自适应4点同心手爪机构研究设计

尚延伟

（连云港杰瑞自动化有限公司，江苏 连云港222006）

0 引言

在机械加工行业中，工件的抓取和搬运通常采用气缸驱动的4点式手爪，其抓取力度可调，可抓取工件的尺寸范围大，而且对空间要求小，不会与机床产生干涉，方便手爪出入机床。但传统的4点式手爪中的4个接触点很难保证4点同心，对零部件加工和装配精度要求极高，而自适应4点同心手爪增加了一个旋转关节，在旋转关节上的2个接触点可以自动适应工件的形状，手爪4点圆心的位置则由另外2个固定接触点确定。

1 自适应4点同心手爪的结构组成

如图1所示，自适应4点同心手爪由手爪臂、旋转关节、接触轮等组成。手爪臂上有2个限位点，可以限制旋转关节在给定的范围内活动。

图1 自适应4点同心手爪结构组成

2 工作原理

在手爪抓取工件过程中，旋转关节上的一个接触点先与工件接触，在进一步夹紧的过程中，旋转关节会自动沿工件外形旋转，进而调整旋转关节上的另外一个接触点的位置，使4个接触点同心，保证手爪上的4个接触点与工件完全接触。

3 工件接触点处受力分析

分析工件在不同类型手爪、不同状态下4个接触点处的径向力和切向力，并作对比分析，计算其偏离率。

3.1 工件在理想情况下的受力分析

理想情况下接触点O处的径向力Fr0和切向力Fτ0计算公式：

式中：F0=F/2，sinα=L/（2R），F为手爪夹紧力。

图2 理想情况下工件受力

理想情况下4个接触点和工件完全接触，工件在4个接触点处的受力相同。

3.2 传统4点固定式手爪实际受力分析

传统4点固定式手爪在实际使用过程中，由于零部件加工及装配精度，肯定存在偏差，其数值为ΔL，理论上有3点接触，但实际上由于手爪臂和工件受力变形，最终会有4个点接触，但4个接触点受力极不均匀，影响手爪抓取的位置精度及工件表面质量。

图3 传统4点固定式手爪工件受力

接触点处径向力Fr5和切向力Fτ5：

式中，ΔL为手爪旋转关节偏移量，R为工件半径，L为旋转关节上2接触点距离。

3.3 自适应4点同心手爪实际受力分析

当旋转中心点偏离ΔL时，图4中几何关系如下：

式中，Lr为旋转关节节点到工件外圆的距离，α为接触点偏移角。

图4 自适应4点同心手爪几何关系

接触点3、4处水平方向受力F3、F4计算公式：

接触点3处的径向力Fr3和切向力Fτ3计算公式：

接触点4处的径向力Fr4和切向力Fτ4计算公式：

3.4 工件接触点处受力偏离率计算

受力偏离率是指接触点处的实际受力偏离理想情况的比率。为了保证工件表面加工质量，4个接触点处的受力要均匀，偏离率应控制在合理范围内。

图5 自适应4点同心手爪工件受力

径向力偏离率计算公式为

切向力偏离率计算公式为

式中，Fτ为实际切向力，Fr为实际径向力，Fτ0为理想情况下的切向力，Fr0为理想情况下的径向力。

3.5 实际案例下的受力计算

实际案例下取 Lr=16 mm，L=200 mm，R=250 mm，ΔL=2 mm。

1）理想情况下工件接触点处径向力和切向力大小。

代入式（1）、式（2）经计算得：F0=；Fr0=F0×cosα=。

2）传统4点固定式手爪工件接触点处径向力和切向力大小。

代入式（3）、式（4） 经计算得：F5=F；Fr5=F5×cosθ=。

3）传统4点固定式手爪工件接触点处径向力和切向力偏离率。

代入式（9）、式（10），ΔFr5=×100%=100.8%；

×100%=96%。

4）自适应4点同心手爪工件接触点处径向力和切向力计算。

接触点3处的径向力和切向力大小：

代入式 （5）、式 （6），F3=F4=F/2，Fr3===0.203F。

接触点3处的径向力和切向力偏离率：

代入式（9）、式（10），ΔFr3=（Fr3-Fr0）/Fr0=-0.274%；Fτ3=（Fτ3-Fτ0）/Fτ0=1.5%。

接触点4处的径向力和切向力大小：

代入式（7）、式（8），Fr4=F×cos（α-β）/2=F×cos23.147°÷2=0.460F；Fτ4=F×sin（α-β）/2=F×sin23.147°÷2=0.197F。

接触点4处的径向力和切向力偏离率：

ΔFr4=（Fr4-Fr0）/Fr0=0.38%；ΔFτ4=（Fτ4-Fτ0）/Fτ0=-1.5%。

经过上述计算可知，当旋转中心点偏离2 mm时，传统4点固定式手爪接触点处工件径向力最大偏离率为100.8%，切向力最大偏离率为96%，而自适应4点同心手爪3、4点处径向力偏离率分别为-0.274%和0.38%，切向力偏离率分别为1.5%和-1.5%。由此可见自适应4点同心手爪4个接触点处的受力更加均匀。

4 实际应用

轮毂机加工厂自动化生产线上利用机器人进行机床上下料，与之配套使用的自适应4点同心手爪可以实现工件精准取放，减小了调试难度，并且提高了产品良品率。

自适应4点同心手爪同样可以抓取方型及不规则形状工件，可以广泛应用于上下料、装配、搬运、机加工、清洗等环境。

5 结语

本文对传统的4点固定式手爪结构进行了优化设计，提出了自适应4点同心手爪结构，降低了手爪零部件的加工和装配精度，而且可以提高手爪抓取的位置精度，并分析了4个接触点处的受力情况，经计算验证，其受力情况明显好于传统的4点固定式手爪，可以最大程度地减少手爪对工件表面质量的影响。

［1］ 舒幼生.力学［M］.北京：北京大学出版社，2005.

［2］ 吴拓.现代机床夹具典型结构图册［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［3］ 王建国.机械加工工艺［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［4］ 濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.8版.北京：高等教育出版社，2006.