夹持机械手爪设计与夹持力分析

秦楚乔

摘 要：夾持机械手爪普遍应用于夹治具或机械手爪等夹持工作，其夹持方式有支点型夹持（一般称之为Y型夹爪）、平行型夹持、以及同心型夹持三种。支点型夹持结构设计较简单，由于支点型之夹持位置为点接触，若将其调整为面接触，则夹持面之掌握较不易；平行型夹持结构虽然设计较困难，但其开度可由设计者决定，且以作图法就可明确掌握夹持面的接触位置。一般而言，高精度的夹爪必须结合高精度的滑轨，以达到高精度需求，一般应用于夹持工作且于车床加工者，则采用同心型夹持结构。

关键词：夹持机械手爪；平行型；设计

一、平行型夹爪概述

如图1所示，夹爪于夹持时是面接触，松开时有一开距L0，此开距依设计结构不同而有所差异，在业界所指的开距为2L0，一般在4mm～20mm的范围，称为小开距，大开距范围则为20mm～100mm。平行夹爪松开时的开距为L0，夹持时则会移动LC的夹持距离，两者相减必须预留1mm～3mm，如此夹爪才能将工件夹住。

设计结构主要有关节型、凸轮型、双齿条单活塞型、双活塞型、一端固定另一端平移夹持型、以及马达驱动型等六种类型。

二、平行型夹爪结构设计原理

1.关节型平行夹持结构

此型夹爪在产业界应用较广泛，开距（即夹爪开与闭两状态位置的差异度）一般4mm～14mm，夹持力最高可达6kgf，由于夹爪的闭开采用高精度滑轨导引，因此往返精度可达±0.01mm。

2.凸轮型平行夹持结构

本机的设计重点在于利用凸轮作平行夹持的功能。此型精度亦可达±0.01mm，适用电子厂极轻巧的工件夹持，开度范围最大为16mm，夹持力最大为1kgf。

3.双齿条单活塞型平行夹持结构

利用此型结构的优点在于开度范围较广，一般市购规格品可达60mm，出力值可达16kgf，但因齿隙关系，此型的精度较低。

4.双活塞型平行夹持结构

本型结构与双齿条单活塞平行夹持结构类似，不同之处为夹爪的夹持力为双活塞运动，如此可增加2倍的力，但此机本体尺寸比单活塞型大，且本结构仅借双活塞同时运动，达成双爪同时开或闭功能，而前节的单活塞型系借单活塞运动并透过齿轮、齿条的牵动，达成双爪同时开或闭的功能。

5.一端固定另一端平移夹持结构

某些场合下，夹持不一定要二支夹爪同步移动，而容许一边固定，另一边平行移动即可，特别是工作物很宽或夹持力需要很大的场合。

6.马达驱动的平行夹持结构

齿轮由马达驱动，马达若逆向旋转，齿条1与齿轮2分别向左移与向右移，则夹爪呈开状态，反之则呈闭状态，如果齿条装上夹指并设计加装高精度的导引机械，如导杆与滑轨等，则本机械即可构成俗称“电动夹爪”的功能。

三、气压夹爪力的分析与实验

将夹爪的夹持力加以分析，并通过实验来验证理论的可行性，其结果可为设计者在夹爪产品开发上提供一定的依据。

1.平行夹爪力分析

图2所示为平行夹爪结构图，P为气压运动压力，D为活塞直径。平行夹爪往内夹持时的运动方式与Y型夹爪不同，Y型夹爪夹持的运动为活塞杆端，面积，而平行夹爪的运动为活塞端，故面积为。

2.气压平行夹爪单动式夹持力实验

气压平行夹爪单动式夹持力公式理论值与实验测量值比较分析公式理论值：

上式中，为滑块中心处水平总夹持力，L1为距支点的相对位置，L2=17.07mm，，θ=8.19°。L1=17.61mm 等代入上式可得Fout1 理论出力值。

（2）气压平行夹爪单动式夹持力理论值与实验值曲线图：

（3）实验结果探讨：从图3可以看出，气压平行夹爪单动式夹持力，理论值与实验值的误差范围在20～50%。造成误差的原因，可归纳为活塞磨擦力、活塞杆磨擦力、夹爪滑轨及结构磨擦力、滑轨间隙、及夹爪强度。

（作者单位：武汉纺织大学）