液壓機(jī)械臂腕部旋轉(zhuǎn)直線作動器的研究

趙玉貝，吳天福，王瑞雪

(國機(jī)智能技術(shù)研究院有限公司，北京 100083)

0 前言

機(jī)械臂腕部是機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)靈巧操作的重要部分，液壓機(jī)械臂采用旋轉(zhuǎn)和直線作動器，實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)械臂腕部回轉(zhuǎn)和末端手爪開合。目前國內(nèi)液壓機(jī)械臂腕部的設(shè)計一種形式是小排量擺線馬達(dá)與直線薄壁油缸并聯(lián)垂直布置，擺線馬達(dá)輸出扭矩通過直齒輪和蝸輪蝸桿減速后傳遞給腕部，缺點(diǎn)是蝸輪蝸桿的允許輸出扭矩限制了腕部輸出扭矩，只能達(dá)到幾十牛米，且管路布置亂；另一種形式是擺動油缸與直線油缸串聯(lián)同一軸線布置，缺點(diǎn)是腕部不能連續(xù)回轉(zhuǎn)，軸向尺寸大，質(zhì)量大，空間管路難以布置，影響液壓機(jī)械臂美觀及性能。

作者將擺線液壓馬達(dá)和直線油缸串聯(lián)組合成液壓機(jī)械手的腕部，充分利用擺線馬達(dá)的低速大扭矩特點(diǎn)，將擺線馬達(dá)輸出軸作為直線油缸的缸體，擺線馬達(dá)和直線油缸進(jìn)出油口都位于腕部連接座尾端。該腕部整體結(jié)構(gòu)緊湊，輸出扭矩大，手爪夾持力大，液壓管路易于布置。現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)、工作原理和性能進(jìn)行分析介紹。

1 液壓機(jī)械臂腕部作動器系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)參數(shù)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該液壓機(jī)械臂腕部主要由手爪1、腕部殼體2、腕部連接座3、擺線馬達(dá)13、直線油缸8和旋轉(zhuǎn)變壓器16等組成，見圖1。擺線馬達(dá)13為負(fù)一齒差浮動式擺線輪型擺線馬達(dá)，馬達(dá)輸出軸14帶動直線油缸8和手爪1進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直線油缸8推動和縮回帶動手爪1的開合；旋轉(zhuǎn)變壓器16作為擺線馬達(dá)13的角度傳感器和擺線馬達(dá)13的控制閥組成位置閉環(huán)，精確控制腕部的回轉(zhuǎn)角度。

圖1 液壓機(jī)械臂腕部結(jié)構(gòu)

(1)擺線馬達(dá)

該擺線馬達(dá)(圖2—圖3)是利用行星減速機(jī)構(gòu)原理(負(fù)一齒差原理)而設(shè)計的端面配油內(nèi)嚙合擺線針輪馬達(dá)，主要由配流閥1、配流盤2、組合式轉(zhuǎn)子3、浮動擺線輪4、防滾輪5和固定座6等組成。配流盤2和組合式轉(zhuǎn)子3通過花鍵連接在馬達(dá)輸出軸8上；防滾輪5和組合式轉(zhuǎn)子3同時和浮動式擺線輪嚙合，使得浮動式擺線輪做平動。該擺線馬達(dá)將大容積和減速增扭結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了液壓機(jī)械臂腕部的低速大扭矩需求。采用負(fù)一齒差擺線針輪傳動、浮動式擺線輪和組合式轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)了輸出軸與轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)相連，無需萬向節(jié)轉(zhuǎn)換，大大減少了軸向尺寸；負(fù)一齒差擺線針輪相較一齒差擺線針輪減速比大；組合式轉(zhuǎn)子采用滾子代替了外齒環(huán)的圓弧齒形，活動針齒在擺線轉(zhuǎn)子中自如旋轉(zhuǎn)，針齒和擺線輪之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，摩擦力大大減小。負(fù)一齒差擺線馬達(dá)主要計算公式見表1。

圖2 擺線馬達(dá)分解圖

圖3 擺線馬達(dá)示意

表1 負(fù)一齒差擺線馬達(dá)主要計算公式[5-7]

表中：為擺線輪齒數(shù)，8；為擺線輪寬度，20.5 mm；為針柱體半徑，10 mm；Δ為馬達(dá)進(jìn)出口壓力差，14 MPa(工作壓力=21 MPa，液壓伺服系統(tǒng)中負(fù)載壓力按2/3計算)；為總機(jī)械效率，0.9。

一般液壓機(jī)械臂控制閥為電液伺服閥或電液比例閥，額定流量通常為4 L/min，因此該液壓機(jī)械手腕部擺線馬達(dá)的轉(zhuǎn)速范圍為5～40 r/min。

(2)直線油缸

直線油缸的缸體即為擺線馬達(dá)輸出軸，活塞和活塞桿采用一體式結(jié)構(gòu)，活塞桿的伸出縮回帶動手爪開合。直線油缸參數(shù)見表2。

表2 直線油缸參數(shù)

(3)手爪

手爪開合距離0～148 mm，手爪的夾持力分析見圖4。

圖4 手爪夾持力分析

手爪夾持力大小跟手爪夾持物體的手爪受力位置有關(guān)。按照手爪受力的最大力臂進(jìn)行計算，可得手爪的能提供的夾持力不小于=3 306 N。

1.2 技術(shù)參數(shù)

液壓機(jī)械臂腕部技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 液壓機(jī)械臂腕部技術(shù)參數(shù)

