基于楔形块夹取机械手的结构设计

许 颖 刘华华 雷 波

(湖北三峡职业技术学院，湖北 宜昌 443000)

1夹取机械手的基本要求及驱动系统选择

夹取机械手设计的基本要求为：(1)工件夹取的过程中要保证适当的夹紧力；(2)手指应具有工作所需的开闭范围；(3)要能够提高工件夹取的效率；(4)要求结构简单、重量轻、成本低；(5)要实现夹取非标工件的特殊要求。

夹取机械手的驱动系统选择是设计中非常重要的一个环节。目前使用较多的驱动系统主要有液压、气压和电动3大类，也可以按照需要将这3种基本类型组合成复合式的驱动系统。

液压驱动的机械手技术比较成熟，在这几种驱动系统中具有最高的承载力，动力也是比较大的，由于自身重量相对较大，整体结构的刚性和强度也是比较好的，在工作中容易实现直接驱动等特点，但也是因为这些优势，使液压驱动机械手的制造成本比较高。气压驱动的机械手则是这几种驱动系统中最为灵活的，它的工作速度比较快，整体结构也比较简单，由于自身重量比较轻，所以在维修和保护方面比较方便快捷，它的制造成本不是很高，价格也较低，但也正是因为它的这些特点，使气动驱动机械手的负载能力比较差，佩服控制也不太好实现。电动驱动的机械手是工作范围和使用比较多的一种机械手，因为它的惯性低，而且使用的条件比较简单，所以这种驱动机械手容易在大范围内发生作用。

该夹取机械手的驱动系统在选择时要考虑到以下几个方面：(1)要快速、准确地夹取产品；(2)具有工作需要的承载能力、足够的工作空间以及在任意位置都能自动定位等特性。根据夹取机械手设计时的基本要求和驱动系统的选择因素，结合本次设计中所针对的夹取工件属于轻载荷的特点，故选用气动驱动系统。

2机械手抓取对象及现存问题

该机械手的研究对象为非标产品的夹取，执行动作为抓紧—放松，产品较轻，故采用气压传动提供动力。产品的直径在15～80 mm间变化，即当抓取80 mm工件时，手指从张开120 mm减小到80 mm，楔块向前移动大约40 mm，同时要保证足够的夹紧力。非标产品的自动化生产设备中，工件的夹取广泛运用夹取机械手进行辅助操作，在对此类夹取机械手进行结构设计探讨的过程中，我们主要研究了2种不同的结构：

第一种结构中机械手的2个手指分别由2个气缸来驱动，但这种夹取机械手有可能存在2个气缸在工作过程中出现动作不一致的现象，从而导致机械手中2个手指的伸缩不同步，致使在夹取工件时容易对工件产生冲击，进而可能造成工件某种程度的损坏。

第二种机械手结构中的2个手指均采用铰接的方式进行连接，并对2手指进行交叉布置，利用连杆机构驱动手指的运动，连杆机构则依靠气缸直接驱动，这种结构可以避免机械手中手指的不同步，但是这种结构的机械手相对复杂，需要较大的安装空间，致使成本比较高。

3基于楔形块夹取机械手结构设计概述

为解决上述问题并满足使用要求，如图1所示，基于楔形块夹取机械手的结构主要是通过铰接螺杆将机械手的夹取手指进行对称布置，夹取手指的夹取工作部分的端面被加工为弧形，在夹取工件时，具有弧形端面的2个夹取手指相互配合，可以适合多种不同形状的产品。气缸的活塞杆末端直接连接楔形块用以驱动夹取手指转动，2根夹取手指之间的布置设计为对称安装，且用弹簧进行连接。

因为夹取手指的夹取端工作面上加工有弧形槽，可以用于和工件相配合，再加上2根手指之间利用的弹簧连接，特别方便不规则零件的夹取稳定。而楔形块采用的等腰梯形结构，用楔形块分别驱动对称布置的2个夹取手指，由于等腰梯形斜边的作用，能够很好地保证2个手指夹取工件时的同步。为了进一步保证夹取工件过程中的安全，在夹取手指的内侧壁上设计了定位槽，可以更好地限定工作过程中2手指之间弹簧的位置。

4基于楔形块夹取机械手的结构优势

如图2所示，基于楔形块的夹取机械手结构包括气缸、手指安装座、活塞杆、定位销、紧定螺栓、手指铰接板、手指铰接螺栓、夹取手指、楔形块、弹簧等。气缸安装在手指安装座的侧端面，活塞杆末端穿过手指安装座与楔形块相连，手指安装座上布置有对称的凸台，凸台用以限定楔形块的工作位置，凸台的顶部利用定位销和紧定螺栓安装固定顶盖，机械手的夹取手指通过手指铰接螺栓固定在手指铰接板上，夹取手指与楔形块配合的部分被加工成圆弧面，与楔形块等腰梯形的斜面相切，当气缸活塞杆推动楔形块时，匀速同步地推动2个夹取手指的开合，借助2个夹取手指之间弧形端面和弹簧提供足够的夹紧力夹取产品。夹取手指的内侧壁上加工有定位槽，用以限定弹簧的工作位置。

该楔形块夹取机械手在夹取工件时，首先利用气缸推动活塞杆，使活塞杆伸出时驱动楔形块，然后由楔形块的2个斜面推动与之相切的夹取手指的圆弧面，使2个夹取手指绕着手指铰接螺栓转动，匀速同步张开，当2个夹取手指的弧形端面与所需夹取工件固定后，气缸带动活塞杆使楔形块后退，同时借助2个夹取手指间的弹簧夹紧产品。

5结语

基于楔形块的夹取机械手适用于非标产品的自动化生产，其结构简单，操作方便，而且无需较大的安装空间，节约成本。利用该结构实现了2个夹取手指的对称布置，确保2个夹取手指在工作过程中的同步开合，进而保护了夹取的产品，也保证了夹取精度。