夹持器
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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：
123NFKKKG 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, 20.02/1111.0029.8aKg，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，
30.5sinKf，f为摩擦系数，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NF ，1231.51.002439.8176.75NFKKKMgN，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：
2sinNFcFba
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2sin177286sin16195.1534NFbaFNc，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，一般取～，此处取，则：
'195.15221.7620.88FFN ，取'500FN
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=4FDp推
式中 D——活塞直径
d——活塞杆直径
p——驱动压力，
'FF推,已知液压缸驱动力'F，且'50010FNKN
由于'10FKN，故选工作压力P=1MPa
据公式计算可得液压缸内径：
'4450025.2313.141FDmmmmp
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）
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==×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
SdDQ)(422
226121(3216)2060100.724/min4qVAVL
夹紧时流量
226111322060100.965/min44SqVAVDL
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
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
1MPa 10～+80 300 m/s 90% 常规矿物液压油 32
mm 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，手部的最终误差取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max42.5Rmm，min37.5Rmm，40epRmm。
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()2cossinsinABABRRXlla
简化为： 222221(sincos)(sin)sinABABXRlla
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0R时，X取最小值minX，又从上式可以求出：
0sincosABRl，通常取2120
minsinABXl
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，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0R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''BE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为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式：
11cos[()]sinepABRal
其中290amm,86ABlmm,V型钳的夹角2120
代入得出：
1801cos[(45)]56.57sin6086
则 0sincos86sin60cos56.5741.02ABRlmm
则min0maxRRR，此时定位误差为1和2中的最大值。
222222maxmin1()2cossinsinsinABABABRRllala
222222minmin2()2cossinsinsinABABABRRllala
分别代入得：
10.0256mm，20.1482mm
所以，0.14821mmmm，夹持误差满足设计要求。
由以上各值可得：
222221(sincos)(sin)55.9254sinABABXRllamm
取值为56Xmm。
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 —斜楔角，＜30时有增力作用；
'2—滚子与斜楔面间当量摩擦角，'22tan()tandD，2为滚子与转轴间的摩擦角，d为转轴直径，D为滚子外径，22tanf，2f为滚子与转轴间摩擦系数;
—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；
—杠杆传动机械效率
2.2.3.1斜楔的传动效率
斜楔的传动效率可由下式表示：
'2sin=sin() '22tantandD
杠杆传动机械效率取，2tan取，dD取，则可得=14.036, '290，取整得=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'290，见图
图 如果'2，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，所以必须大于'2。此外，当90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1位置转到2位置，其驱动行程可用下式表示：
1212coscos(coscos)sinsinlllL
杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为：
'12[cos()cos()]sl
通常状态下，2在90左右范围内，1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14，可得29076，有图关系：
图
