工业应用气爪的基础知识

气爪是工业应用中用于将物体抓取和提升、夹持、旋转和放置到设定位置的机电装置。这些抓手通常安装在工件加工机器或六轴、笛卡尔坐标或选择性顺应关节机械臂 (SCARA) 等机械臂的最远端，作为执行各种材料处理任务的末端执行器。辅之以过去几十年在控制、传感器和反馈连接方面的进步，气爪的运动（主要用于抓取和释放）通常可与安装气爪的机器轴或机械臂的运动相协调。

气爪工作

图 1：此处所示的是一个机械臂末端的两指气爪。夹爪手指与要抓取的物体进行物理接触，并使抓手能够夹持和释放物体。（图片来源：Kazakov • Getty Images）

图 2：平行、三指和弯曲抓手是工业应用中最常见的三种抓手类型。此处所示的三指气爪的夹爪偏移 120°，以轻轻拉伸 O 型圈并将其安装到接受器轴上。（图片来源：Schunk）

在涉及机器人拾放、机床、工件加工和装配任务的工业应用中，气爪无疑是最常见的抓手类型。尽管有些气爪采取了气囊式和真空吸盘末端执行器的形式，但带有手指或夹爪的气爪是最普遍的，在没有其他背景的情况下，一般都是假定使用这种。

夹爪式气爪依靠压缩空气进行操作。收到某种指令信号后，阀会打开使空气流入内部通道，并激活机械联动装置，进而打开和闭合抓手的手指。主要配套子部件包括气动软管、控制子部件和接线、用于连接机器和机器人的安装法兰、故障安全机构以及封装这些部件的外壳。

尽管默认位置通常是释放位置（由机械压缩弹簧保持），但市场上也有默认抓取的抓手设计。在默认为闭合（抓取）位置的情况下，弹簧提供抓取力，而让压缩空气进入抓手是为了打开夹爪。事实上，有些抓手依靠压缩空气获得抓取和释放力。

视频 1：在一个常见的变型中，气爪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位，进而（通过一些齿轮、拨动开关或滑动式联动装置）使外爪在其行程范围内运动。（视频来源：Schunk）

对进入气爪的空气的控制，通常依赖于预先编程的抓放循环或（在更复杂的应用中）来自检测所夹持物体的传感器的反馈。

气爪的类型

图 3：Schunk 的 PGN-plus 系列两指平行抓手的夹爪行程长，配有密封圈、抗污圆形直线导轨和高强度铝合金外壳，可适应脏污的工业环境。（图片来源：Schunk）

夹爪式和手指式气爪按以下特性分类：

• 运动机构、手指数量、动作和安装类型
• 物理尺寸和最大抓取力
• 夹爪和外壳结构 — 包括侵入防护等级
• 与常用工业控制网络的连接

两指气爪于 20 世纪 70 年代首次商用，是目前应用最广泛的类型，占所有气爪应用的一半以上。采用这类设计的手指在支点上滑动或摆动，像闸门或龙虾爪一样围绕目标物体闭合。它们可以采用平行夹爪动作或弯曲手指动作。

采用平行夹爪动作的气爪：在平行抓手中，两根手指沿抓手上部的轨道在同一轴上以直线运动向内和向外滑动。通常，向内滑动动作是在抓取工件或其他物体。但是，两根手指向外滑动以从其内径固定中空或开口工件（例如 O 型圈或圆柱体）的应用也比比皆是。这些简单的抓手有很多优点。这种抓手的各种子部件的制造比其他部件简单，因而这些抓手极具成本效益。此外，在整个手指行程中有稳定的抓取力 — 这简化了工作，适合涉及精细或其他压力敏感工件的应用。最后，平行抓手可以进行超宽的闭合和打开设计 — 甚至可达几英尺或更宽。

采用弯曲手指动作的气爪：在这类抓手中，手指的驱动端被钉在一个固定的支点上。在施加气动动力时，活塞动作和机械楔形元件使手指像法式门一样摆动闭合或打开（在其他变型中）。在打开位置，夹爪向外伸，超出抓手本体，或直接伸出。在闭合（通常是抓取）位置，抓手手指的尖端向内倾斜，闭合成一个锥形的抓取形状。使用这类抓手时有一个设计注意事项：与平行手指类型不同，弯曲手指的行程有限，产生的抓取力在驱动行程中是变化的。也就是说，在直接活塞作用下，弯曲手指抓手可以具有非常高的抓取力 — 高达 2300 N 或以上。

