一種多行程氣動夾爪的設計

宋文盛 上海智能制造功能平臺有限公司

1 前沿

隨著工業機器人技術的不斷發展成熟，傳統的制造業逐步向用工業機器人代替人工生產的智能制造方向快速發展，工業機器人在焊接、碼垛、涂裝等生產過程中廣泛應用，在節省勞動力成本，降低勞動強度及提高生產效率方面起到至關重要的作用。

近期我公司接到一個電磁閥毛坯自動上下料訂單，由于電磁閥（形狀是長方體）在不同工位加工面不一樣，因此要求在上下料過程中機器人在不同工位夾持的方向（長寬方向）不一樣。若機器人夾爪方案采用傳統單個氣動夾爪的方式，夾爪只有伸出縮回兩個位置，在夾取小尺寸方向時會占用較大面積，工件擺放密度較為稀疏，生產效率較低；若采用多個夾爪來完成任務，在實際抓取過程中機器人需要經常更換夾爪來滿足裝夾需求，多個夾爪成本高，且經常換手，生產節拍加長，生產效率變慢；或采用專業的電動夾爪，電動夾爪雖說靈活性大大提高，但由于成本過于昂貴，且夾持力有限，并不能滿足大部分機器人夾爪需求。因此針對多個尺寸的裝夾要求合并到同一個夾爪且較為小巧中則成了此次設計的方向。

2 實施方案

本文針對夾持一款電磁閥工件（長方體）長寬不同方向（兩個尺寸不同且相差不大）設計了一種多行程的氣動夾爪，此單個夾爪可夾取長方體工件長寬不同方向且夾取兩方向時占用面積較小，可滿是實際生產需求并提高工件擺放密度，提高生產效率。

我們所設計的多行程氣動夾具主要以傳統夾持氣缸為基礎，在此氣缸的旁邊增加一限位氣缸。通過限位氣缸帶動限位擋板的移動來限制夾持氣缸的夾持行程，從而滿足夾持力不變情況下夾取同一工件不同尺寸的要求，且占用面積較小。

在選取夾持氣缸時，需要考慮以下方面：

（1）工件夾持點在氣動夾爪使用范圍內，超出范圍會導致工件夾持不穩，減少夾爪使用壽命。

（2）考慮工件和附件之間摩擦系數及形狀不同，夾爪夾持力在工件質量的10～20 倍以上，并考慮到在機器人搬運工件時會有較大的加速度和沖擊力，夾持氣缸夾持力還要留一定的安全余量。

（3）夾持氣缸的夾持范圍要大于所夾持工件的尺寸。

所設計的夾具如圖1 所示，由：1-夾持氣缸、2-限位氣缸、3-限位擋板、4-機器人法蘭、5-位置傳感器、6-檢測板、7-電磁閥、8-導向軸組成。

圖1 機器人夾爪示意圖

此氣動夾爪在工作時有兩種工作模式：

模式一：夾取長度方向尺寸。在夾持氣缸縮回狀態下，限位氣缸2 收縮，帶動限位擋板3 沿導桿8 方向向上移動，解除對夾持氣缸1的行程限制，此時夾持氣缸1 行程范圍能從自身的縮回位置達到自身的伸出位置，能夠全尺寸伸縮。此模式夾爪夾持最大尺寸超過工件長度方向以方便在長度方向夾取工件。

模式二：夾取寬度方向尺寸。在夾持氣缸縮回狀態下，限位氣缸2 伸出，帶動限位擋板3 沿導桿8 方向向下移動，對夾持氣缸1 的行程進行限制，此時夾持氣缸1 行程范圍能從自身的縮回位置達到限位擋板3 的凹槽邊界位置（此位置沒達到自身的伸出位），以此來限制夾持氣缸1 的極限尺寸。此模式下夾爪夾持最大尺寸會稍大于寬度方向尺寸但夾持氣缸1 卻并未全部伸出，以達到既能在寬度方向夾持工件又節省空間，提高工件的擺放密度。

當機器人夾取工件長度方向時，采取模式一，夾持氣缸1 伸長達到伸出位置，此時夾爪夾持尺寸大于長方體工件長度，夾持氣缸1 自帶的檢測伸出位置傳感器檢測夾爪位置已在伸出位置，并通知機器人可以夾取工件，機器人帶動夾爪達到指定位置夾取工件，此時電磁閥7 控制夾持氣缸1 收縮，若夾到工件，跟隨夾爪運動的檢測板6 會達到位置A，此時A 位置的傳感器5 會給機器人信號表示機器人已成功夾到工件可進行下一步動作，若未夾到工件，夾持氣缸1會完全收縮，夾持氣缸1 上自帶的檢測縮回位置的傳感器將會有信號輸出，通知機器人未成功夾到工件，此時機器人會重復夾取或夾取下一個工件，在夾爪伸縮過程中位置傳感器ABC 雖會在檢測板6 移動過程中有瞬時信號，此可通過控制過濾其信號，只檢測最終信號。

當機器人夾取工件寬度方向時，采取模式二，夾持氣缸1 伸出，但由于限位擋板3 的限制，夾持氣缸1 的夾爪只能達到限位擋板3的凹槽邊界位置，并未完全伸出。此時隨夾爪運動的檢測板6 會達到位置C，，而C 位置的傳感器5 會通知機器人夾爪可夾取工件寬度方向。機器人控制夾爪達到指定位置夾取工件，此時電磁閥7 控制夾持氣缸1 收縮，若夾到工件，跟隨夾爪運動的檢測板6 會達到位置B，此時B 位置的傳感器5 會給機器人信號表示機器人已成功夾到工件可進行下一步動作，若未夾到工件，夾持氣缸1 會完全收縮，夾持氣缸1 上自帶的檢測縮回位置的傳感器將會有信號輸出，通知機器人未成功夾到工件，此時機器人會重復夾取或夾取下一個工件。在夾爪伸縮過程中位置傳感器ABC 雖會在檢測板6 移動過程中有瞬時信號，此可通過控制過濾其信號，只檢測最終信號。

通過以上對傳統氣動夾爪的改造，可實現多行程夾取工件，以較低的成本實現順利夾取長方體工件的長寬方向，以此來提高工件擺放密度，提高生產效率。

3 應用

通過對該氣動夾爪的設計，我們已經成功為國內某電磁閥生產廠家開發出機器人自動上下料系統，整體布局較為緊湊，并成功投入到實際生產當中，幫助企業節省勞動力成本，減輕勞動強度，并取得較好的經濟效應。

4 結語

該氣動夾爪的設計，達到了預期的目的，可借鑒到其他類似方案的設計中，以達到降低生產成本提高生產效率的目的。但需要注意到是，該氣動夾爪相比傳統的夾爪增加了多個檢測位置傳感器，對于控制提出了更高的要求，從而減少產生誤操作，避免影響整個生產節拍。