工业机器人的末端执行器结构分析综述Word文件下载.docx
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因此,如何在现有的末端执行器机构的性能并从国情出发,研制出能满足各种作业要求,实用可靠,结构简单,造价低廉的末端执行器是我们的主要任务。
1末端执行器的设计要求及分类[2]
1.1设计要求
（1）不论是夹持或吸附,末端执行器需要有满足作业需要的足够的夹持（吸附）力和所需的夹持位置精度。
（2）应尽可能使末端执行器结构简单和紧凑，质量轻，以减轻手臂负荷。
专用的末端执行器结构简单，工作效率高，而能够完成各种作业的“万能”末端执行器可能带来结构复杂，费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器.。
下面是末端执行器的要素-特征-参数的联系的示意图：
[3]
1.2结构分类
工业机器人中应用的机械式夹持器多为双指头爪式，按其手指的运动可以分为平移型和回转型。
按照夹持方式来分可以分为外夹式和内撑式.本文是按照结构特性来进行分类的，可分为电动（电磁）式、液压式和气动式，以及他们的组合。
下面的内容将对常见的结构进行详细地分析。
[2]
2常见末端执行器的结构原理分析
2.1机电结合型末端执行器[4]
图片清晰黑白图象，分辩率建议为600dpi
如前所述，要扩大机器人应用领域,要提高机器人效率,要解决机器人的通用性与专用性矛盾,首先要加强新型夹持器机构的研究，并且把常见结构的要素和优点结合起来，开发出实用和经济的末端执行器。
下面介绍一种爪型的机、电、传感器结合的新型夹持器。
该机构的结构如图1所示。
它是由锥形螺杆2、爪指9及爪指滑动导槽10三者组成一螺旋机构。
其工作原理是:
当电机驱动锥形螺杆顺时针转动时,与之旋合的爪指沿其导槽所在的半径方向
向内移动,夹紧工件,直至工件上承受的夹紧力达
到设计值时,指端的压觉和滑觉传感器发出信号,
控制系统控制电机停转;
释放工件时,由控制系统
发出信号,使电机带动锥形螺杆反转即可。
上述为
抓取实心工件的动作。
该机构还可作为内撑式夹持机构,如抓取管材时,爪指的抓放动作与之相反。
若用于拧紧螺母时,首先用该机构将螺母套在螺栓上,后驱动锥形螺杆顺时针转动,由于螺母已被夹紧,故爪指不再向内滑动,螺母、爪指及壳体连成一体旋转,拧紧螺母,直至满足螺栓预紧力的要求,由指端传感器发出信号,控制系统迫使电机停转。
.在该机构壳体的圆周方向上除相隔120°
布置三个爪指导槽外,另在与其中一爪指导槽相隔180度处开有另一个爪指导槽,其目的是根据需要该机构可由三爪转换成二爪使用。
另外在指端还可快速更换不同型式的手爪,以适应不同形状和尺寸的工件要求。
锥形螺杆2是夹持器的关键零件,其锥角的选取与夹持器所能夹持的工件最大重量和最大尺寸有关。
锥角设计得越小,夹持器所能产生的夹紧力与夹持工件的尺寸范围越大,但锥角过小会影响爪指沿径向运行的夹持速度,所以锥角不能设计得太小,最好取在20°
～30°
范围内（推导从略）。
该爪型夹持器的锥角为30°
所能夹持的工件最大重量为25kg,工件最大尺寸:
柱类为150mm,管类内径为200mm。
该机构为可换爪指的平移式夹持器机构,即根据抓取工件的轮廓外形,可选换该机构的爪指数目,或用三指,或换成二指。
在抓取工件时,爪指同时在半径方向做伸缩运动,确保夹持中心线不变。
其主要特点是:
（1）保证工件准确定心、定位,定位误差为零。
即工件定位精度不受工件直径的变化影响。
（2）有足够的开闭距离,便于抓取和退出物
体。
（3）具有足够的夹紧力。
