夹持力和能源的关系

2025-09-29 历史故事版权反馈

【摘要】：图3.86张角型机械手带有活塞的驱动结构总的来说，气动驱动在自动化技术中占有一席之地，并且在全球的大多数应用中使用。图3.87电机转速和机械手行程图3.88电动机械手闭合节拍内的行程和速度机械手传动机构也受到该控制的保护，否则不一定能实现机械手长时间的使用寿命。图3.91使用平直式电机安装的电动机械手的应用范例液压系统用于对夹持力要求特别高的应用，例如锻造部门。

作用在工件上的力可以由不同的驱动产生。根据机械手的应用范围，可以使用不同的驱动类型来获得所需的力和抓取路径。气动驱动是目前自动化技术中最常用的驱动方式。

借助于活塞实现机械手组件内的气动驱动，该活塞产生平移运动。这种驱动类型具有稳固的设计和拥有成本效益的生产。由于压缩空气用于大多数生产过程，因此通常可以使用这种类型的能源。

压缩空气驱动装置的高能量密度使得紧凑的设计成为可能，这是在许多情况下选择机械手组件的决定性因素。使用气动驱动器实现的力/质量的比率仍然优于电动驱动器。即使在恶劣的环境条件下（如冷却液、灰尘），其也具有有足够的可用性和耐久性。当暴露在强烈的电磁场中时，气动驱动器甚至可以毫无问题地运行。对于更长的抓取行程，可实现的打开和关闭时间也非常快，并且防爆功能不会成为压缩空气驱动的障碍。

压缩空气驱动设计在过去几年中一直不断发展和优化。今天，一些制造商甚至生产椭圆形活塞，以便在空间内容纳更大的活塞表面（NSR自由形状活塞——SCHUNK）。虽然这种设计的生产成本更加昂贵，但它可以在同一空间内产生更高的能量密度。

基爪2的运动通过楔形块6同步（图3.85）。活塞7向上移动并推动楔形块，使基爪导向槽更高，基爪被彼此推离。机械手手指安装座或基爪在多齿型导轨装置1中被引导。传感器3监控基爪是否到达其最终位置，即手指是关闭还是打开。这种独立的传感器系统和电动机械手之间存在巨大差异。

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图3.85　气动机械手模块剖视图（来源：SCHUNK）

在张角型机械手内，能量传递可以非常紧凑地从活塞到传动机构。这是由于旋转安装机构A和手指B对机身C的尺寸方面产生了某些益处，特别是在与平动型机械手相比的机械手模块的宽度方面，如图3.86所示。

张角型机械手的纤薄设计使其适用于狭窄的空间。由于结构简单，它也是一种更具成本效益和更轻巧的替代品，可以替代坚固耐用的高性能平动型机械手设计。

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图3.86　张角型机械手带有活塞的驱动结构（来源： SCHUNK）

总的来说，气动驱动在自动化技术中占有一席之地，并且在全球的大多数应用中使用。然而，在过去几年中，越来越多的客户开始关注生产成本结构更综合的方法。许多人已经认识到，就其较低的生产效率和生产损失而言，压缩空气可能会有节约。因此，单位时间压缩空气消耗率正成为投资决策的共同标准。这主要涉及开放式压缩空气系统，其中压缩空气用于产生真空。吸气时，用于具有闭合活塞系统的机械手需要的压缩空气少得多。

因此，许多公司在没有使用压缩空气的情况下进行生产。在接下来的几年里，我们可以预期会看到机械手压缩空气方面的转变，尽管这可能会在数十年而不是数年内发生。许多较旧的工厂不能简单地转换为使用电驱动，并且仍有许多电动机械手无法满足应用。

尽管电动机械手已经被讨论了很长时间，但仅仅在过去的几年中它们才达到与更便宜的气动选项竞争所需的性能水平。与平动型气动机械手相比，电动驱动通常使用电机或旋转驱动器。这些完全不同的驱动类型导致两种机械手类型的力参数完全不同。

沿着行程的速度的变化清楚地表明，为了避免与工件产生强烈冲击，当关闭电动机械手手指时，电机不能以恒定速度被驱动，需要降低速度，图3.87示出了沿手指行程的速度和转速变化。

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图3.87　电机转速和机械手行程（来源：SCHUNK）

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图3.88　电动机械手闭合节拍内的行程和速度（来源：SCHUNK）

机械手传动机构也受到该控制的保护，否则不一定能实现机械手长时间的使用寿命。机械手行程及其速度轮廓的这种可控性和再现性相对于电动机械手具有显著的优势（图3.88）。

