液壓機械臂腕部旋轉直線作動器的研究

趙玉貝，吳天福，王瑞雪

(國機智能技術研究院有限公司，北京 100083)

0 前言

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

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

1 液壓機械臂腕部作動器系統構成及技術參數

1.1 系統構成

該液壓機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13、直線油缸8和旋轉變壓器16等組成，見圖1。擺線馬達13為負一齒差浮動式擺線輪型擺線馬達，馬達輸出軸14帶動直線油缸8和手爪1進行旋轉，直線油缸8推動和縮回帶動手爪1的開合；旋轉變壓器16作為擺線馬達13的角度傳感器和擺線馬達13的控制閥組成位置閉環，精確控制腕部的回轉角度。

圖1 液壓機械臂腕部結構

(1)擺線馬達

該擺線馬達(圖2—圖3)是利用行星減速機構原理(負一齒差原理)而設計的端面配油內嚙合擺線針輪馬達，主要由配流閥1、配流盤2、組合式轉子3、浮動擺線輪4、防滾輪5和固定座6等組成。配流盤2和組合式轉子3通過花鍵連接在馬達輸出軸8上；防滾輪5和組合式轉子3同時和浮動式擺線輪嚙合，使得浮動式擺線輪做平動。該擺線馬達將大容積和減速增扭結合起來，實現了液壓機械臂腕部的低速大扭矩需求。采用負一齒差擺線針輪傳動、浮動式擺線輪和組合式轉子，實現了輸出軸與轉子的自轉相連，無需萬向節轉換，大大減少了軸向尺寸；負一齒差擺線針輪相較一齒差擺線針輪減速比大；組合式轉子采用滾子代替了外齒環的圓弧齒形，活動針齒在擺線轉子中自如旋轉，針齒和擺線輪之間的滑動摩擦變為滾動摩擦，摩擦力大大減小。負一齒差擺線馬達主要計算公式見表1。

圖2 擺線馬達分解圖

圖3 擺線馬達示意

表1 負一齒差擺線馬達主要計算公式[5-7]

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

一般液壓機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，因此該液壓機械手腕部擺線馬達的轉速范圍為5～40 r/min。

(2)直線油缸

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

表2 直線油缸參數

(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。按照手爪受力的最大力臂進行計算，可得手爪的能提供的夾持力不小于=3 306 N。

1.2 技術參數

液壓機械臂腕部技術參數如表3所示。

表3 液壓機械臂腕部技術參數

2 工作原理

2.1 液壓原理

該腕部的液壓原理如圖5所示。腕部的回轉控制通過電液伺服閥/比例閥和擺線馬達上的旋轉變壓器形成位置閉環，精確控制腕部回轉角度；腕部的手爪開合通過電液伺服閥/比例閥控制手爪油缸實現，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行閉環控制。

圖5 腕部液壓原理

2.2 工作原理

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

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

3 液壓機器臂腕部的性能和結構特點

液壓機器臂腕部具有以下結構和性能特點：

(1)能量轉換效率高。腕部擺線馬達采用負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，旋轉平穩，阻力小，采用強氮化表面處理，高精磨削成型，效率較高，其運動輸出機構為花鍵輸出機構，傳輸效率高。

(2)腕部結構緊湊，輸出扭矩大，外形尺寸小，質量輕。該設計將旋轉和直線執行件合二為一，在功能滿足的情形下，將擺線馬達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載；擺線馬達結構內部，通過合理的油路布置和徑向、環向密封結構，保證密封可靠性，提高擺線馬達的工作壓力和壽命；直線油缸采用斯特封、格萊圈密封和導向帶，尤其是通過活塞桿兩道反向斯特封，既防止污染物進入，又減少油缸的摩擦力，同時使油缸結構進一步緊湊，對液壓機械臂的輕量化意義重大。

(3)腕部擺線馬達可以作為不同液壓機械臂腕部的通用件，僅需改變直線油缸和手爪的結構，就能將此種腕部結構用在不同形式的液壓機械臂上。例如腕部配合平行手爪，在腕部擺線馬達做位置閉環的同時，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，可以對平行手爪進行精確的力/位移閉環控制，擴大液壓機械臂腕部的使用范圍。

4 結語

這種液壓機械臂腕部旋轉直線作動器是以負一齒差浮動式擺線輪型擺線馬達為核心，在擺線馬達和直線油缸的結構布局、油路進行了一系列的創新設計。液壓機械臂腕部整體結構緊湊，質量輕，穩定轉速低，輸出扭矩大，腕部回轉能夠進行位置閉環，精確控制腕部回轉角度。并且實際應用中腕部可以增加LVDT位移傳感器，精確地控制手爪的開合距離和夾持力，能夠在需要液壓機械臂進行精確夾持時進行力/位移閉環控制。