因为该机构具有自锁性,所以在驱动力突然去掉的情况下以及受振动和由于工件本身的重量及移动过程中产生的惯性力时,决不会自行松开而脱落,夹紧可靠。
（4）通过力反馈装置控制电机运转以实现对
夹紧力的控制,从而使夹紧力的大小适宜。
（5）在保证本身刚度、强度的前提下,结构紧
凑重量轻,以利于减轻臂部的负载。
（6）可适应被抓取对象的多种要求,并具有一定的通用性。
如为了适应不同形状和尺寸的工件
要求,可更换不同的爪指部件:
V型钳口、圆弧形二指或三指等,从而扩大了该机构的使用范围。
该机构的主要功能为:
（1）能够夹持各种形状的实体工件如方形、柱形、球形、多边形等,对工件轮廓和形状的适应性较强。
（2）可作为内撑式夹持机构夹持各种管状类零件。
（3）可拧紧螺母,并能控制螺栓的预紧力。
类似的还有下面的一个半导体处理机器人的手臂,它的手臂上安装了一个集成的具有定向组件和检测组件的边缘夹持器该定向组件的操作以旋转为基准在检测组件上进行标记.检测组件检测标记的位置并且把到处的信息集成在边缘夹持器的相对方向上.其结构图如下:
[5]
2.2液压式末端执行器
（1）.液压夹持器的分类和特点
1）常闭式夹持器：
依靠弹簧的预紧力夹紧钻具，液压松开。
在不工作时，处于夹紧钻具状态。
常用在钻进大角度倾斜孔的钻机上。
其基本结构为一组经过预压缩的弹簧作用在斜面或杠杆等增力机构上，使卡瓦座产生轴向移动，带动卡瓦径向移动，夹紧钻具；
高压油进入卡瓦座与外壳形成的液压缸，进一步压缩弹簧，使卡瓦座和卡瓦产生反向运动，松开钻具。
此类夹持器结构紧凑，工作可靠。
夹持力大小取决于弹簧预紧力，不受油压变化的影响，而且可在突然停电时实现快速、可靠地夹紧钻具，防止跑钻事故。
本文设计的夹持器即属于此种类型。
例如：
一组经过预压缩的弹簧作用在斜面（如图1-1卡瓦座）或杠杆等增力机构上,使卡瓦座产生轴向移动,带动卡瓦径向移动,夹紧钻具;
高压油进入卡瓦座与外壳形成的油缸,进一步压缩弹簧,使卡瓦座和卡瓦产生反向运动,松开钻具。
1—外壳;
2—卡瓦座;
3—卡瓦;
4—碟形弹簧;
5—主轴
图1-1 斜面增力常闭式夹持器
此类夹持器结构紧凑、工作可靠、夹持力取决于弹簧预紧力不受油压变化的影响。
可在突然停电时实现快速、可靠地夹紧钻具,防止跑钻事故。
2）常开式夹持器：
一般采用液压夹紧、弹簧松开的方式，在不工作时处于松开状态。
这种夹持器的结构与常闭式夹持器相似，不同的是弹簧和液压缸使卡瓦产生的运动方向与常闭式相反。
夹持器靠液压缸的推力产生夹持力，油压的下降将直接引起夹持力的下降，一般需在油路上设置性能可靠的液压锁来保持油压[6]。
3）液压松紧型夹持器：
夹紧、松开都由液压实现，两侧液压缸进油口分别通高压油时，卡瓦跟随活塞运动向中心收拢，夹紧钻具，改变高压油入口，卡瓦则背离中心，松开钻具[7]。
此类夹持器结构较为简单，但夹紧力容易受油压变化影响，当出现断电等异常情况时存在一定的安全隐患。
4）复合式液压夹持器：
有主液压缸和副液压缸，副液压缸侧连接一组碟簧，当高压油进入主液压缸，推动主液压缸缸体移动，通过顶柱将力传给副液压缸侧的卡瓦座，碟簧被进一步压缩，卡瓦座移动；
同时，主液压缸侧卡瓦座在弹簧力作用下移动，松开钻具。
需要夹紧时，副液压缸在油路上与动力头反转相连，当钻机反转拧卸钻具时，高压油进入副液压缸，副液压缸活塞对卡瓦座产生推力，与压缩的碟簧共同作用夹紧钻具[6]。
复合式液压夹持器开口量大、开启压力低、体积小、性能可靠，可以实现突然断电时钻具夹紧，但其结构设计比较复杂，重量非对称布置，在某些特定的使用场合可能引起一定的偏载。
（2）新型液压夹持器的设计
1）主要结构及工作原理
本文设计的碟簧液压夹持器属于常闭型，其内部结构如图2-1所示，采用上、下、左、右4个夹头，但只有上、下夹头的卡瓦内侧圆弧面与钻杆表面为30。
