Механический захват

Механический захват — это устройство для удержания, фиксации или перемещения объектов, основанное на механическом контакте и воздействии на предмет с помощью подвижных элементов (губок, челюстей, пальцев, кулачков). Механические захваты являются одним из основных типов рабочих органов промышленных роботов, манипуляторов, грузоподъёмных машин и станков. Их работа базируется на преобразовании усилия от привода (пневматического, гидравлического, электрического или ручного) в сжимающее или удерживающее усилие на объекте.

Конструкция и принцип действия

Основными элементами любого механического захвата являются:

Привод — источник энергии для создания усилия. Чаще всего используются пневматические цилиндры (наиболее распространены в промышленности), гидравлические цилиндры (для больших усилий), электрические сервомоторы (для точного позиционирования и регулировки усилия) или ручные механизмы (в простых инструментах).
Передаточный механизм — преобразует движение привода в движение захватных элементов. Типичные схемы: рычажная, зубчато-реечная, винтовая, кулачковая, параллельная.
Захватные элементы (губки, пальцы, челюсти) — непосредственно контактируют с объектом. Могут быть жёсткими (металлическими, пластиковыми) или оснащёнными эластичными накладками (резина, полиуретан) для повышения трения и предотвращения повреждений.
Корпус — несущая конструкция, объединяющая все элементы.

Принцип действия заключается в том, что привод (например, поршень пневмоцилиндра) через передаточный механизм сводит или разводит захватные элементы. При сведении губки сжимают объект, создавая силу трения, достаточную для его удержания. Разведение губок освобождает объект.

Классификация

Механические захваты классифицируются по нескольким признакам.

По количеству захватных элементов и типу кинематики

Двухгубчатые (двухпальцевые) — наиболее распространённый тип. Имеют две параллельные или поворотные губки. Обеспечивают надёжную фиксацию объектов простой формы (цилиндры, параллелепипеды). Могут быть параллельными (губки движутся прямолинейно) и угловыми (губки поворачиваются вокруг оси).
Трёхгубчатые (трёхпальцевые) — три губки, расположенные под углом 120° друг к другу. Идеальны для центрирования и захвата цилиндрических деталей (валы, трубы, заготовки на токарных станках). Обеспечивают самоцентрирование.
Многопальцевые — содержат более трёх пальцев, часто с шарнирным соединением, что позволяет адаптироваться к сложной форме объекта (например, антропоморфные захваты роботов).
Клещевые (с параллельными или поворотными челюстями) — по конструкции напоминают клещи или плоскогубцы. Челюсти могут быть длинными и изогнутыми для захвата в труднодоступных местах.

По способу создания удерживающего усилия

Силовые (сжимающие) — удерживают объект за счёт силы сжатия, приложенной к его поверхности. Требуют достаточной силы трения между губками и объектом.
Запирающие (фиксирующие) — используют механические защёлки, кулачки или клинья, которые входят в зацепление с формой объекта (например, в паз, отверстие или выступ). Не требуют постоянного усилия от привода после фиксации.
Крюковые (поддерживающие) — удерживают объект снизу или за специальные проушины, не сжимая его. Применяются для хрупких или горячих деталей.

По типу привода

Пневматические — наиболее распространены в промышленности из-за простоты, дешевизны, высокой скорости и возможности работы в агрессивных средах. Усилие ограничено давлением воздуха (обычно до 6-10 бар).
Гидравлические — используются для захвата тяжёлых объектов (сотни килограммов и тонны). Обеспечивают очень высокое усилие, но требуют маслостанции и герметичности.
Электрические (электромеханические) — приводятся в движение электродвигателем (часто сервомотором) через редуктор или винтовую передачу. Позволяют точно регулировать усилие и положение губок, программировать сложные движения.
Ручные — механизмы, управляемые мускульной силой оператора (клещи, тиски, захваты для грузов).

Применение

Механические захваты используются в самых разных областях.

Промышленная робототехника

Это основная область применения. Роботы с механическими захватами выполняют операции:

Перемещение деталей — перенос заготовок от станка к станку, укладка в тару, паллетирование.
Сборка — установка деталей в узлы (например, вставка подшипников, закручивание гаек).
Обработка — удержание заготовки на станке (в токарных патронах, фрезерных тисках).
Упаковка — захват и укладка готовой продукции в коробки.

Грузоподъёмные машины и строительство

Грейферы — захваты для сыпучих материалов (песок, уголь, руда) или крупных кусков (лома, камней). Имеют две или более челюстей, которые смыкаются, зачерпывая материал.
Захваты для труб и балок — используются кранами для перемещения длинномерных грузов.
Экскаваторные ковши — по сути, разновидность механического захвата для грунта.

Медицина

Хирургические инструменты — зажимы, пинцеты, иглодержатели, эндоскопические захваты (для малоинвазивных операций). Представляют собой миниатюрные механические захваты с ручным или пневматическим/электрическим управлением.

Машиностроение и станкостроение

Токарные патроны — трёх- или четырёхкулачковые механизмы для закрепления заготовок на токарных станках.
Тиски — для закрепления деталей на фрезерных, сверлильных и других станках.
Цанговые зажимы — для фиксации цилиндрических деталей (свёрл, фрез).

История

Первые механические захваты — это ручные инструменты (клещи, тиски, зажимы), известные с древних времён. С развитием промышленной революции появились механизированные захваты для станков (патроны, тиски с винтовым приводом). В середине XX века, с появлением промышленных роботов (первый Unimate в 1961 году), началось активное развитие специализированных захватов для автоматизации. Первые роботы использовали простые пневматические двухгубчатые захваты. С развитием электроники и микропроцессоров в 1980-90-х годах появились электрические захваты с обратной связью по усилию и положению, что позволило выполнять более тонкие операции (например, сборка электроники). В XXI веке активно развиваются адаптивные и антропоморфные захваты с множеством пальцев, способные захватывать объекты сложной формы без перенастройки.

Интересные факты

Самые большие механические захваты (грейферы) в горнодобывающей промышленности могут поднимать до 100 тонн материала за один раз.
В микроэлектронике используются захваты размером в несколько миллиметров, управляемые пьезоэлектрическими приводами.
Современные «мягкие» захваты (soft grippers) из эластомеров с пневматическими камерами могут захватывать хрупкие объекты (яйца, фрукты) без повреждений.
В космонавтике механические захваты (манипуляторы) используются для перемещения грузов и обслуживания космических станций (например, манипулятор «Канадарм» на МКС).

Критика и ограничения

Основные недостатки механических захватов:

Ограниченная адаптивность — большинство захватов спроектированы под конкретную форму и размер объекта. Для смены детали часто требуется переналадка или замена губок.
Риск повреждения — при неправильном расчёте усилия или ошибке позиционирования возможна деформация или разрушение объекта (особенно хрупкого).
Необходимость точного позиционирования — для надёжного захвата объект должен быть подан в строго определённое положение относительно губок.
Зависимость от трения — удержание скользких или маслянистых деталей требует специальных накладок или увеличения усилия сжатия.

Источники

Промышленные роботы: устройство и применение. Под ред. Е. П. Попова. — М.: Машиностроение, 1988.
Шахинпур М. Курс робототехники. — М.: Мир, 1990.
Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника. — М.: Мир, 1989.
Гибсон Р., Розен Д., Стукер Б. Технологии аддитивного производства. — М.: Техносфера, 2016. (Раздел о захватах для 3D-печати).
Официальные каталоги и технические описания производителей пневматических и электрических захватов (Festo, Schunk, Zimmer Group, SMC).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →