工業應用氣動夾具基礎知識

氣動夾具是一種在工業應用中用於抓取、提升、夾持、旋轉以及將物件放入設定位置的機電裝置。這些夾具通常是安裝在工件加工機器、六軸機械臂、笛卡爾機械臂，或選擇順應性裝配機械手臂 (SCARA) 的最遠端，作為末端效應器來執行各種物料的處理工作。由於過去幾十年在控制、感測器和回授連線方面取得了長足的進步，氣動夾具的動作 (主要用於抓取和釋放) 通常已能協調地配合安裝夾具的機器軸或機械手臂的動作。

氣動夾具操作

圖 1：此圖所示為機械手臂末端的兩指型氣動夾具。夾指將會夾持要抓握的物件，允許夾具固定和釋放物件。(圖片來源：Kazakov • Getty Images)

圖 2：平行型、三指型和斜角型夾具，是工業應用中最常見的三種夾具類型。在此處所示的三指型氣動夾具中，相鄰夾指間有 120° 的偏移，可輕輕拉伸 O 型環並將其安裝到接收軸上。(圖片來源：Schunk)

氣動夾具顯然是工業應用中最常見的夾具類型，這些應用涉及機器人拾放、機械工具、工件加工和任務等。雖然有些氣動夾具採用氣囊型和吸盤型末端效應器，但使用夾指或夾爪的氣動夾具最為常見。若無特別指定，一般都是這種夾具。

爪式氣動夾具依賴壓縮空氣進行操作。在收到指令訊號後，閥門允許空氣流經內部通道並啟動機械連桿，進而打開並關閉夾具的夾指。其主要子組件包括氣動軟管、控制子組件、相關佈線、用於連接至機器和機械人的安裝凸緣、故障保護機構，以及容納這些組件的外殼。

雖然釋放位置 (由機械壓縮彈簧維持) 通常是預設位置，但市場上也有預設位置為抓取位置的設計。當閉合 (抓取) 位置為預設位置時，彈簧會提供夾持力，並允許壓縮空氣進入夾具以打開夾爪。事實上，某些夾具依賴壓縮空氣來提供夾持和釋放的力量。

影片 1：一種常見的類型是，氣動夾具是透過特製軟管連接到壓縮空氣系統。在壓縮空氣的作用力下，活塞會移位，進而通過一些齒輪、肘節或滑動連桿，操作外部夾爪在其行程範圍內致動。(影片來源：Schunk)

空氣進入氣動夾具的控制方式，通常會倚賴預先編程的「抓取-釋放」週期，或者是 (在更複雜的應用中) 用於偵測所夾持物件的感測器的回授。

氣動夾具的類型

圖 3：Schunk 的 PGN-plus 系列兩指型平行夾具可提供較長的夾爪行程，其配有密封件、防污圓形線性導軌以及高強度的鋁合金外殼，可適應髒污的工業環境。(圖片來源：Schunk)

爪式和手指型氣動夾具可按以下方式分類：

• 運動排列、夾指數、動作和安裝類型
• 實體尺寸和最大夾持力
• 夾爪和外殼結構 (含侵入防護等級保護)
• 與通用工業控制網路的連線方式

氣動兩指型夾具於 1970 年代首次商用，是目前應用範圍最廣的產品，佔所有氣動夾具應用數量的一半以上。在這些設計中，夾指圍繞樞軸點滑動或擺動，就像閘口或龍蝦爪一樣在目標物件周圍閉合。它們會採用平行的夾爪動作或呈斜角的夾指動作。

採用平行夾爪動作的氣動夾具：在平行夾具中，兩根夾指會沿著上夾具主體內的軌道，在同一軸上以直線運動向內和向外滑動。通常，向內滑動的動作是在抓取工件或其他物件。但是，也有許多應用是將兩根夾指插入中空或打開的工件 (例如 O 型環或氣缸)，從其內徑向外滑動以進行固定。這些簡單易用的夾具有許多優點。這類夾具的子組件製造起來較為簡單，因而極具成本效益。此外，它還可在整個手指行程提供穩定的夾持力，這對於涉及精密或對壓力敏感的工件的應用而言，可以簡化相關的工作。最後，平行夾具可設計為極寬的開合距離，甚至能達到幾英呎或更寬。

採用呈斜角夾指動作的氣動夾具：在這類夾具中，夾指致動端被固定在一個固定的樞軸點上。在施加氣動動力時，活塞動作和機械楔形元件會使夾指像法式摺疊門一樣擺動關閉 (有些型號則為打開)。在打開位置，夾爪向外展開，超出夾具主體或直接伸出。在閉合 (通常是抓取) 位置，夾指指尖向內傾斜，閉合成錐形的抓取形狀。在使用這類夾具時需要注意：斜角夾指與平行夾指不同，其行程是有限制的，而且所產生的夾持力會沿著致動行程而變化。即便如此，在活塞直接作用下的斜角型夾指夾具具有極高的夾持力，最多可達 2,300 N 或更高。