接触（非整段圆弧全接触）。
左、右夹头的夹头端与上、下夹头通过9。
力放大斜面接触，另一端通过内螺纹分别与左、右液压缸的活塞杆连接。
左、右夹头两侧均有液压缸和碟簧对称布置，因碟簧安装好后已有一定的压缩变形产生预紧力，故图2-1中只标出其安装位置。
在碟簧弹力的作用下，左、右夹头向中间靠拢，通过9。
力放大斜面传递压力给上、下夹头，使上、下夹头也向中间靠拢，夹
1.液压缸壳体2．螺母3．缸头4．活塞杆5．左侧碟簧安装位置6．拉杆7．左夹头8．上夹头9．钻杆10．下夹头11．右夹头12．右侧碟簧安装位置
图2-1夹持器内部结构
紧钻杆。
需要松开钻杆时，左、右液压缸有杆腔同时进油，在液压力的作用下推动活塞向无杆腔运动，左、右活塞分别带动与之相连的左、右夹头向两侧运动，左、右夹头与上、下夹头的斜面接触部分减少，上、下夹头松开钻杆。
两侧液压缸端盖的法兰通过拉杆和螺母拉紧。
夹头和碟簧部分的外部有固定夹头套（见图2-2夹持器外部结构），使之与外界隔开，不仅可以起到防尘、储油的作用，而且可以对主液压缸进行限位，防止压平碟簧，确保安全。
调节螺栓上的螺母，可调节碟簧预紧力的大小，并可对卡瓦和钻杆的磨损进行补偿。
图2-2夹持器外部结构
2）设计计算
a.夹持能力计算
工作要求：
钻杆最大钻人深度l=80m，转矩=1500N·
m，钻杆直径d=50mm，钻杆单位长度质量q=6.56kg／m。
文中设计夹持器用于拆卸钻杆时夹紧作用，正常钻进时夹持器不工作，因此夹持器只承受进人岩层部分钻杆的重量，与动力部分连接的最后端一截钻杆及钻头重量由夹紧卡盘和机架承受。
钻垂直孔，拆卸钻杆时，所需夹持器的夹紧力为最大，设计计算按极限情况考虑，此时夹持器
要克服两个方向的力[7]。
克服钻杆自重:
[7]
夹持所需最大摩擦力
f1=G=qlg=6.56×
80×
10=5248N
（1）
式中：
．
f1---竖直方向最大摩擦力，N；
G---钻杆自重，N；
q---钻杆单位长度质量，kg／m；
l——钻杆总长度，m。
克服卸钻杆时的转矩:
正常工作时转矩M=1500N·
m，卸钻杆时转矩M2=1.2M1=l800N·
m。
因为
f2×
d/2=M2，得卸钻杆时所需最大摩擦力
f2=2M2/d=72000N
（2）
总的摩擦力合力
f=√（f12+f22）=72191N（3）
取摩擦系数μ=0.4，满足要求的夹紧正压力
FN=f/μ=180478N（4）
上、下夹头与钻杆为30。
接触，有4个接触点，钻杆受力分析如图3所示。
故夹头与钻杆4个接触点处反作用力
图3钻杆受力分析
F1=F2=F3=F4=1/4FN=45119.5N（5）
以上夹头为研究对象，受力分析见图4。
建立竖直方向的力平衡方程：
图4上夹头受力分析
FH+2Ffsin9。
=2FN1COS9。
（6）
FN一夹紧力的反作用力在竖直方向的合力，
FH=2F1sin30。
=F1=45119.5N；
上夹头与左、右夹头接触面的摩擦力，
Ff=μFN1,因采用T10材料，摩擦系数μ=0.15；
FN1---9。
力放大斜面间的正压力。
由式（6）可得：
FN1=23445N，摩擦力Ff=3516.75N。
以右夹头为研究对象，受力分析如图5所示。
图5右夹头受力分析
建立水平方向的力平衡方程：
Fmin=2sin9。
+2Ffcos9。
（7）
Fmin一夹紧所需的最小碟簧力；
FN2---9。
力放大斜面间的支持力，根据作用力与反作用力原理，FN2=FN1=23445N；
同理，Ff=3516.75N。
由式（7）计算得出:
Fmin=14282N。
b.碟簧及液压缸选取
