【正文】 控制。因此，如何實(shí)現(xiàn)一種既能簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)與控制，又能較好地取放物體的機(jī)器人手已成為國(guó)內(nèi)外研究者的重要研究課題和主流方向之一。 本課題主要對(duì)一種通過(guò)以液壓轉(zhuǎn)角伺服閥提供大轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力源 ，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手爪的抓取。文章對(duì)液壓轉(zhuǎn)角伺服閥進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)同時(shí)對(duì)機(jī)械手手爪的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。 1 概述 設(shè)計(jì)題目及參數(shù)要求 設(shè)計(jì)題目：可重構(gòu)液壓機(jī)械手設(shè)計(jì) 主要技術(shù)參數(shù)及要求： 設(shè)計(jì)液壓機(jī)械手，設(shè)計(jì)中應(yīng)用液壓轉(zhuǎn)角自伺服技術(shù)，讓機(jī)械手的抓取力矩大于，盡量減小尺寸。較小的關(guān)節(jié)空間中需要集成油道，電源線(xiàn)，微控制模塊，轉(zhuǎn)角伺服模塊及對(duì)外的標(biāo)準(zhǔn)接口等元器件，需用三維造型軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真。 液壓系統(tǒng)最大工作壓力： 5MPa。 液壓系統(tǒng)原理圖 本液壓系統(tǒng)為一開(kāi)式回路， 由液壓泵、電磁溢流閥、蓄能器、液壓轉(zhuǎn)角伺服閥及相關(guān)輔件組成。系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖 。 圖 液壓系統(tǒng)原理圖 2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理 本設(shè)計(jì)機(jī)械手通過(guò)以液壓轉(zhuǎn)角伺服閥作為動(dòng)力源， 通過(guò)液壓轉(zhuǎn)角伺服閥提供的扭矩，帶動(dòng)錐齒輪 A 轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力傳遞到另一錐齒輪 B，錐齒輪 B 與絲桿同軸，絲桿將力矩傳遞到手抓，從而 帶動(dòng)機(jī)械手手爪抓取物件。該設(shè)計(jì)的主要工作就是兩個(gè)方面，一是對(duì)液壓轉(zhuǎn)角伺服閥進(jìn)行設(shè)計(jì)，二是對(duì)機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后對(duì)設(shè)計(jì)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和力的仿真，得到想要的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。 三是對(duì)齒輪，螺紋傳動(dòng)，進(jìn)行強(qiáng)度校核 ，進(jìn)行有限元分析，校核強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求。 機(jī)械手原理圖如圖 。 圖 機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理圖 3 液壓轉(zhuǎn)動(dòng)伺服閥設(shè)計(jì) 液壓轉(zhuǎn)角伺服閥原理 伺服閥隨動(dòng)閥套的設(shè)計(jì)與缸體結(jié)合，為減小關(guān)節(jié)尺寸，油道，電源線(xiàn)，微控制模塊嵌入到缸體內(nèi)，此種方法已經(jīng)有應(yīng)用的先例，加拿大 Engineering Services Inc.(ESI) 公司生產(chǎn)的 MRR(Modular reconfigurable robot series) 模塊化可重構(gòu)機(jī)器人，將油道約束在關(guān)節(jié)內(nèi)，有效地精簡(jiǎn)了機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸，避免了不必要 的干涉，擴(kuò)大了工作空間。 由于液壓傳動(dòng)技術(shù)對(duì)于直線(xiàn)傳動(dòng)上比較容易實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要經(jīng)過(guò)一定的機(jī)械機(jī)構(gòu)才能得以實(shí)現(xiàn)，而轉(zhuǎn)角伺服技術(shù)極好的解決了這一難題。 本文提出了一種閥芯徑向力平衡的閥芯阻力小盲區(qū)小的液壓轉(zhuǎn)角伺服閥，這種液壓轉(zhuǎn)角伺服閥是一種基于轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯結(jié)構(gòu)原理的旋轉(zhuǎn)式伺服閥，它由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。該技術(shù)是將伺服技術(shù)和電機(jī)控制結(jié)合起來(lái)，用小尺寸小力矩的電機(jī)通過(guò)液壓伺服技術(shù)控制大力矩的液壓關(guān)節(jié)，利用液壓伺服閥中的轉(zhuǎn)角伺服技術(shù)，無(wú)需減速機(jī)構(gòu)，減小關(guān)節(jié)尺寸。