自適應4點同心手爪機構研究設計

尚延偉

（連云港杰瑞自動化有限公司，江蘇 連云港222006）

0 引言

在機械加工行業中，工件的抓取和搬運通常采用氣缸驅動的4點式手爪，其抓取力度可調，可抓取工件的尺寸范圍大，而且對空間要求小，不會與機床產生干涉，方便手爪出入機床。但傳統的4點式手爪中的4個接觸點很難保證4點同心，對零部件加工和裝配精度要求極高，而自適應4點同心手爪增加了一個旋轉關節，在旋轉關節上的2個接觸點可以自動適應工件的形狀，手爪4點圓心的位置則由另外2個固定接觸點確定。

1 自適應4點同心手爪的結構組成

如圖1所示，自適應4點同心手爪由手爪臂、旋轉關節、接觸輪等組成。手爪臂上有2個限位點，可以限制旋轉關節在給定的范圍內活動。

圖1 自適應4點同心手爪結構組成

2 工作原理

在手爪抓取工件過程中，旋轉關節上的一個接觸點先與工件接觸，在進一步夾緊的過程中，旋轉關節會自動沿工件外形旋轉，進而調整旋轉關節上的另外一個接觸點的位置，使4個接觸點同心，保證手爪上的4個接觸點與工件完全接觸。

3 工件接觸點處受力分析

分析工件在不同類型手爪、不同狀態下4個接觸點處的徑向力和切向力，并作對比分析，計算其偏離率。

3.1 工件在理想情況下的受力分析

理想情況下接觸點O處的徑向力Fr0和切向力Fτ0計算公式：

式中：F0=F/2，sinα=L/（2R），F為手爪夾緊力。

圖2 理想情況下工件受力

理想情況下4個接觸點和工件完全接觸，工件在4個接觸點處的受力相同。

3.2 傳統4點固定式手爪實際受力分析

傳統4點固定式手爪在實際使用過程中，由于零部件加工及裝配精度，肯定存在偏差，其數值為ΔL，理論上有3點接觸，但實際上由于手爪臂和工件受力變形，最終會有4個點接觸，但4個接觸點受力極不均勻，影響手爪抓取的位置精度及工件表面質量。

圖3 傳統4點固定式手爪工件受力

接觸點處徑向力Fr5和切向力Fτ5：

式中，ΔL為手爪旋轉關節偏移量，R為工件半徑，L為旋轉關節上2接觸點距離。

3.3 自適應4點同心手爪實際受力分析

當旋轉中心點偏離ΔL時，圖4中幾何關系如下：

式中，Lr為旋轉關節節點到工件外圓的距離，α為接觸點偏移角。

圖4 自適應4點同心手爪幾何關系

接觸點3、4處水平方向受力F3、F4計算公式：

接觸點3處的徑向力Fr3和切向力Fτ3計算公式：

接觸點4處的徑向力Fr4和切向力Fτ4計算公式：

3.4 工件接觸點處受力偏離率計算

受力偏離率是指接觸點處的實際受力偏離理想情況的比率。為了保證工件表面加工質量，4個接觸點處的受力要均勻，偏離率應控制在合理范圍內。

圖5 自適應4點同心手爪工件受力

徑向力偏離率計算公式為

切向力偏離率計算公式為

式中，Fτ為實際切向力，Fr為實際徑向力，Fτ0為理想情況下的切向力，Fr0為理想情況下的徑向力。

3.5 實際案例下的受力計算

實際案例下取 Lr=16 mm，L=200 mm，R=250 mm，ΔL=2 mm。

1）理想情況下工件接觸點處徑向力和切向力大小。

代入式（1）、式（2）經計算得：F0=；Fr0=F0×cosα=。

2）傳統4點固定式手爪工件接觸點處徑向力和切向力大小。

代入式（3）、式（4） 經計算得：F5=F；Fr5=F5×cosθ=。

3）傳統4點固定式手爪工件接觸點處徑向力和切向力偏離率。

代入式（9）、式（10），ΔFr5=×100%=100.8%；

×100%=96%。

4）自適應4點同心手爪工件接觸點處徑向力和切向力計算。

接觸點3處的徑向力和切向力大小：

代入式 （5）、式 （6），F3=F4=F/2，Fr3===0.203F。

接觸點3處的徑向力和切向力偏離率：

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

接觸點4處的徑向力和切向力大?。?/p>

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。

接觸點4處的徑向力和切向力偏離率：

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

經過上述計算可知，當旋轉中心點偏離2 mm時，傳統4點固定式手爪接觸點處工件徑向力最大偏離率為100.8%，切向力最大偏離率為96%，而自適應4點同心手爪3、4點處徑向力偏離率分別為-0.274%和0.38%，切向力偏離率分別為1.5%和-1.5%。由此可見自適應4點同心手爪4個接觸點處的受力更加均勻。

4 實際應用

輪轂機加工廠自動化生產線上利用機器人進行機床上下料，與之配套使用的自適應4點同心手爪可以實現工件精準取放，減小了調試難度，并且提高了產品良品率。

自適應4點同心手爪同樣可以抓取方型及不規則形狀工件，可以廣泛應用于上下料、裝配、搬運、機加工、清洗等環境。

5 結語

本文對傳統的4點固定式手爪結構進行了優化設計，提出了自適應4點同心手爪結構，降低了手爪零部件的加工和裝配精度，而且可以提高手爪抓取的位置精度，并分析了4個接觸點處的受力情況，經計算驗證，其受力情況明顯好于傳統的4點固定式手爪，可以最大程度地減少手爪對工件表面質量的影響。

［1］ 舒幼生.力學［M］.北京：北京大學出版社，2005.

［2］ 吳拓.現代機床夾具典型結構圖冊［M］.北京：化學工業出版社，2011.

［3］ 王建國.機械加工工藝［M］.北京：電子工業出版社，2012.

［4］ 濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.8版.北京：高等教育出版社，2006.