采用浮动双液压缸和碟簧组合的结构，碟簧夹紧，液压放松。
液压缸与蝶簧的选择，要综合考虑碟簧参数及各部分尺寸协调，满足碟簧力F既要大于夹紧钻杆所需的最小碟簧力Fmin，又要小于液压缸压力Fμ。
选用碟簧
蝶簧标记为：
碟簧Bl12一lGB／T1972-1992，选择B系列：
D/t≈28，h0/t≈0．75，E=206GPa，μ=0.3[8]。
参数为：
碟簧外径D=112mm，内径d=57mm，厚度t=4mm，压平时变形量h0=3.2mm，其自由高度7.2mm，碟簧力F=17800N，正常变形量2.4mm。
选用10个，总变形量可达24mm。
2）选用液压缸
选用液压缸φ125mm，活塞杆φ4Omm，端部法兰连接孔4一φl8（所需行程较小且受安装位置限制）。
选择系统油压p=8MPa，产生的液压缸压力：
Fp=80×
π/4×
（12.52-42）×
10=88077N，
满足条件：
Fmin=14282N<
F=17800N<
Fp=88077N。
3）结构尺寸校核
满足夹紧所需最小碟簧力时，每个碟簧被压缩1.9mm，碟簧组总共被压缩约19mm。
活塞总行程40mm，在极限位置时，安装碟簧组的位置空间为75mm，10个碟簧自然长度为72mm，满足安装条件。
碟簧组的预压缩量由安装保证，液压缸有杆腔进油，活塞移动3mm，开始接触碟簧，继续移动19mm，压缩碟簧组，两侧碟簧组分别被压缩到位后，将拉杆穿过液压缸法兰，由螺母锁紧固定，夹紧钻杆。
放松钻杆时，在有杆腔油压的作用下，推动活塞分别向左右两侧移动，碟簧组继续被压缩5mm。
碟簧完全压平时，总变形量为32mm，小于活塞总行程40mm，整体设计满足结构和功能要求。
（3）夹紧力动态仿真
1）软件介绍
依据工况和设计要求，采用SolidWorks软件[9]进行三维结构设计，然后用COSMOSMotion软件[10]进行运动和动力学仿真分析。
COSMOSMotion是基于SolidWorks的虚拟原型工具，其用户界面是SolidWorks界面的无缝扩展，它使用Solidworks数据存储库，不需要Solidworks数据的复制、导出，可进行三维动力学仿真分析。
在COSMOSMotion中，装配约束将自动转化为仿真模型约束，添加必要的驱动力、工作阻力以及COSMOSMotion特有的其他约束，建立仿真模型，就可以模拟机械运行状况，对机器进行运动和动力分析。
仿真结果可以用动画、图形、数据等多种形式输出。
2）仿真分析
为了确保夹紧机构设计的合理性和有效性以及验证夹紧力是否满足工况要求，用COSMOSMotion对其进行动态仿真分析。
在左、右夹头上分别添加模拟碟簧力14282N，驱动左、右夹头相向运动，通过9。
力放大斜面，使上、下夹头对钻杆产生夹紧力。
由于上、下夹头的卡瓦内侧圆弧面与钻杆表面为30。
接触，而软件只能输出X,Y,Z方向的受力结果分析，考虑到结构及受力特点，选择输出z方向受力与时间关系的曲线图，即相当于在上、下夹头间添加以弹簧，该弹簧在竖直方向的受力请况，如图6所示：
在碟簧力作用下，上、下夹头对钻杆的夹紧力在竖直方向的合力（即图6中的力—Z）在很短的时间内上升到一个值，并保持恒定，该值约为46000N，大于2.2.1中的计算结果FH=2F1sin30。
=45119.5N，由此结果，证明在碟簧作用下可以满足对钻杆的夹紧要求，该设计方案可行。
图6夹紧力竖直方向合力动态仿真结果
2.3气压式末端执行器
（1）气压传动的特点[11]
1）气源取得简单；
2）系统的组装，维修以及元件的更换比较简单；
3）安全可靠，动作迅速反应快，工作介质无污染；
4）与液压系统相比流动性好，压力损失小，有利于远距离输送；