在液壓轉(zhuǎn)角伺服技術(shù)中用舵機(jī)產(chǎn)生控制角度，舵機(jī)體積小、力矩大， 舵機(jī)本身就具有轉(zhuǎn)角內(nèi)反饋控制，控制起來(lái)也方便，一定占空比脈寬對(duì)應(yīng)一定的轉(zhuǎn)角。擬定的液壓轉(zhuǎn)角伺服閥的截面圖如圖 所示。 當(dāng)閥芯（即 C塊）逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，使高壓油口 P口接通 A腔，則 A腔為高壓油， B 腔為低壓油，壓差推動(dòng)隨動(dòng)閥套（即 D 塊）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的角度和閥芯一致后，閥芯的 P油口被閉合，則旋轉(zhuǎn)停止。因此伺服閥可以由較小的力控制閥芯，進(jìn)而控制隨動(dòng)閥套的旋轉(zhuǎn)。由于葉片的限制，旋轉(zhuǎn)角度范圍為 ?? 330~0 ，當(dāng)初始位置為葉片對(duì)稱(chēng)位置時(shí)，范圍為 ??165 。圖 中 E 塊為擺動(dòng)缸缸體， D 塊為隨動(dòng)閥套， C 塊為伺服閥芯。 a b 圖 液壓轉(zhuǎn)角伺服閥 液壓轉(zhuǎn)角伺服閥的伺服過(guò)程如下 :起初令伺服閥芯與隨動(dòng)閥套處于中位狀態(tài)，當(dāng)壓力油液經(jīng)油道到達(dá)伺服閥芯 C后，由于伺服閥芯與隨動(dòng)閥套在中位，液壓系統(tǒng)中的工作 油路和回油油路被伺服閥芯與隨動(dòng)閥套關(guān)閉，油液不能進(jìn)入擺動(dòng)缸，擺動(dòng)缸中的油液被密閉起來(lái)，擺動(dòng)缸自鎖 , 見(jiàn)圖 。當(dāng)給舵機(jī)發(fā)出一轉(zhuǎn)角信號(hào)后，舵機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一角度，如圖 ，壓力油液流進(jìn)擺動(dòng)缸的 A 腔 , 另一腔 (B 腔 )與回油油路相通 ,隨動(dòng)閥套在壓差作用力下順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)輸出軸帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著隨動(dòng)閥套的轉(zhuǎn)動(dòng)，其與伺服閥芯之間的開(kāi)口度逐漸變小，直至關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)閥套對(duì)伺服閥芯的位置跟蹤，旋轉(zhuǎn)方向反之亦然。 液壓轉(zhuǎn)角伺服閥閥芯截面圖如圖 ，該液壓轉(zhuǎn)角伺服閥閥芯在一定的工作范圍內(nèi)閥口開(kāi)度連續(xù)，且開(kāi)口面積與旋轉(zhuǎn)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)角度成正比，增益恒定，流量連續(xù)，抗污染能力強(qiáng)，可靠性高，控制靈敏，且閥芯受力平衡，角度伺服精度高。 閥芯上有 4 個(gè)沿圓周均布，開(kāi)口形狀相同的閥口， 2 個(gè)高壓油口 (P 口 )和 2 個(gè)回油口 (T口 )， P口和 T口是對(duì)稱(chēng)于圓心的閥口， 2個(gè) P口中心線(xiàn)的連線(xiàn)與 2個(gè) T口中心線(xiàn)的連線(xiàn)垂直正交。隨動(dòng)閥套上有 4 個(gè)與之對(duì)應(yīng)的臺(tái)肩， 4 個(gè)臺(tái)肩剛好能切斷 4 條油路，這4 個(gè)臺(tái)肩沿隨動(dòng)閥套圓周均布，每 2 個(gè)相對(duì)的臺(tái)肩中心線(xiàn)的連線(xiàn)垂直正交。且在隨動(dòng)閥套的每 2個(gè)臺(tái)肩的正中間有一個(gè)油口，沿隨動(dòng)閥套圓周均布著 4個(gè)油口，這 4個(gè)油口的順序?yàn)椋?A 口、 B 口、 A 口、 B 口。隨動(dòng)閥套中 A 口和 B 口是對(duì)稱(chēng)于圓心的閥口， 2 個(gè) A口中心線(xiàn)的連線(xiàn)與 2個(gè) B口中心線(xiàn)的連線(xiàn)垂直正交。隨動(dòng)閥套和轉(zhuǎn)角伺服閥閥芯處于中位時(shí)， 2個(gè) A口中心線(xiàn)連線(xiàn)與 2個(gè) P口中心線(xiàn)的連線(xiàn) (或 2個(gè) T口中心線(xiàn)的連線(xiàn) )成 45176。 。 圖 液壓轉(zhuǎn)角伺服閥芯 閥的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 缸體的設(shè)計(jì) 缸體壁厚取大于 ，缸底部厚度大于 10mm，而油道外徑需要大于 6mm，因此，油道可以設(shè)計(jì)在缸壁中。缸體壁厚，最終取 ,底部厚度取 10mm，吸油管道 吸d =6mm，壓油管道 壓d =3mm，回油管道 回d =4mm。 油道設(shè)計(jì) 隨動(dòng)閥套（以下簡(jiǎn)稱(chēng) 閥套）在擺動(dòng)缸中被壓油驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，需要與閥芯和缸體有良好的配合，同時(shí)又需要輸出轉(zhuǎn)矩。