有效表面对力和形位的影响

只要工件上有多个接触面，就必须选择力或形位机械手抓取类型。由这两种类型组成的混合型机械手也可以是一种选择。在展示的纸板包装示例中可以看到，当形状锁定（反向抓取机械手）和吸附式锁定（横向力）时根据需要组合以固定工件。

使用形锁抓取时，每个机械手手指的形状基于工件形状，这在产品保护和机械手安全性方面具有重大优势。这些类型的机械手锁定抓取在工艺可靠性方面是无与伦比的。

然而，当抓住各种物体时，出现了与柔性相关的相当大的不利因素。在这种情况下，经常使用混合类型的机械手或可调节的几何形状。

基本上，手指可以设计成具有刚性或可调节的有效表面，这样可以抓取和搬运各种各样的工件。刚性有效表面可以细分为两种类型，即仅有一个有效表面并且只能搬运一种形状的类型，以及包含多个有效表面的类型（表3.11）。

表 3.11 有效接触表面设计的可选项（来源： Warnecke，Schraft）

只有一个有效表面的手指只能抓住具有特定几何形状的工件。其中，圆形材料是一个例外，因为夹爪能够搬运各种直径的工件。否则，目的始终是尽量避免更换手指或是整个机械手。因此，当涉及将手指形状特定地适应工件时，目的是将单独的有效表面或多个非分离的有效表面组合在一个手指中（图3.28）。

图3.28　由特殊塑料材质制成的特定手指（来源：SCHUNK）

机械手具有不分离的有效表面的优点是，即使使用搬运系统搬运不同的工件，也只需要接近一个夹紧点。这意味着即使在故障期间，机器人也始终能够返回到正确的位置，而不会发生碰撞。

对于使用摩擦力夹紧将力传递到工件的夹紧表面，摩擦组合对于力传递的可行性至关重要。由于贴合式摩擦系数是夹持力方程中的一个因素，因此了解摩擦组合中使用的材料及其表面状态非常重要（表3.12）。

润滑剂和切削油经常用于生产活动，表3.12列出了摩擦材料组合。图3.29所示为强性嵌块和硬质合金嵌块。

表3.12　不同摩擦材料组合的贴合摩擦系数

机械手制造商一直在努力引入改进的摩擦组合材料，目的是避免任何显著增加所需的夹持力，同时仍然在机械手之间获得高的夹持力。还使用了用于机械手手指的涂层、覆盖物或特殊插入物，如图3.29所示。

图3.29　弹性嵌块（a）和硬质合金嵌块（b）

对于具有鳞片状表面的铸件，可以保证牢固的抓紧力。这些鳞片可以传递高达30 000 N的夹持力。

用于电机部件自动装配的连杆机械手的实例显示了机械手手指设计可对整个自动化项目产生的影响（图3.31）。尽管机械手的设计考虑了可能的干涉边缘、足够的夹持力和正确的材料组合，但它未能在抓取过程中涵盖全部可能的机械手变形。因此，第一次抓取导致的工件接触表面，如显示在左侧的工件接触表面。连杆在点接触时不能充分保持，并且随着机械手的每次移动而继续摆动，或者不能将工件放置在组装状态中或导致过大的时间损失（图3.30）。

图3.30　避免机械手手指与工件的点接触

为了更好地了解装配情况和工件安装，图3.31再次展示了包括夹紧工件在内的完整机械手。

图3.31　连杆抓取机械手（8工位）和长的机械手手指（来源：SCHUNK）

特殊成型的硬质合金刀片可用于非敏感元件或对表面质量没有更严格要求的元件。由于采用微型齿形夹持，可确保提高摩擦系数，特别是对于粗糙的部件表面。

这个问题的解决方案是在使用成角度的机械手手指时发现的，当上料时，该手指变形为完美的直线形状，使连杆保持水平（图3.32）。为了避免在抓取时与任何干扰轮廓接触，开发了一种具有特殊纤薄形状的抓手指。在设计中必须考虑到不能超过屈服点的事实。图3.33显示了CAD中设计阶段机械手手指的变化。

