原标题：工业应用气动夹持器的基础知识

　　气动夹具是工业应用中用于抓取和提升、保持、旋转和放置物体到设定位置的机电设备。这些夹具通常安装在工件加工机器或六轴、笛卡尔或选择性顺应性关节机械臂 (SCARA) 机械臂的最远端，作为执行各种材料处理任务的末端执行器。与过去几十年在控制、传感器和反馈连接方面取得的进步相辅相成，气动夹具运动(主要用于抓取和释放)通常与它们安装的机器轴或机械臂的运动相协调。

　　气动夹爪操作

　　图 1：此处显示的是机械臂末端的两指气动夹具。下颌手指与要抓取的物体进行物理接触，并允许夹具抓住和释放物体。(图片来源：卡扎科夫•盖蒂图片社)

　　图 2：平行、三指和倾斜夹具是工业应用中最常见的三种夹具类型。此处显示的三指气动夹具具有偏移 120° 的手指，可轻轻拉伸 O 形环并将其安装到接收轴上。(图片来源：雄克)

　　气动夹具无疑是工业应用中最常见的夹具类型，涉及机器人拾取和放置、机床、工件加工和装配任务。虽然一些气动夹具采用气囊式和吸盘末端执行器的形式，但带有手指或钳口的气动夹具是最普遍的，并且通常在没有给出其他上下文的情况下假定。

　　颚式气动夹具依靠压缩空气进行操作。根据一些命令信号，阀门允许空气通过内部通道并激活机械联动装置——进而打开和关闭夹爪。支持这组主要子组件的是气动软管、控制子组件和接线、用于连接到机器和机器人的安装法兰、故障安全机制以及封装这些组件的外壳。

　　虽然释放位置(由机械压缩弹簧保持)通常是默认位置，但市场上也有默认为抓取的夹具设计。在默认关闭(抓取)位置的情况下，弹簧提供抓取力……并允许压缩空气进入抓取器用于打开钳口。事实上，某些夹持器依靠压缩空气来实现抓取和释放力。

　　Update on Pneumatic Grippers for Industrial Pick-and-Place Operations

　　Pneumatic grippers are electromechanical devices used in industrial applications for grasping and lifting, holding, rotating, and placing objects.SharePlay Video视频 1：在一个常见的变体中，气动夹具通过专用软管连接到压缩空气系统。压缩空气的力使活塞移动，进而(通过一些齿轮、肘节或滑动连杆)使外部钳口在其行程范围内驱动。(视频来源：Schunk)

　　控制进入气动夹具的空气通常依赖于预编程的抓取释放周期……或者(在更复杂的应用中)来自检测所持物体的传感器的反馈。

　　气动夹具的类型

　　图 3：Schunk 的 PGN-plus 系列中的双指平行夹持器可提供较长的钳口行程，包括密封件、防污圆形直线导轨和高强度铝合金外壳，以适应肮脏的工业环境。(图片来源：雄克)

　　颚式和手指式气动夹具按其分类：

　　运动学布置、手指数量、动作和安装类型

　　物理尺寸和最大夹持力

　　颌骨和房屋建筑——包括防护等级

　　连接到常见的工业控制网络

　　气动双指夹持器于 1970 年代首次商业化，是当今应用最广泛的——占所有气动夹持器应用的一半以上。这些设计中的手指在枢轴点上滑动或摆动，以像门或龙虾爪一样围绕目标物体关闭。他们可以采用平行下颌动作或倾斜手指动作。

　　具有平行爪动作的气动夹具：在平行夹持器中，两个手指沿上夹持器主体的轨道在同一轴上以直线运动向内和向外滑动。通常，向内滑动动作是抓住工件或其他物体的动作。然而，其中两个手指向外滑动以从其内径固定空心或开口工件(例如O形环或圆柱体)的应用比比皆是。这些极其简单的夹具的好处比比皆是。这种夹具的各种子组件比其他的更容易制造，使这些夹具非常具有成本效益。此外，在整个手指行程中都有一个稳定的夹持力——这简化了与涉及精密或其他压力敏感工件的应用相关的工作。最后，

　　带角度手指动作的气动夹爪：在这些夹持器中，手指的驱动端被固定在一个固定的枢轴点上。在施加气动动力时，活塞作用和机械楔形元件使手指像落地门一样摆动关闭(或在其他变体中，打开)。在打开位置，夹爪向外翼展超过夹持器主体或直接伸出。在闭合(通常是抓握)位置，抓手手指的尖端向内倾斜以闭合成锥形抓握形状。使用这些夹持器时的一个设计警告是，与平行手指类型不同，有角度的手指具有有限的行程，并产生沿致动行程变化的夹持力。也就是说，在直接活塞作用下的有角度的手指夹持器可以具有非常高的夹持力 - 高达 2,300 N 或更高。