液壓油通過(guò)滑環(huán)，從缸體進(jìn)入閥套，還需要進(jìn)入閥芯，由閥芯控制油的走向。 當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，閥套可以立即跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，因此圖中閥套與閥芯的接口半徑一致，需要精密的配合以保證密封?；h(huán)上的高壓油類(lèi)似柱塞泵中柱塞上的均壓槽，同時(shí)導(dǎo)通油路，且潤(rùn)滑接觸面，利于閥套轉(zhuǎn)動(dòng)。此處高壓油道經(jīng)徑向?qū)ΨQ(chēng)的兩個(gè)管道進(jìn)入閥芯，此設(shè)計(jì)在于使閥芯受力平衡，兩方向上的高壓油壓力平衡，因此閥芯不易卡死。高壓油進(jìn)入閥芯后，分三個(gè)油口導(dǎo)通至工作腔，目的是使油液流動(dòng)順暢，保證 轉(zhuǎn)角伺服閥的旋轉(zhuǎn)速度和精度。 軸承的計(jì)算與選用 閥套與缸體之間存在相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在其間安裝軸承，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此轉(zhuǎn)角液壓缸的旋轉(zhuǎn)范圍為 ??165 ，旋轉(zhuǎn)速度為 srad3? ， 軸承受徑向載荷 kN10?rF 。 由于隨動(dòng)閥套需要較高的旋轉(zhuǎn)精度，因此選擇精度性較高的圓柱滾子軸承。圓柱滾子軸承系列中， NUP 型（內(nèi)圈單擋邊帶平擋圈的圓柱滾子軸承）的特性是： （ 1） 承載能力大，額定動(dòng)載荷比 ~3； （ 2） 能承受較小的雙 向軸向載荷； （ 3） 能限制軸和外殼的雙向軸向位移； （ 4） 屬分離型軸承，安裝、拆卸非常方便； （ 5） 極限轉(zhuǎn)速高。 因此，選擇 NUP 型軸承。由于軸承的使用狀況：轉(zhuǎn)速 10r/min，要求壽命 1500h，計(jì)算軸承所受載荷，根據(jù)公式： arTn dmh CCPff fffC 或?? () 式中 C—— 基本額定動(dòng)載荷計(jì)算值（ N）； P—— 當(dāng)量動(dòng)載荷（ N）； hf —— 壽命因數(shù)，按系列表選?。? nf —— 速度因數(shù)，按系列表選??； mf —— 力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時(shí) mf =，力矩載荷較大時(shí) mf =2； df —— 沖擊載荷因數(shù)，按系列表選??； Tf —— 溫度因數(shù)，此處可取 1； rC —— 軸承尺寸及 性能表中所列徑向基本額定動(dòng)載荷（ N）； aC —— 軸承尺寸及性能表中所列軸向基本額定動(dòng)載荷（ N）。 查表得： hf = nf = mf 取 2 df = Tf =1 而 kN10??? ar YFXFP () 式中 X —— 徑向動(dòng)載荷系數(shù)，此處取 1； Y —— 軸向動(dòng)載荷系數(shù)，此處取 1； rF —— 徑向載荷（ N）； aF —— 軸向載荷（ N）。 所以： ??????? .Pff fffC Tn dmh 對(duì)于低速旋轉(zhuǎn)軸承應(yīng)將動(dòng)靜載荷分別計(jì)算，靜載荷徑向： a00 ooror CCPSC 或?? () 式中： 0C —— 基本額定靜載荷計(jì)算值（ N）； 0S —— 安全因數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表得，此處可取 3； orP —— 當(dāng)量靜載荷（ N）； orC —— 軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定靜載荷（ N）； aoC —— 軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定靜載荷（ N）。 kN3010300 ???? orPSC 查設(shè)計(jì)手冊(cè) [9]中的圓柱滾子軸承系列表，選取型號(hào) NUP 209 E，內(nèi)徑 mm45?d ，外徑 mm85?D ，寬度 mm19?B 。 ??? CC r ； ??? oor CC ； 所以此處所選的軸承合適。 輸入接口模塊設(shè)計(jì) 可重構(gòu)液壓機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊，需要有統(tǒng)一的接口，使其在不同的關(guān)節(jié)模塊之間可以互換調(diào) 用。此基礎(chǔ)模塊，即旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊的輸入接口，設(shè)計(jì)如圖 和圖 所示，中心的孔道是控制電線(xiàn)通道，對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)孔道是油道。周?chē)鶄€(gè)螺栓孔。 圖 輸入接口模塊背面 圖 輸入接口模塊正面 端蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 該端蓋要作為缸筒的外端蓋，同時(shí)也有與機(jī)械手手爪連接。 根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)，端蓋厚度的計(jì)算如下： ParFbh ??4? () 式中 F —— 法蘭在缸筒最大內(nèi)壓下 做承受的軸向壓力（ N）； ? ? ? ? KNNdDPAPF nn 22