图3.32　被搬运的工件——单连杆

图3.33　在屈服强度内对机械手手指进行设计（来源：SCHUNK）

5年前，生产机械手仍然是一项昂贵且耗时的工作。对于需要三维夹紧的工件，这种情况尤其如此，用铝研磨这些结构根本不可能。在过去几年中，增材生产方法已经发展成为真正的解决方案。利用当今可用的材料，可以生产塑料或金属机械手，这导致了更合理的价格和独立设计风格的可能性。总部位于德国内卡河畔劳芬的SCHUNK公司正在向前迈进一步。

这些经验导致了在实际中将形锁手指传递行为引入工件的趋势。这适用于机械手手指的新制造工艺，如增材工艺，可以更容易地将复杂的几何形状描绘为手指中的互补形状。这有助于显著降低与几何调整的手指相关的生产成本，而不会失去任何质量优势。

SCHUNK客户提供在线门户网站（eGRIP），使用预先加载的工件三维模型，可以在几分钟内调整机械手手指和机械手模块（图3.34）。可以在三维查看器中检查模型，并在通过点击按钮进行订购，几天后即可发货。其优势超过传统操作。这种刚性表面制造将在未来几年继续增长。适合小零件搬运的机械手手指是可在此处创建的主要组件。对于小型工件，PA12塑料不仅可以提供所有必需的强度，还具有足够的耐磨性，只要工件沿边缘不太尖锐（图3.35）。通常，与使用铝制手指的加工方法相比，会形成成本和质量优势。STL文件可以下载并立即集成到工厂构建中。

由于机械手手指和机械手模块都是由一个供应商提供的，因此它们之间不存在接口问题。机械手手指可以立即调整到不同的机械手模块，可以从下拉菜单访问。机械手配件也有多种颜色可供选择，这种用于生产夹爪的基于网络的平台是工业部件的首批应用之一。早期的3D打印平台更多地关注最终消费者，以生产定制的手机外壳或珠宝等。通过eGRIP平台，制造商SCHUNK正朝着组件和机器的定制结构迈出第一步，这个领域之前主要是为特殊用途的机器设计者预留的。客户可以调整标准组件机械手模块以执行单个任务（图3.36，图3.37）。

图3.34　机械手手指设计平台（来源：SCHUNK）

图3.35　聚酰胺制成的机械手手指，通过激光烧结工艺制造（来源：SCHUNK）

图3.36　Versaball机械手在一个抓取动作中的顺序（来源：Empire Robotics）

图3.37　Versaball的应用案例（来源：KurtwolAI）

机械手的夹持力可以根据施加的压力而变化。LOG内撑式I.D.机械手是激光烧结技术如何对批量生产起作用的一个例子（图3.38）。使用注塑或机加工工艺生产这种机械手是不可能的或成本极高的。

图3.38　内撑式I.D.机械手抓取及其功能图示（来源：SCHUNK）

其他原理也以类似的方式起作用，其中接触表面可以是没有颗粒而是具有金属碎片的形式。这种情况下可以使用电磁铁抓取或释放金属屑。

如果工件包含钻孔或其他内部轮廓，则工件也可以在内部接触面上被抓取。在这种情况下，有一些特殊的有效表面可以使用压缩空气改变它们的直径。由于该方法使得大的表面可用于力传递，因此可以用于实现优异的夹持力。这些机械手可以搬运从135 g到最大4 000 g的工件质量。

这种内撑式I.D.机械手通过延伸接触面到钻孔的内壁起作用。通过移动元件实现延伸，移动元件可根据延伸的行程进行不同的设计。行程受到基座壳体上止动件的限制，防止工件或机械手的损坏。

移动的机械手手指最常用于补偿工件公差或不同的产品直径，而无须更换机械手。图3.39中的示例显示了一个包含多个柔性元件的机械手手指，可以覆盖各种各样的工件轮廓，如在抓握牙刷或销钉时。

