夾持機(jī)械手爪設(shè)計(jì)與夾持力分析

秦楚喬

摘 要：夾持機(jī)械手爪普遍應(yīng)用于夾治具或機(jī)械手爪等夾持工作，其夾持方式有支點(diǎn)型夾持（一般稱之為Y型夾爪）、平行型夾持、以及同心型夾持三種。支點(diǎn)型夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，由于支點(diǎn)型之夾持位置為點(diǎn)接觸，若將其調(diào)整為面接觸，則夾持面之掌握較不易；平行型夾持結(jié)構(gòu)雖然設(shè)計(jì)較困難，但其開(kāi)度可由設(shè)計(jì)者決定，且以作圖法就可明確掌握夾持面的接觸位置。一般而言，高精度的夾爪必須結(jié)合高精度的滑軌，以達(dá)到高精度需求，一般應(yīng)用于夾持工作且于車床加工者，則采用同心型夾持結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：夾持機(jī)械手爪；平行型；設(shè)計(jì)

一、平行型夾爪概述

如圖1所示，夾爪于夾持時(shí)是面接觸，松開(kāi)時(shí)有一開(kāi)距L0，此開(kāi)距依設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同而有所差異，在業(yè)界所指的開(kāi)距為2L0，一般在4mm～20mm的范圍，稱為小開(kāi)距，大開(kāi)距范圍則為20mm～100mm。平行夾爪松開(kāi)時(shí)的開(kāi)距為L(zhǎng)0，夾持時(shí)則會(huì)移動(dòng)LC的夾持距離，兩者相減必須預(yù)留1mm～3mm，如此夾爪才能將工件夾住。

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要有關(guān)節(jié)型、凸輪型、雙齒條單活塞型、雙活塞型、一端固定另一端平移夾持型、以及馬達(dá)驅(qū)動(dòng)型等六種類型。

二、平行型夾爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

1.關(guān)節(jié)型平行夾持結(jié)構(gòu)

此型夾爪在產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用較廣泛，開(kāi)距（即夾爪開(kāi)與閉兩狀態(tài)位置的差異度）一般4mm～14mm，夾持力最高可達(dá)6kgf，由于夾爪的閉開(kāi)采用高精度滑軌導(dǎo)引，因此往返精度可達(dá)±0.01mm。

2.凸輪型平行夾持結(jié)構(gòu)

本機(jī)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于利用凸輪作平行夾持的功能。此型精度亦可達(dá)±0.01mm，適用電子廠極輕巧的工件夾持，開(kāi)度范圍最大為16mm，夾持力最大為1kgf。

3.雙齒條單活塞型平行夾持結(jié)構(gòu)

利用此型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于開(kāi)度范圍較廣，一般市購(gòu)規(guī)格品可達(dá)60mm，出力值可達(dá)16kgf，但因齒隙關(guān)系，此型的精度較低。

4.雙活塞型平行夾持結(jié)構(gòu)

本型結(jié)構(gòu)與雙齒條單活塞平行夾持結(jié)構(gòu)類似，不同之處為夾爪的夾持力為雙活塞運(yùn)動(dòng)，如此可增加2倍的力，但此機(jī)本體尺寸比單活塞型大，且本結(jié)構(gòu)僅借雙活塞同時(shí)運(yùn)動(dòng)，達(dá)成雙爪同時(shí)開(kāi)或閉功能，而前節(jié)的單活塞型系借單活塞運(yùn)動(dòng)并透過(guò)齒輪、齒條的牽動(dòng)，達(dá)成雙爪同時(shí)開(kāi)或閉的功能。

5.一端固定另一端平移夾持結(jié)構(gòu)

某些場(chǎng)合下，夾持不一定要二支夾爪同步移動(dòng)，而容許一邊固定，另一邊平行移動(dòng)即可，特別是工作物很寬或夾持力需要很大的場(chǎng)合。

6.馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的平行夾持結(jié)構(gòu)

齒輪由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)若逆向旋轉(zhuǎn)，齒條1與齒輪2分別向左移與向右移，則夾爪呈開(kāi)狀態(tài)，反之則呈閉狀態(tài)，如果齒條裝上夾指并設(shè)計(jì)加裝高精度的導(dǎo)引機(jī)械，如導(dǎo)桿與滑軌等，則本機(jī)械即可構(gòu)成俗稱“電動(dòng)夾爪”的功能。

三、氣壓夾爪力的分析與實(shí)驗(yàn)

將夾爪的夾持力加以分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論的可行性，其結(jié)果可為設(shè)計(jì)者在夾爪產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上提供一定的依據(jù)。

1.平行夾爪力分析

圖2所示為平行夾爪結(jié)構(gòu)圖，P為氣壓運(yùn)動(dòng)壓力，D為活塞直徑。平行夾爪往內(nèi)夾持時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式與Y型夾爪不同，Y型夾爪夾持的運(yùn)動(dòng)為活塞桿端，面積，而平行夾爪的運(yùn)動(dòng)為活塞端，故面積為。

2.氣壓平行夾爪單動(dòng)式夾持力實(shí)驗(yàn)

氣壓平行夾爪單動(dòng)式夾持力公式理論值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值比較分析公式理論值：

上式中，為滑塊中心處水平總夾持力，L1為距支點(diǎn)的相對(duì)位置，L2=17.07mm，，θ=8.19°。L1=17.61mm 等代入上式可得Fout1 理論出力值。

（2）氣壓平行夾爪單動(dòng)式夾持力理論值與實(shí)驗(yàn)值曲線圖：

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果探討：從圖3可以看出，氣壓平行夾爪單動(dòng)式夾持力，理論值與實(shí)驗(yàn)值的誤差范圍在20～50%。造成誤差的原因，可歸納為活塞磨擦力、活塞桿磨擦力、夾爪滑軌及結(jié)構(gòu)磨擦力、滑軌間隙、及夾爪強(qiáng)度。

（作者單位：武漢紡織大學(xué)）