夾持機械手爪設計與夾持力分析

秦楚喬

摘 要：夾持機械手爪普遍應用于夾治具或機械手爪等夾持工作，其夾持方式有支點型夾持（一般稱之為Y型夾爪）、平行型夾持、以及同心型夾持三種。支點型夾持結構設計較簡單，由于支點型之夾持位置為點接觸，若將其調整為面接觸，則夾持面之掌握較不易；平行型夾持結構雖然設計較困難，但其開度可由設計者決定，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合高精度的滑軌，以達到高精度需求，一般應用于夾持工作且于車床加工者，則采用同心型夾持結構。

關鍵詞：夾持機械手爪；平行型；設計

一、平行型夾爪概述

如圖1所示，夾爪于夾持時是面接觸，松開時有一開距L0，此開距依設計結構不同而有所差異，在業界所指的開距為2L0，一般在4mm～20mm的范圍，稱為小開距，大開距范圍則為20mm～100mm。平行夾爪松開時的開距為L0，夾持時則會移動LC的夾持距離，兩者相減必須預留1mm～3mm，如此夾爪才能將工件夾住。

設計結構主要有關節型、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、以及馬達驅動型等六種類型。

二、平行型夾爪結構設計原理

1.關節型平行夾持結構

此型夾爪在產業界應用較廣泛，開距（即夾爪開與閉兩狀態位置的差異度）一般4mm～14mm，夾持力最高可達6kgf，由于夾爪的閉開采用高精度滑軌導引，因此往返精度可達±0.01mm。

2.凸輪型平行夾持結構

本機的設計重點在于利用凸輪作平行夾持的功能。此型精度亦可達±0.01mm，適用電子廠極輕巧的工件夾持，開度范圍最大為16mm，夾持力最大為1kgf。

3.雙齒條單活塞型平行夾持結構

利用此型結構的優點在于開度范圍較廣，一般市購規格品可達60mm，出力值可達16kgf，但因齒隙關系，此型的精度較低。

4.雙活塞型平行夾持結構

本型結構與雙齒條單活塞平行夾持結構類似，不同之處為夾爪的夾持力為雙活塞運動，如此可增加2倍的力，但此機本體尺寸比單活塞型大，且本結構僅借雙活塞同時運動，達成雙爪同時開或閉功能，而前節的單活塞型系借單活塞運動并透過齒輪、齒條的牽動，達成雙爪同時開或閉的功能。

5.一端固定另一端平移夾持結構

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

6.馬達驅動的平行夾持結構

齒輪由馬達驅動，馬達若逆向旋轉，齒條1與齒輪2分別向左移與向右移，則夾爪呈開狀態，反之則呈閉狀態，如果齒條裝上夾指并設計加裝高精度的導引機械，如導桿與滑軌等，則本機械即可構成俗稱“電動夾爪”的功能。

三、氣壓夾爪力的分析與實驗

將夾爪的夾持力加以分析，并通過實驗來驗證理論的可行性，其結果可為設計者在夾爪產品開發上提供一定的依據。

1.平行夾爪力分析

圖2所示為平行夾爪結構圖，P為氣壓運動壓力，D為活塞直徑。平行夾爪往內夾持時的運動方式與Y型夾爪不同，Y型夾爪夾持的運動為活塞桿端，面積，而平行夾爪的運動為活塞端，故面積為。

2.氣壓平行夾爪單動式夾持力實驗

氣壓平行夾爪單動式夾持力公式理論值與實驗測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為距支點的相對位置，L2=17.07mm，，θ=8.19°。L1=17.61mm 等代入上式可得Fout1 理論出力值。

（2）氣壓平行夾爪單動式夾持力理論值與實驗值曲線圖：

（3）實驗結果探討：從圖3可以看出，氣壓平行夾爪單動式夾持力，理論值與實驗值的誤差范圍在20～50%。造成誤差的原因，可歸納為活塞磨擦力、活塞桿磨擦力、夾爪滑軌及結構磨擦力、滑軌間隙、及夾爪強度。

（作者單位：武漢紡織大學）