图3.39　针对不同尺寸牙刷的柔性伸缩机械手手指（来源：Zahoranskey81/Robomotion）

灵活、可调节的机械手手指现在可以握住各种几何形状的牙刷而无须更换手指（图3.40）。通过激光烧结工艺生产的活塞的使用寿命已被证明可承受数百万次循环。根据被抓取物体的不同，这可以增加多年的工作寿命，而无须更换机械手。手指形状也经过了金属部件和电动机械手的测试。

图3.40　对于不同几何形状可以调节的机械手手指（来源：Robomotion）

电动机械手手指的开口宽度可以根据工件单独设定，从而进一步减小了机械手的应变。然而，对于金属工件会产生更多磨损。

对于图3.41所示的应用，必须用机器人清空带有不同直径螺钉的容器。在这种情况下，用于检测螺钉长度的传感器直接集成到机械手中。这创造了一个高度灵活的解决方案，不会产生任何大笔的硬件费用。

图3.41　配有激光烧结成型手指和扫描设备的电动机械手（来源：Fraunhofer IPA70/Robomotion）

采用激光烧结技术有助于最大限度地降低机械手手指的生产成本，从而实现这种几何复杂的部件。通过设计相应的稳定性和长期测试，可以将手指的使用寿命提高到数百万次。这意味着尽管有一些锋利的部件，但每年只需要少量的手指作为备件。

弹性机械手的原理是将驱动装置直接放入手指中。当通过压缩空气驱动时，手指轮廓弯曲成由其形状定义的方向。这种机械手也适用于特别敏感的工件。(图3.42)。

图3.42　机械手手指伸缩设计（来源：SCHUNK）

这意味着，水果和蔬菜也可以被机械手轻轻抓住，就像2015年米兰世博会未来超市一样（图3.43）。

图3.43　超市中的机器人（来源：ABB）

根据手指的设计和尺寸的不同，对于力和压力也有不同的顺序结果。用于手指材料的使用在这里也起着重要作用。例如，PA12或TPU用于使用3D打印工艺的生产中，通过所选择的壁厚实现力的变化。目前已有印刷工艺允许在一个部件中使用不同的材料，从而为生产这些类型的手指提供了更多的可能性。

多功能被动机械手也具有灵活的设计。它可根据工件的形状进行调整，并轻轻握住工件（图3.44）。这种手指结构可以轻柔地抓住敏感元件。

图3.44　围绕着工件的弹性机械手（来源：Gripper Materialise）

根据多功能被动式手指的设计原理，驱动装置必须使用单独的气缸关闭或重新张开手指。具有主动驱动的柔性设计的机械手指离复制人手更近了一步（见3.3节）。还应该提到的是，对于一般的灵活有效表面，在某些情况下，对于搬运任务，特别是对于具有这种手指设计的装配任务，位置精度可能不足。这种可能性导致工件不能像抓取位置那样精确地放置在机械手中。这一要求有时可能妨碍使用这些灵活有效的表面。

机械手夹持力与气压的关系如图3.45所示。

图3.45　机械手夹持力并不和气压大小成线性正比关系（来源：Hesse）

如果有效表面设计为柔性，则可以根据工件的形状进行调整，如图3.46所示。利用这种机械手设计，有效表面被推动穿过工件，使得工件将钉子夹紧到具有两个抓取点的连接构件中。这确保了钉子牢固地黏附在工件上并被搬运。使用接触板放置工件，将所有钉子带回到抓取位置。