更多夾指：三指和四指夾具

對於兩指型氣動夾具不適合處理操作工件的情況，三指和四指型夾具 (甚至是特製仿人型機器人應用中的五指夾具) 可以提供更好的夾持支撐和穩定性。但要清楚的是：所有這類夾具都遠不如兩指型夾具常見，而三指型夾具也僅常用於工業應用。它們更高的適用性是有代價的，而三指型夾具可以抓取幾何形狀更複雜或難度更高的工件和其他物品。所謂的自定心三指型氣動夾具包含三個間隔均勻的夾指 (在機器夾頭上以 120° 相隔)，因此需要更換夾指才能進行操作變更。每個夾指會向內閉合，將工件夾在中心的位置。相比之下，所謂的適應式三指型氣動夾具會將兩指放在一起，讓第三指對著它們，就像拇指一樣。此類夾具在行動式機器人中最為常見，能以多種方式拾取物件，適用於幾何形狀有變化的特定工件。

內夾持和雙作用

雖然大多數氣動夾具是在零件外部周圍 (接觸物件外表面) 進行抓取或抓握，但內夾持操作對於許多組裝應用而言是不可或缺的。在此類應用中，夾指將插入具有中空幾何形狀的物件並從內部張開進行抓取。在某些情況下，夾具可以同時進行外部和內部抓取操作，但其必須設計有這兩種功能。

此外，爪式和手指型氣動夾具也可以是單作用和雙作用形式。在單作用夾具中，壓縮空氣的作用力會產生夾持動作和夾持力。電源關閉後，夾指會在簡單的壓縮彈簧作用下回到並停在原本的位置。相比之下，雙作用夾具則會透過壓縮空氣的致動來產生抓取和釋放這兩個動作。事實上，雙作用夾具也可實現上述的內部和外部夾持動作。

常見的氣動夾具應用

圖 4：Schunk 的 PGN-plus 夾具採用橢圓形活塞驅動裝置。(圖片來源：Schunk)

氣動夾具廣泛應用於工業環境，尤其是自動化工作單元、組裝與生產線、與先進製造相關的機器管理、危險廠房區域、物流，以及自動化倉儲作業。商業、娛樂和消費型機器人應用 (包括移動仿生機器人) 等數量雖少，卻在不斷成長的領域，也會使用氣動夾具。

此外，氣動夾具還可用於食品和飲料加工及包裝設備的物料處理。在這類應用中，氣動夾具可用於執行清潔作業，且以氣動致動的手指型夾具可配合其他氣動氣囊和吸盤型夾具，處理箱子、酒瓶、雞蛋和糖果等各種物件。相較之下，機械工具應用中的夾具，通常只能用於一種工件類型，而且在某些情況下，甚至還需要在進行加工或其他製程時夾持這些工件。在用於組裝、分類和挑選作業時，氣動夾具通常需要由感測器或機器視覺系統提供支援來指導操作。除此以外，夾具中的霍爾效應感測器和接近感測器，也可以提供足夠的回授。

氣動夾具的優點和限制

相較於其他類型的夾具，氣動夾具的一大優點是具有多種尺寸以及從幾牛頓到數千牛頓不等的夾持力，且可適應各種應用，甚至是每小時需要數千次重複的應用。工業氣動夾具還可為精密的自動化作業提供無與倫比的重現性。此外，氣動夾具還具備以下優勢：

• 出色的成本效益和能源效率
• 重量輕、體積小，尤其是與特定馬達和液壓型選件相比時

與同類的液壓型和電動型產品不同，氣動夾具基本上不會受到工作環境的影響。這與具有靈敏電子元件且在潮濕環境下容易出現故障的電動致動夾具形成鮮明對比。

當然，氣動夾具也存在一些缺點和侷限性，主要體現在氣動設計和壓縮空氣系統的操作成本和複雜性方面。此類系統的初始安裝可能又貴又複雜。但如果工業應用已在別處使用壓縮空氣系統，則存在規模經濟。

氣動夾具選擇標準

對於特定的物料處理應用，若要確定氣動夾具及其尺寸，應先從明確定義關鍵設計參數入手。

尺寸和夾持力：氣動夾具的打開程度應足以容納所要處理的物件。所需的氣動夾具夾持力取決於所處理物件的重量、夾指對物件的摩擦係數、夾指與物件接觸的面積，以及抵銷對向夾指的力量。設計出色的夾指材料和塗層可增加夾指與物件之間的摩擦係數。當然，氣動夾具用於食品或製藥應用時，夾爪必須以 FDA 批准的材料製成或施以塗層。

待處理零件的大小和重量比例會有很大的差異，重量輕但體積大的物品，通常會給夾具設計帶來極大的挑戰。

零件幾何形狀：處理具有複雜幾何形狀的物件時，通常需要使用三指 (而不是兩指) 型氣動夾具。在一系列工件的幾何形狀可能稍有不同時，尤其如此。但如果工件形狀一致，兩指型夾具可以透過自訂表面和形狀來適應這些物件的特定夾持點。兩指型夾具可以節省成本，因此只要解決方案能滿足操作要求，通常就應使用這類夾具。

工作環境：氣動夾具軸承、內部機械元件和外殼種類眾多，因此無論是乾淨還是髒污的工作環境，均可滿足要求。尤其需要注意氣動夾具的溫度額定值以及 IP 防護等級，前者定義了夾具可以發揮最佳功能的範圍，而後者定義了特定夾具在受到侵入前可以防禦的懸浮微粒及濕氣等級。

結論

氣動夾具是機器人的末端效應器，對於生產線上的物料處理至關重要。這些夾具可握持、定向並放置工件和其他物件，以進行加工、與其他零件組裝或拒收 (即物件通過品質控制站時，從輸送帶上予以剔除的動作)。雖然氣動夾具操作所需的壓縮空氣系統存在一些缺陷，但這些系統通常是最乾淨、最快捷且最適合的零件處理選項。