夹持器
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夹持器夹持器2.1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。
2.2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1.2——2.0，取1.5；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 , 20.02/111 1.0029.8a 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 fθ=，f 为摩擦系数，θ为V 型手指半角，此处粗略计算34K ≈,如图2.1图2.1G —被抓取工件的重量求得夹紧力NF ，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 177286sin16195.1534N F b a F N c ⨯⨯⨯===o，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0.8～0.9，此处取0.88，则：'195.15221.7620.88FF 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=4F 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2.1，圆整后取D=32mm 。
表2.1 液压缸的内径系列（JB826-66）（mm ）活塞杆直径 d=0.5D=0.5×40mm=16mm活塞厚 B=(0.6～1.0)D 取B=0.8d=0.7×32mm=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 ，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τπSd D Q⨯-⨯=)(422226121(3216)2060100.724/min 4qV A V L π-==⨯-⨯⨯⨯=夹紧时流量226111322060100.965/min 44SqV AV D L ππτ-==⨯=⨯⨯⨯⨯=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2.2夹持器液压缸技术参数图2.2 结构简图工作压力使用温度范围允许最大速度效率传动介质缸径 受压面积(2cm ) 速度比无杆腔 有杆腔 1MP a︒-10～+︒80300 m/s 90% 常规矿物液压油32 mm 12.58.61.45图2.3 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 2.4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2.5。
图2.5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 RX l l a βθθ=+--简化为：222221(sin cos )(sin )sin AB AB X R l l a θββθ=-+-该方程为双曲线方程，如图2.6：图2.6 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minX ，又从上式可以求出：0sin cos AB R l θβ=，通常取2120θ=omin sin AB X l β=若工件的半径maxR 变化到minR 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maxR 和minR 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epR 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epR ，以90BCD ∠=o为条件确定两支点回转型手爪的偏转角β，即下式：11cos [()]sin ep AB R a l βθ-=-其中290a mm =,86AB l mm =,V型钳的夹角2120θ=o代入得出： 1801cos [(45)]56.57sin 6086β-=-=o o则 0sin cos 86sin 60cos56.5741.02AB R l mmθβ==⋅⋅=o o则min 0maxR R R <<，此时定位误差为1∆和2∆中的最大值。
1∆=2∆=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：222221(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 2.7上图2.7中θ—斜楔角，θ＜30o 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 dDφφ=杠杆传动机械效率η取0.834，2tan φ取0.1，d D 取0.5，则可得θ=14.036o ,'290φγ<<o ，取整得θ=14o 。
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<<o ，见图 2.8图 2.8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=o 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 lL 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-o 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=o ，可得29076γθ=-=o o ，有图关系：图2.9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<o 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∆==+-+o o o ，150.623γ=o ，取150γ=o 。
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2.10 50(cos50cos76)82.850sin14L =-=o o o ，取83L =，则楔块上边长为18.686，取19mm.2.2.4材料及连接件选择V 型指与夹持器连接选用圆柱销/119.1GB T ，d=8mm, 需使用2个杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销/119.1GB T ，d=8mm, 需使用2个滚子与手指连接选用圆柱销/119.1GB T ，d=6mm, 需使用2个以上材料均为钢，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 。