图3.46　钉子构成的抓取器 （来源：SCHUNK）

机械手手指移动功能原理如图3.47所示。

图3.47　机械手手指移动功能原理（来源：Fraunhofer IPA）

必须通过检查不利因素提高机械手手指的灵活性。除了对不良的产品保护外，机械手还会受到相当大的磨损，这意味着使用寿命不适合高产量。

另外，钉形机械手解决方案的定位精度对于所有应用来说都还不够。当被机械手抓取时，工件可以在一个方向或另一个方向上移动一个钉宽。

针形机械手作为标准机械手包含在了许多知名制造商提供的产品范畴内，它们被列在具有打开/关闭表面的机械手组别中（图3.48）。通过延伸针的分布，在机械手和工件之间建立形状连接。一个或多个针压入工件表面并建立连接。因此，使用针形机械手夹持的先决条件是工件使用不会被针头明显损坏的材料。传递的力不应太高，否则针将从工件表面穿出，从而导致工件损坏。针形机械手主要用于抓取纺织品（图3.49，图3.50）。

图3.48　具有打开/关闭表面的机械手

图3.49　纺织品抓取应用中的针形机械手（来源：Schmalz）

图3.50　针形机械手（来源：Schmalz）

将针头压入工件表面存在一些相当大的缺点，特别是在精细搬运物体方面。因此，这种机械手的设计或接触表面结构的使用受到严格限制。

由于清洁这种机械手的困难，其在食品工业中的使用是罕见的。这种机械手可以很容易地用于塑料加工中的网状结构，例如，用于加工玻璃垫或碳纤维垫。

另一组打开/关闭表面的是磁性机械手，适用于抓取磁性材料工件。磁性机械手的魅力在于其高保持力和可靠地抓取复杂几何元件的可能性。磁性机械手的一个主要优点是使用电能作为驱动介质，这意味着在应用中不需要额外的压缩气路连接（图3.51）。

图3.51　磁性机械手在打开/关闭状态时的力导线（来源：SCHUNK）

图3.52　使用永磁铁作为磁性机械手的可选设计（来源：SCHUNK）

图3.52显示了不同的磁性机械手的设计，包括气动开关磁性机械手，其使用永磁体产生保持力。然后在放置工件时取出该永久磁铁，使工件落下。

这种机械手的优点是即使在断电的情况下工件仍然被抓紧。电磁机械手结构可以更紧凑地设计并用于抓取具有更高重量的工件。

当几个工件必须成组抓取或工件的几何形状难以确定时，使用磁性机械手可能是一个很有吸引力的选择。换句话说，当设计有效的表面抓取力时，极其具有挑战性。在图3.53的示例中，磁性机械手同时抓取两组具有复杂几何形状的工件，然后将它们堆叠在下一工序中进行包装。

吸附式机械手是打开/关闭有效吸附表面的另一种替代方案。吸附式机械手技术基于物理原理，该原理源自液体的表面张力。吸附意味着将由不同材料制成的各种物体连接在一起。吸附的原因是接触表面之间的分子磁性，也称为吸附力。

图3.53　磁性机械手同时抓取两组产品（来源：Roto Frank73/Robomotion60）

已经开发出用于抓取微型部件的吸附式机械手，例如，通过使用液滴的表面张力来“抓取和放置”芯片。在机械手的下侧提供精确的墨滴尺寸，然后在夹紧时稍微减小。吸附式抓取的最困难部分是释放工件。为了保持其精确位置，工件必须已经处于可以建立力以抵消机械手的粘合力的位置。在图3.54中，吸附已经应用于机械手中。这种反作用力与液体还原一起使工件能够保持在所需位置。机械手还可以借助主动释放机构放置工件。液体通常是挥发性物质，例如酒精，不会在工件上留下任何痕迹。

图3.54　吸附型机械手抓取过程中的动作顺序（来源：Fraunhofer IPA）

更多不寻常的抓取原理，如冷冻式机械手、静电夹持力抓取或超声波抓取，在实践中则很少使用，但展示了搬运技术的多面性。吸附式和冷冻式机械手都存在相同的问题：抓取时间超出了形锁或其他力锁原则。这意味着这些机械手在成功黏附或冻结到机械手表面之前需要在工件上保留一定的时间。此外，这些机械手不适合以高加速度移动工件。放置工件时，通常必须在工件上施加某种形式的阻力，以避免工作周期任何大的增加。