通过对这些参数的不间断检测，调试工程师可以更加准确地控制机械手组件。可以精确同步节拍时间，从而减少延迟和等待时间。到目前为止，气动系统需要一定的安全节拍来计算工作过程中的起步扭矩（如驱动活塞的黏滑效应）。目前，可以预测准确机械手张开动作所需花费的时间。

检测还可在机械手磨损时提供反馈，并可为操作人员提供有关组件预防性维护的重要信息，可以确保整个工厂的OEE值更加真实。机械手故障会对工厂运行产生严重影响，可能导致员工停工、机器损坏或危险情况。(https://www.chuimin.cn)

电动机械手的设计与气动机械手的设计完全不同。只有机械手手指安装件1和安装导向件2可以以类似的方式设计(图3.89)。通常需要传动机构将旋转运动转换为平动型机械手运动3降低电机转速。驱动单元设计为电机4的形式，其由电子控制设备5驱动。总的来说，抓取组件形成一个紧凑的单元，提供与其气动竞争对手相似的机械结构选项。

根据电机安装位置，机械手手指可以设计成平直或细长形状。图3.90所示的手指设计说明了一个平直安装驱动装置A。其中，由于手指安装件B沿着齿形带传动装置C的运动传递，因此可以有更大的行程。

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图3.89　EGP电动机械手的设计（来源：SCHUNK）

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图3.90　带有水平方向平直安装电机的EGI电动机械手（来源：SCHUNK）

这就意味着机械手可以应用于更广泛的工件。可以通过能量供给精确调节工件上的有效夹持力，还可以通过检测电机电流控制在搬运过程中牢固夹紧工件的程度。

现代制造商不需要安装软件来对这种智能机械手组件进行编程，这可以通过使用传统Web浏览器的以太网TCP/IP实现。所需的Web服务器通常已作为标准集成到机械手中。Web服务器还可以用作远程故障诊断和发送工作状态电子邮件的附加工具。

经常使用的功能已作为机械手指令包含在机械手软件中，从而将编程工作量降至最低。机械手的功能范围可以通过内置的脚本语言单独适应特定应用。创建的程序模块在micro SD卡上运行，可用于更新或机械手设定参数的传输。按照这种机械手原理，能够实现机械手单指100 mm以上的行程和120 N以上的夹持力。

除了更高的能源效率之外，电动驱动提供了更灵活的设备排布设计的可能性和更复杂的抓取工艺方面的优势。为了充分利用这些优点，需要更多的编程工作，这仍然是使用这种新型机械手驱动技术的常见障碍（图3.91）。

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图3.91　使用平直式电机安装的电动机械手的应用范例（来源：SCHUNK）

液压系统用于对夹持力要求特别高的应用，例如锻造部门。通过非常紧凑的机械手设计可以达到相当高的夹持力。液压驱动允许在大的调整范围内连续调节机械手手指的均匀移动速度。夹持力也可沿着手指的运动路径保持恒定。由于运动元件的低惯性和液压油的低压缩性，可以在小行程范围内达到最大力。

液压驱动的缺点是维护要求很高，因为机械手和供应管路上的泄漏会导致严重的抓取错误。与其他驱动类型相比，液压系统的能量供应更加困难，因为在大多数生产中很少提供相应的供给设备，并且必须单独安装。即使使用压缩空气和电力，介质供给也不是很简单，特别是对于具有高动态和复杂运动路径的搬运系统。这些因素对液压系统提出了挑战。

压电驱动器非常适合小型、快速移动的场合。该驱动技术配备高能量密度系统，是生产紧凑型微型机械手驱动器的绝佳选择。

压电驱动器的可控性也优于气动驱动器。由于这种驱动类型只能实现有限的力和行程，因此仅限于微型应用，其适用零件的多样性也受到限制。

图3.92显示了不同的驱动器类型及其最重要的优点和缺点。

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图3.92　机械手驱动原理及其性能特点（来源：Fraunhofer IPA）

在负载方面，现代液压和气动驱动器涵盖了最高的负载条件范围。电动驱动解决方案的紧凑设计无法与其竞争的驱动类型完全保持同步。液压和气动系统在负载量能力方面是最好的。只有那些带压电驱动器的机械手才限于小工件尺寸。使用传统的驱动器类型也可以实现复杂的系统。气动和电动驱动在速度方面领先于其他驱动类型。在可调节性方面，气动驱动明显落后于其他驱动类型。

但正是这一特征对于未来的自动化变得越来越重要，因为与之相关的柔性也可以促进可控性。

通过夹紧过程可以获得的数据也由驱动原理提供，而且无须额外的传感器技术。生产专家希望利用这些精确的信息提高生产力。

夹持力和能源的关系

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