机器人夹具的工作原理及工作方案

协作机器人的“能干”离不开其末端一系列智能工具，尤其是在搬运分拣等应用中，更是离不开夹具。目前国际知名的夹具品牌包括ATI，On Robot,JRT，欧地希、史陶比尔等，国内也有不少先进的夹具品牌，比如宇邦工业、北京软体等。

在大批量生产中，为了缩短装夹工件的辅助时间，往往采用装夹时间与产品加工时间重合的双工位高效夹具。因此，如何设计出一种气压传动的双工位高效夹具，是许多夹具设计人员经常面临的问题。下面就来介绍一种双工位气动夹具。

图1 夹具原理图

图1是夹具的工作原理图，其设计创意在于气缸活塞杆输出两端滚柱铰链采用对称设计，铰链连接 L形杠杆的设计实现夹紧力的放大。阀芯处于图（a）所示左位状态，压缩空气进入气缸左气腔，推动气缸活塞向右运动；右工位活塞杆则通过右边的滚柱铰链杠杆增力机构，对右工位的工件进行夹紧。此时左工位活塞杆拉动增力机构，使得左工位松开进行装卸。

当右边工件的加工过程完成后，其阀芯切换至图（b）所示右位工作状态，压缩空气进入右气腔，推动气缸活塞向左运动，左工位被夹紧。

左右两个工位如此循环交替工作，巧妙使用了空行程，由于工件的加工时间与装卸时间部分重合，节约了装卸时间，因而大幅度提高了生产效率。此设计仅采用一个驱动气缸，就能实现两个工位工件的顺序夹紧，工件的切削加工时间与装卸时间重合，同时夹紧单元平稳运动，最终得到最大的夹紧力，符合一般夹具对夹紧元件运动速度特性与夹紧力特性的要求。

四种方案

解决单气缸驱动双工位夹具同时夹紧非等高工件

采用“一个气缸一个工位”的原则所设计的传统双工位夹具具有结构不紧凑等缺点。为此设计了一种单缸驱动双工位夹具（图2），基本原理为: 当换向阀处于左位时，压缩空气进入气缸无杆腔，使活塞向下运动，带动铰杆-杠杆增力机构发生角度-长度效应。

图2 固定式的铰杆-杠杆增力双工位气动夹具

方案一

铰接式气缸的双工位气动夹具

图3 铰接式气缸的双工位气动夹具

将固定式气缸变为铰接式气缸，工作原理为: 当换向阀处于图3左位时，压缩空气进入无杆气缸腔，推动活塞向下运动，由铰杆-杠杆组成的机构实现了力的二次增大。活塞向下运动，当左边工件被夹紧后，铰接式气缸发生摆动，带动活塞一同摆动，通过活塞与铰杆-杠杆的复合运动使右边工件被夹紧，从而实现同时夹紧不等高工件。待工件加工完毕后，换向阀切换至右位工作，压缩空气进入气缸有杆腔，活塞向上运动，使夹紧元件松开工件。

方案二

铰接式活塞杆的双工位气动夹具

图4 铰接式活塞杆的双工位气动夹具

利用铰接式活塞杆的方法实现双点浮动夹紧工件。活塞杆的质量小于气缸的质量，活塞杆摆动时的惯性低于气缸，噪声有所降低，但惯性冲击和噪声依然存在。图4的工作原理与图2相似，不同之处在于: 当左边工件被夹紧后，活塞杆发生摆动，利用铰杆-杠杆的复合运动实现右边工件的夹紧。活塞杆为单作用运动，一般采用外力松开工件，在图4中弹簧的弹性能恢复推动活塞向上运动，使夹紧元件松开工件。

方案三

浮动式滑块的双工位气动夹具

图5 浮动式滑块的双工位气动夹具

在活塞杆中放置浮动滑块构成双点浮动夹紧气动夹具。如图5所示，压缩空气进入无杆气缸腔，推动活塞向下运动，当左边工件被夹紧后浮动滑块向右移动，通过铰杆-杠杆之间的复合运动实现右边工件的夹紧。与图3和4相比: 系统的结构刚性有所提高，惯性冲击和噪声较少；同时浮动滑块与滑槽之间的摩擦较大，浮动滑块对制造和安装的要求较高。

方案四

浮动式滚轮的双工位气动夹具

图6 浮动式滚轮的双工位气动夹具

为改善摩擦采用高副滚轮代替低副滑块。其工作原理为: 在滑槽内放置一滚子，两边的铰杆铰接于滚子中心。如图 6所示，换向阀处于左位时，压缩空气进入无杆气缸腔推动活塞向下运动，当左边工件被夹紧后，浮动滚轮向右移动，通过铰杆-杠杆的复合运动实现右边工件的夹紧。工件加工完毕，换向阀切换至右位工作，压缩空气进入气缸有杆腔，活塞向上运动，夹紧元件松开工件。

结语

单气缸双工位的气动夹具最大的利用了机床的运动能力，工件的切削以及装夹时间重合，节能同时效率提高。针对不能夹紧非等高工件的特点也可以使用上述四种方案来解决，4种解决方法均是解决自由度不足的问题，通过增加一个自由度，从而实现双点浮动夹紧工件。