2 工作原理

2.1 液壓原理

該腕部的液壓原理如圖5所示。腕部的回轉(zhuǎn)控制通過電液伺服閥/比例閥和擺線馬達(dá)上的旋轉(zhuǎn)變壓器形成位置閉環(huán)，精確控制腕部回轉(zhuǎn)角度；腕部的手爪開合通過電液伺服閥/比例閥控制手爪油缸實(shí)現(xiàn)，其手爪的夾持力通過給定力值與通過油缸有桿腔、無桿腔壓力傳感器計算的油缸拉力進(jìn)行閉環(huán)控制。

圖5 腕部液壓原理

2.2 工作原理

如圖1所示，液壓機(jī)械臂腕部的供回油都位于腕部連接座3尾端，利于液壓機(jī)械臂管路布置，共分為5路，其中3路為馬達(dá)的供回油路和泄油路，馬達(dá)供回油路直接連通擺線馬達(dá)的配油閥1和配油盤2，配流閥1上設(shè)計環(huán)形油槽且7個位置油孔對應(yīng)配流盤2，當(dāng)馬達(dá)輸出軸8旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)端面配油連續(xù)循環(huán)同步；泄油路通過馬達(dá)的安裝螺釘(內(nèi)部孔)連通油路；另外兩路為油缸進(jìn)回油路，油路在擺線馬達(dá)的安裝螺釘(內(nèi)部孔)處，溝通輸出軸上的環(huán)形槽上，通過輸出軸上工藝孔與油缸的有桿腔和無桿腔連通；油缸的無桿腔進(jìn)油有桿腔回油，帶動手爪張開，電液伺服閥/比例閥控制進(jìn)出油切換，手爪閉合。

如圖2所示，擺線馬達(dá)進(jìn)油口進(jìn)油，持續(xù)的高壓油帶動浮動擺線輪4軸心繞組合式轉(zhuǎn)子3的幾何軸公轉(zhuǎn)，同時通過擺線針輪減速實(shí)現(xiàn)組合式轉(zhuǎn)子3繞固定座6幾何軸低速自轉(zhuǎn)，而馬達(dá)輸出軸8通過花鍵在組合式轉(zhuǎn)子3偏心安裝，組合式轉(zhuǎn)子3通過花鍵帶動馬達(dá)輸出軸8低速自轉(zhuǎn)，從而帶動油缸和手爪回轉(zhuǎn)；電液伺服閥/比例閥控制進(jìn)出油切換，從而控制擺線馬達(dá)的回轉(zhuǎn)方向。

3 液壓機(jī)器臂腕部的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

液壓機(jī)器臂腕部具有以下結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)：

(1)能量轉(zhuǎn)換效率高。腕部擺線馬達(dá)采用負(fù)一齒差針輪擺線共軛副和浮動式擺線輪，平面力系傳動僅受徑向阻力，同時共軛副滾動嚙合，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，阻力小，采用強(qiáng)氮化表面處理，高精磨削成型，效率較高，其運(yùn)動輸出機(jī)構(gòu)為花鍵輸出機(jī)構(gòu)，傳輸效率高。

(2)腕部結(jié)構(gòu)緊湊，輸出扭矩大，外形尺寸小，質(zhì)量輕。該設(shè)計將旋轉(zhuǎn)和直線執(zhí)行件合二為一，在功能滿足的情形下，將擺線馬達(dá)和直線油缸合理地布置在一起，通過花鍵將低速大扭矩傳遞給手爪負(fù)載；擺線馬達(dá)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通過合理的油路布置和徑向、環(huán)向密封結(jié)構(gòu)，保證密封可靠性，提高擺線馬達(dá)的工作壓力和壽命；直線油缸采用斯特封、格萊圈密封和導(dǎo)向帶，尤其是通過活塞桿兩道反向斯特封，既防止污染物進(jìn)入，又減少油缸的摩擦力，同時使油缸結(jié)構(gòu)進(jìn)一步緊湊，對液壓機(jī)械臂的輕量化意義重大。

(3)腕部擺線馬達(dá)可以作為不同液壓機(jī)械臂腕部的通用件，僅需改變直線油缸和手爪的結(jié)構(gòu)，就能將此種腕部結(jié)構(gòu)用在不同形式的液壓機(jī)械臂上。例如腕部配合平行手爪，在腕部擺線馬達(dá)做位置閉環(huán)的同時，利用控制閥組上的壓力傳感器和直線油缸上增加的LVDT位移傳感器，可以對平行手爪進(jìn)行精確的力/位移閉環(huán)控制，擴(kuò)大液壓機(jī)械臂腕部的使用范圍。

4 結(jié)語

這種液壓機(jī)械臂腕部旋轉(zhuǎn)直線作動器是以負(fù)一齒差浮動式擺線輪型擺線馬達(dá)為核心，在擺線馬達(dá)和直線油缸的結(jié)構(gòu)布局、油路進(jìn)行了一系列的創(chuàng)新設(shè)計。液壓機(jī)械臂腕部整體結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速低，輸出扭矩大，腕部回轉(zhuǎn)能夠進(jìn)行位置閉環(huán)，精確控制腕部回轉(zhuǎn)角度。并且實(shí)際應(yīng)用中腕部可以增加LVDT位移傳感器，精確地控制手爪的開合距離和夾持力，能夠在需要液壓機(jī)械臂進(jìn)行精確夾持時進(jìn)行力/位移閉環(huán)控制。