以叶片式液压摆动油缸(以下简称摆缸)作为液压机械臂的驱动关节具有诸多优势。以提高机械臂的负重比为目标,对摆缸关节进行了轻量化设计。建立了优化设计数学模型,进行了优化算法及惩罚函数法分析。结合实例对摆缸的各个参数进行了优化,得到了所需转矩为63kN·m,叶片数为2,系统总效率为0.9时的摆缸参数优化结果。对结果进行了分析,得到了所需转矩与摆缸质量的关系曲线,摆缸质量与所需转矩、叶片长度的关系曲面,以及所需转矩与多个优化目标的关系曲线。建立了摆缸三维模型,采用有限元法对优化结果进行了验证,并证实了优化结果的合理性和正确性。

为了得到更准确的叶片式液压摆动油缸(摆动油缸)动态特性数学模型,并提高现有摆动油缸的动态性能,对摆动油缸动态特性数学模型力矩平衡方程中由粘性阻尼产生的力矩项进行了改进,运用MATLAB/Simulink对摆动油缸进行仿真,对比数学模型改进前后的角速度响应曲线和高压腔压力曲线,发现数学模型中粘性阻尼产生的力矩对分析摆动油缸的动态特性影响较大,验证了数学模型改进的必要性。对摆动油缸响应快速性和运动平稳性分析,指出影响摆动油缸响应速度和稳定性的主要因素。通过减小摆动油缸油腔与输油管油液总体积对摆动油缸动态性能进行优化,结果表明优化后摆动油缸动态性能得到较大提升。

针对传统机械臂输出转矩较小的问题,设计了基于叶片式液压摆动油缸(摆缸)作为关节的6自由度液压机械臂,该液压机械臂具有诸多优势,其最大的优点是具有很高的负重比。运用改进的D-H法建立了该液压机械臂的运动学模型,得出其正运动学方程。在MATLAB中进行了液压机械臂的轨迹规划仿真,得到了各关节转角的特性曲线,验证了液压机械臂结构设计的合理性。利用蒙特卡洛法分析计算了其工作空间,借助MATLAB绘制了其末端执行器的工作空间云图,为今后液压机械臂的深入研究提供了重要依据。