

只有当工件的平均半径
ep
R 取为
R 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，两手爪的BE 和''
B E 边平行，抓不着工件。

为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径
ep
R ，以90BCD ∠=为条件确定两支点回转型手爪的偏转角β，即下式：
1
1
cos [(
)
]
sin ep AB R a l βθ
-=-
其中290a mm =,
86AB l mm =,V
型钳的夹角2120θ=
代入得出： 1801
cos [(
45)]56.57sin 6086β-=-=
则 0sin cos 86sin 60cos56.5741.02AB R l mm
θβ==⋅⋅=
则
min 0max
R R R <<，此时定位误差为
1
∆和
2
∆中的最大值。

2
222
22
max min 1(
)2cos sin sin sin AB AB AB R R l l a l a ββθθ∆=+----
2
222
22
min min 2(
)2cos sin sin sin AB AB AB R R l l a l a ββθθ∆=+----
分别代入得：
10.0256mm
∆=，
20.1482mm
∆=
所以，0.14821mm mm ∆=<，夹持误差满足设计要求。

由以上各值可得：
22222
1(sin cos )(sin )55.9254sin AB AB X R l l a mm θββθ=
-+-=
取值为56X mm =。

2.2.3楔块等尺寸的确定
楔块进入杠杆手指时的力分析如下：
图
上图中
θ—斜楔角，θ＜30时有增力作用；
'2φ—滚子与斜楔面间当量摩擦角，'22tan ()tan d D φφ=，2φ为滚子与转轴间的摩擦角，d 为转轴直径，D 为滚子外径，22tan f φ=，2f 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 —杠杆驱动端杆长；
'l —杠杆夹紧端杆长；
η—杠杆传动机械效率
2.2.
3.1斜楔的传动效率
斜楔的传动效率η可由下式表示：
'2sin =
sin()
θηθφ+ '22tan tan d
D
φφ=
杠杆传动机械效率η取，2tan φ取，d D 取，则可得θ=14.036, '290φγ<<，取整得θ=14。

2.2.
3.2动作范围分析
阴影部分杠杆手指的动作范围，即'290φγ<<，见图
图
如果'2γφ=，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所以γ必须大于'2φ。

此外，当90γ=时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，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。

2.2.3.3斜楔驱动行程与手指开闭范围
当斜楔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1γ位置转到2γ位置，其驱动行程可用下式表示：
1212cos cos (cos cos )sin sin l l l
L γγγγθθ
-=
=-
杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为：
'12[cos()cos()]s l γθγθ∆=+-+
通常状态下，2γ在90θ-左右范围内，1γ则由手指需要的开闭范围来确定。

由给定条件可知最大s ∆为55-60mm,最小设定为30mm.即30(5060)s <∆<-。

已知14θ=，可得
29076γθ=-=，有图关系：
图
可知：楔块下边为60mm ，支点O 距中心线30mm ，且有
'30()
tg l l θ=+，解得：'120l l += 2.2.3.4l 与'l 的确定
斜楔传动比i 可由下式表示：
''sin sin l l i L l θγ∆⋅== 可知θ一定时，'l l 愈大，i 愈大，且杠杆手指的转角γ在90γ<范围内增大时，传动比减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由'120l l +=分配距离为：50l =，'70l =。

2.2.
3.51γ确定
由前式得：
(6030)30s ∆=-=
13070[cos(14)cos(7614)s γ∆==+-+，150.623γ=，取150γ=。

2.2.
3.6L 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
50(cos50cos76)82.850sin14
L =
-=，取83L =，则楔块上边长为，取19mm.
2.2.4材料及连接件选择
GB T，d=8mm, 需使用2个
V型指与夹持器连接选用圆柱销/119.1
GB T，d=8mm, 需使用2个杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销/119.1
GB T，d=6mm, 需使用2个
滚子与手指连接选用圆柱销/119.1
以上材料均为钢，无淬火和表面处理
楔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，旋合长度为10mm。