更多手指数：三指和四指抓手

当两指气爪不适合处理工件时，三指和四指气爪（在特殊的仿人型机器人应用中甚至采用五指气爪）可以提供更好的抓取支持和稳定性。不过要清楚的是：所有这些气爪都远不如两指气爪常见，只有三指气爪在工业应用中较为常见。它们的适用性更高是有代价的，但三指气爪可以抓取几何形状更复杂或更难抓的工件和其他物品。所谓的自定心三指气爪有三根手指，间隔均匀（在机器卡盘上相隔 120°），在改变操作时，必须更换手指。它们向内闭合，在一个中心点抓取工件。相比之下，所谓的自适应三指气爪将两根手指放在一起，第三根手指像拇指一样与之相对。这种抓手在移动机器人上最常见，能以多种方式抓取物体，以适应给定工件几何形状的变化。

内部抓取和双作用

尽管大多数气爪用于抓取或托住零件的外部（接触物体的外表面），但内部抓取操作对许多装配应用而言必不可少。在这种应用中，抓手的手指打开，从内部抓取中空几何形状的物体。在有些情况下，抓手可以同时执行外部和内部抓取操作的任务 — 不过，必须设计成具有这两种能力。

夹爪式和手指式气爪也可以采取单作用和双作用抓取的形式。在单作用抓手中，借助压缩空气的力产生抓取运动和力。关闭气源后，在简单的压缩弹簧作用下，手指会回到并保持在原来的位置。相比之下，双作用抓手在抓取和释放动作中都需要压缩空气驱动。事实上，双作用抓手可同时具有上述的内部和外部抓取能力。

常见的气爪应用

图 4：Schunk PGN-plus 抓手具有一个椭圆形的活塞驱动装置。（图片来源：Schunk）

气爪广泛用于工业环境 — 特别是自动化工作单元、装配和生产线、与先进制造业相关的机器维护、危险工厂区域、物流以及自动化仓储作业。一系列小型但不断发展的商业、娱乐和消费机器人应用（包括移动仿生学）也采用了气爪。

考虑将气爪用于食品和饮料加工及包装设备的材料处理。在这种应用中，气动装置能够实现清洁作业，这是一大优点 — 气动驱动的手指抓手补充了其他空气动力的气囊式和吸盘抓手类型的使用，从盒子和酒瓶到鸡蛋和糖果袋，全都可以处理。相比之下，机床应用中的抓手通常只为一种工件类型而设计 — 在有些情况下，甚至负责在加工或其他过程中夹持这些工件。如果气爪参与装配或拣选，它们通常由传感器甚至机器视觉系统支持，以指导其动作。在其他情况下，抓手中的霍尔效应和接近传感器就可以提供足够的反馈。

气爪的优点和局限性

与其他抓手类型相比，气爪的一个重要优点是，它们的尺寸和抓取力多样，从几牛到几千牛不等，可以适应不同的应用 — 甚至那些需要每小时重复数千次的应用。工业气爪还为精密自动化任务提供无与伦比的可重复性。除此之外，气爪还具有以下优点：

• 运行极具成本效益且能效优异
• 重量轻且结构紧凑 — 特别是与有些电动和液压抓手相比

与液压和电动抓手不同，气爪基本上不受工作环境的影响。这与带有敏感电子元件的电动抓手形成鲜明对比，后者在潮湿的环境中可能发生故障。

当然，气爪确实存在一些缺点和局限性。这些通常主要与气动设计和压缩空气系统的运行成本和复杂程度有关。这种系统的初始设置可能昂贵且复杂。话虽如此，但如果一个工业企业已经在其他地方使用了压缩空气系统，则存在规模经济。

气爪的选择标准

要为特定的材料处理应用确定气爪的尺寸和规格，应当首先明确关键设计参数。

尺寸和抓取力：气爪打开后应足以容纳所处理的物体。所需的气爪手指力取决于所处理物体的重量，以及手指与物体的摩擦系数、手指与物体的接触面积和抵消对侧手指力所需的力。精心设计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，用于食品或药品应用的气爪，其夹爪必须由 FDA 批准的材料制成或涂有 FDA 批准的材料。

所处理工件的尺寸和重量的比例存在很大的差异 — 重量轻但体积大的物品往往会给抓手的设计带来最大的挑战。

零件几何形状：处理具有复杂几何形状的物体往往需要三指气爪，而非两指气爪。当一系列工件的几何形状可能略有不同时，尤其如此。但在工件一致的情况下，两指抓手可以抓取定制的表面和形状，以适应这些物体的特定抓取点。两指抓手具有成本效益，通常只要能满足企业要求，就会使用这种解决方案。

工作环境：气爪轴承、内部机械元件和外壳类型多样，可以满足清洁和污染的工作环境需要。特别重要的是气爪的额定温度（界定抓手可发挥最佳功能的范围）以及 IP 防护等级（定义给定抓手的颗粒物和水汽防护等级）。

总结

气爪是机器人末端执行器，对生产线上的材料处理至关重要。这些抓手可夹持、定向和放置工件和其他物体，以便进行加工、与其他零件组装或剔除 — 如通过质量控制站时抓离输送机。尽管气爪工作所需的压缩空气系统存在缺点，但这些系统往往是最清洁、最快、最适合的零件处理选择。