5）稳定性差，工作精度低；
6）压力小，输出力小；
7）噪音大，需加装消声器；
8）需润滑装置。
（2）几种气动式机械手装置
1）回转型连杆杠杆式夹持器[12]
两支点回转型连杆杠杆式夹持器的结构如图,可据被抓工件不同要求，通过螺栓连接更换各种手指，如V型钳口手指、弧形手指等，从而扩大夹持器的使用范围。
夹持器的夹紧驱动力由气缸活塞杆提供，当压力气体推动活塞下移动时，夹持器完成夹紧动作，其夹持力FN
计算值为:
FN=Fpccosα/2b
2）直杆式双气缸平移夹持器[12]
直杆式双气缸平移夹持器的结构如图
夹持器指端安装在装有指端安装座的直杆上，当压力气体进入单作用式双气缸的两个有杆腔时，两活塞向中间移动，工件被夹紧;
当没有压力气体进入时，弹簧推动两个活塞向外伸出，工件被松开。
为保证两活塞同步运动，在气缸的进气路上安装分流阀。
3）连杆交叉式双气缸平移夹持器[12]
连杆交叉式双气缸平移夹持器的结构如图:
夹持机构由单作用双联气缸和交叉式指部组合而成。
当压力气体进入双联气缸的中间腔时，两个活塞分别带动活塞杆向外伸出，交叉式指端将工件夹紧;
当没有压力气体进入时，弹簧推动两个活塞自动复位，工件被松开。
由于两个气缸共用一个进气腔，能够保证两个活塞杆的完全同步运动。
工件直径的变化不影响其轴心的位置
4）外夹式连杆杠杆式夹持器[13]
如下图当增力机构推动活塞杆左右移动时，由活塞杆、连杆、钳爪和夹持器体构成四杆机构，使钳爪（手指）完成夹紧和放松功能，其夹持力
和驱动力
间关系的计算公式为：
=
cot
由上式可知：
当结构尺寸b、c和驱动力
一定时，夹持力
与
角的余切成正比，当
角较小时，可得到较大的夹持力。
为适用不同尺寸规格的工件可以更换钳爪，当工件尺寸变化较小时，也可采取更换调整垫片的办法。
5）内撑式连杆杠杆式夹持器[13]
为夹持内孔薄壁零件，设计了一种内撑连杆杠杆式夹持器，如图所示。
它采用四连杆机构传递撑紧力，其撑紧方向与外夹式相反。
为使夹持器在撑紧工件后能准确地用内孔定位，多采用3个钳爪（图中只画了2个），三钳爪夹持器的钳爪上撑紧力
之间的关系为：
6）固定式无杆活塞缸驱动的增力机构[13]
固定式无杆活塞缸的气动系统如图，该缸为单作用气缸，反向靠弹簧力作用，由两位三通电磁阀实现换向。
无杆活塞缸的特点是在其活塞径向装有一过渡滑块，滑块两端对称地铰接两铰杆，活塞在压力作用时左右运动，滑块则上下滑动，结构如图。
当系统夹紧时，铰点B将绕A点作圆周运动，而滑块上下运动可增加一个自由度，偿曰点上下位移，替代整个气缸体的摆动，结构紧凑，刚性好。
整个系统的理论输出力
计算为：
式中D为无杆活塞缸活塞的直径，p为气动系统
压力。
当
和
较小时，可得到足够大的输出力
具体工作原理及力学计算见参考文献[14]。
杠杆式夹持器在使用该增力机构后，能显著降低系统压力，减小气缸直径，在得到足够夹持力的同时使机械手结构得到简化，变得更加灵巧，从而降低设备成本，降低功耗。
7）铰杆2杠杆串联增力机构的内夹持气动机械手[15]
当压缩空气的方向控制阀处于图所示左位工作状态时,气压缸的左腔即无杆腔进入压缩空气,推动活塞向右运动,导致铰杆1和1′的压力角α变小,通过角度效应第一次把输入力放大,然后传递到恒增力杠杆机构2和2′上,再一次将输入力进行放大,变为夹持工件的作用力F。
当方向控制阀处于右位工作状态时,气压缸的右腔即有杆腔进入压缩空气,推动活塞向左运动,夹持机构松开工件
机械手的夹紧力F,可用下式计算:
F=πd2pl1/4nl2tanα
式中 d———气缸直径
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