图3.78不同力传导的三维说明对于应用中机械手最佳选择的问题并不容易回答。然而，当看到张角型机械手的夹持力变化过程与平动型机械手相比时，夹持力变化过程对于决策的相对重要性变得清晰。张角型机械手将根据手指的位置呈现不同的夹持力。相比之下，平动型机械手在整个手指行程中提供恒定的夹持力。......
2023-06-15
夹持力的计算与应用
【摘要】：所需夹持力的大小主要取决于接触表面处的贴合摩擦系数。表3.15显示了三种典型的有效接触表面组合，用于力锁夹持。表3.14形锁和力锁抓取的比较， s = 安全系数表3.15不同手指的抓取力计算根据形状，通过相应的形状因子调节夹紧力。对于过定位的系统，校正因子包含所有表面的不准确系数，但同样可靠。图3.75由于手指形状调整，夹持力在工件上的分布不同
如果工件仅通过摩擦力夹持在机械手之间，则夹持力的计算基本上通过需要被克服的力来确定。在最简单的情况下，这是重力和重力的叠加力之一，其是由于工件质量的加速而引起的。
图3.71所示的独立的工件首先具有重力G，其通过重力加速度g向下拉动。如果该质量沿向上方向垂直加速，则该力也需要被反作用力Fr抵消。当反作用力仅通过力锁夹持产生时，它们将通过夹持力产生。
图3.71 工件通过摩擦力被抓取的力分解图
使用搬运系统时静止状态下工件的抓紧力如图3.72所示。
图3.72 使用搬运系统时静止状态下工件上抓紧力的说明（来源： Hesse）
然而，在实际中，计算通常不是那么简单，取决于搬运工件的方式，存在许多不同的夹持力类型。因此，当将工件固定在机械手中时，重要的是要认识到抓取原理可以在移动过程中发生变化，如图3.73所示。
图3.73 抓取原则
当有效惯性和过程力仅垂直于工件和机械手之间的接触面作用时，可实现简单的形锁夹持。由于可以保持较低的必要夹持力并且可以实现高过程可靠性，因此优选形锁夹持。即使具有不同的贴合摩擦系数，也始终能够保证牢固的抓取。但是，当运动方向发生变化时，力锁抓取只是作用在x方向上。在某些情况下，抓取力将不再足以将工件牢固地保持在机械手中。
如果工件仅通过力锁抓取保持，则需要设计抓取力以便克服重力并且吸收由加速度产生的力。所需夹持力的大小主要取决于接触表面处的贴合摩擦系数。因此，重要的是要知道摩擦系数在实际中是否会发生变化（如由于污染）。
在表3.14提供的示例计算中，圆形材料作为工件在两个棱柱形手指之间被抓紧。棱柱形手指具有开口角度，加速度a应在z方向上作用在工件上。
在力锁抓取的情况下，除了重力之外，还应考虑相反方向的加速度，这将被力锁抓取吸收。
由于这些力完全通过摩擦力传递到手指上，因此在这种情况下用于将手指夹在一起的夹紧力最高。在5 kg工件的示例中，加速度为6 m/s2，摩擦系数为0.1，安全系数为2，结果为565.7 N。
在另外的载荷情况中，在加速度方向或重力方向上没有使用力锁抓取，而是通过形锁抓取来保持工件。这也是该方程不包含摩擦系数的原因。
然而，下方手指必须抵抗工件的重力和重力引起的加速度力。对于5 kg工件，仍然为160 N。
只有第三种结构可以均匀地分布来自两个手指的重力和加速度的力，从而实现80 N的最低夹持力，这种情况只是理论上的。这在机器人搬运过程中很少发生，因为这些搬运装置可以在所有三个空间维度上移动工件。但是，它确实显示了在应用不同抓取类型时力之间的强烈区别。
有效表面接触点的形状对通过力锁-夹持力施加的力具有至关重要的影响。根据工件和机械手之间接触表面的形状和数量，需要不同的夹持力。表3.15显示了三种典型的有效接触表面组合，用于力锁夹持。
表3.14 形锁和力锁抓取的比较， s = 安全系数（来源：Seegräber）
表3.15 不同手指的抓取力计算（来源：Seegräber79）
根据形状，通过相应的形状因子调节夹紧力。对于过定位的形状，换句话说，当不是每个有效表面的支撑都可靠时，可以建立额外的校正因子K（介于1～2的估计值）。对于过定位的系统，校正因子包含所有表面的不准确系数，但同样可靠。绝对有必要在工件和有效表面之间建立良好的接触，以确保牢固的抓取，特别是在夹紧力有限的情况下。根据机械手通过搬运系统的移动，工件上有效表面的位置与手指上的接触面之间可能会出现偏差。
这种对齐越精确，搬运过程就越可靠。机械手手指可以设计成当手指靠近在一起时连接到工件上，从而在该表面上产生最佳的力锁抓取。
为了确保最佳的力传递和工件保护，表3.16列出了关于工件或可应用的机械手手指设计的原则。所有这些原则旨在通过使用形锁抓取和通过改进抓取精度的设计帮助减少所需的纯粹摩擦力。
表3.16 工件工程设计原则（来源：Hesse）
然而，机械手的柔性也可能因此受到影响，如手指的数量和布置。表3.16中列出的10项工件设计工程原则给出了如何在理想情况下设计工件的指导。此外，表3.16还展示了如何抓取某些部件以实现最精细的抓取或工件的可靠移动。
这些原则旨在尽可能多地保留接触面并防止损坏工件（图3.74）。基本上，如果可以建立夹持状态，则机械手手指数量越多，产生的接触面就越多。图3.75假设最坏的情况使用纯圆形支撑圆形工件。
图3.74 确保平滑接触的简单方法
从底部开始，逐渐调整相对于工件圆柱形状的手指形状和数量的。在图3.75中，工件被调整好形状的手指抓住并且用三个有效表面保持在中心位置，代表工件的理想情况和手指的最柔性设计。
图3.75 由于手指形状调整，夹持力在工件上的分布不同
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