　　更高的手指计数：三指和四指夹持器

　　在两指气动夹具不适合处理操作工件的情况下，三指和四指夹具(甚至在专业人形机器人应用中的五指夹具)可以提供更好的抓取支持和稳定性。不过需要明确的是：所有此类夹持器都远不如两指夹持器常见……而且只有三指夹持器在工业应用中很常见。它们更高水平的适用性是有代价的，但三指夹持器可以抓取工件和其他具有更复杂或更具挑战性的几何形状的物品。所谓的自定心三指气动夹持器包括三个均匀间隔的手指(在机器卡盘上相距 120°)，因此需要更换手指以改变操作。这些向内靠近以在中心点夹持工件。相比之下，所谓的自适应三指气动夹持器将两个手指放在一起，第三个手指像拇指一样相对。在移动机器人中最常见的是，这种夹具可以通过多种方式抓取物体，以适应给定工件几何形状的变化。

　　内部夹持和双作用

　　尽管大多数气动夹具用于在其外部(接触外部物体表面)周围抓取或支撑零件，但内部抓取操作对于许多装配应用来说是必不可少的。在这里，抓手手指张开以从内部抓取具有中空几何形状的物体。在某些情况下，夹持器可以同时进行外部和内部夹持操作——尽管必须设计为同时具有这两种功能。

　　颚式和手指气动夹具也可以采用单动式和双动式夹具的形式。在单作用夹持器中，压缩空气的力产生夹持运动和力。一旦电源关闭，由于一个简单的压缩弹簧的作用，手指会返回并保持在原来的位置。相比之下，双作用夹持器需要压缩空气驱动来进行夹持和释放动作。事实上，如上所述，双作用夹持器可能既能进行内部夹持，也能进行外部夹持。

　　常见的气动夹具应用

　　图 4：Schunk PGN-plus 夹持器具有椭圆形活塞驱动装置。(图片来源：雄克)

　　气动夹具广泛用于工业环境，特别是用于自动化工作单元、装配和生产线、与先进制造相关的机器管理、危险工厂区域、物流以及自动化仓储操作。一小部分但不断增长的商业、娱乐和消费机器人应用(包括移动仿生学)也使用气动夹具。

　　考虑在食品和饮料加工和包装设备中用于材料处理的气动夹具。在这里，气动装置的清洁操作是一项资产 - 气动驱动的手指抓手补充了其他气动气囊和吸盘类型的使用，以处理从盒子和酒瓶到鸡蛋和糖果袋的所有东西。相比之下，机床应用中的夹持器通常仅针对一种工件类型而设计——在某些情况下，甚至在执行加工或其他过程时还负责夹持这些工件。在气动夹具涉及组装或分拣和选择的情况下，它们通常由传感器甚至机器视觉系统支持以指导它们的动作。否则，夹具中的霍尔效应和接近传感器可以提供足够的反馈。

　　气动夹具的优点和局限性

　　气动夹爪与其他夹爪类型相比的一个主要优点是它们有多种尺寸和夹持力，从几牛顿到几千牛顿不等，并且可以适应不同的应用——即使是那些需要每小时重复数千次的应用. 工业气动夹具还为精密自动化任务提供无与伦比的可重复性。此外，气动夹具：

　　运行成本和功率是否有效

　　轻巧紧凑——尤其是与某些基于电机和液压的选项相比时

　　与液压和电动同类产品不同，气动夹具在很大程度上不受其工作环境的影响。这与带有敏感电子设备的电动夹持器形成鲜明对比，后者在潮湿环境中可能会发生故障。

　　当然，气动夹具确实有一些缺点和限制。这些主要与气动设计和压缩空气系统的运营成本和复杂性有关。此类系统的初始设置可能既昂贵又复杂。也就是说，如果工业运营已经在其他地方使用压缩空气系统，则存在规模经济。

　　气动夹具选择标准

　　为给定的材料处理应用确定气动夹具的尺寸和规格应该从明确定义关键设计参数开始。

　　尺寸和夹持力：气动夹持器应该足够打开以容纳被处理的物体。所需的气动夹具手指力取决于被处理物体的重量以及手指与物体的摩擦系数、手指与物体的接触面积以及抵消相对手指的力。高度工程化的抓手手指材料和涂层可以提高手指与物体的摩擦系数。当然，用于食品或制药应用的气动夹具的夹爪必须由 FDA 批准的材料制成或涂有涂层。

　　所处理的部件尺寸和重量的比例存在很大差异——轻质但体积大的物品通常会构成最大的夹具设计挑战。

　　零件几何形状：处理具有复杂几何形状的物体通常需要使用三个而不是两个手指的气动夹具。在一系列工件的几何形状可能略有不同的情况下尤其如此。但在工件一致的情况下，双指夹持器可以结合定制的表面和形状，以适应这些物体上的特定夹持点。两指夹持器的成本节约通常可以证明在该解决方案满足操作要求的任何地方使用它们是合理的。

　　操作环境：气动夹持器轴承、内部机械元件和外壳比比皆是，以满足清洁和污染的操作环境。尤其重要的是气动夹具的温度额定值(规定了夹具最佳工作的范围)以及定义给定夹具在进入之前可以抵抗的颗粒物质和水分水平的 IP 等级。

　　结论

　　气动夹具是机器人末端执行器，对于生产线上的材料处理至关重要。这些夹具夹持、定向和放置工件和其他物体以进行加工、与其他零件组装或剔除——就像通过质量控制站的传送带一样。尽管气动夹具操作所需的压缩空气系统存在缺陷，但它们通常是最清洁、最快和最适合零件处理的选择。