一種多向柔性的預(yù)制棒機(jī)械手研制及應(yīng)用

胡憲委

摘 要：在光纖制造行業(yè)中，預(yù)制棒是一種材料為類似玻璃的棒體，長度約2m～4m不等，單只預(yù)制棒的成本價格十分昂貴，搬運不良會出現(xiàn)易損、易碎等報廢現(xiàn)象。本文結(jié)合預(yù)制棒制作的實際工藝及棒體特點，研制出一種具有九方向柔性夾持預(yù)制棒的機(jī)械手，可垂直狀態(tài)搬運預(yù)制棒，性能穩(wěn)定可靠，并已投入實際應(yīng)用中。

關(guān)鍵詞：柔性機(jī)械手；多向柔性；預(yù)制棒

中圖分類號：TH138 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在光纖行業(yè)中，制造光纖的第一工序就是預(yù)制棒制作。預(yù)制棒是用來拉制光纖的材料預(yù)制件，也是石英系列光纖的核心原材料，預(yù)制棒制作也是光纖工藝中最重要的部分。預(yù)制棒的主要原料是二氧化硅，類似于平常生活中常見的玻璃，成品預(yù)制棒外形可以理解為凈度和均勻度非常高的、一種透明的玻璃棒體。根據(jù)制作設(shè)備和工藝不同，棒部直徑一般為幾十mm，長度約2m～4m。

在國內(nèi)知名的光纖制造單位都已擁有自己的自動化制作預(yù)制棒設(shè)備，由于預(yù)制棒的制造周期較長，為提高生產(chǎn)效率，工廠內(nèi)往往都有數(shù)量較多的預(yù)制棒制作設(shè)備，而給設(shè)備上棒和下棒的工作幾乎全部都是通過2～3個工人使用手推輔助框架車相互協(xié)作完成的，在人工操作中，每次失誤都會帶來巨大的損失，并且效率很低。為實現(xiàn)更安全，更穩(wěn)定的上棒、下棒和轉(zhuǎn)運棒的生產(chǎn)過程，同時也結(jié)合國內(nèi)工業(yè)4.0的發(fā)展方向，需要一種能夠代替人工上下棒的機(jī)械手，根據(jù)預(yù)制棒易損、易碎，需要輕拿輕放的特點，它應(yīng)是一種具有多向柔性的機(jī)械手。

1 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)合預(yù)制棒的實際制作工藝和轉(zhuǎn)運過程，機(jī)械手只能通過摩擦力夾持預(yù)制棒外表面，并不可損傷預(yù)制棒。經(jīng)設(shè)計，一種針對預(yù)制棒工件的多向柔性的機(jī)械手如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)由支座、水平浮動單元、扭轉(zhuǎn)浮動單元、氣抓、夾手組成。

2 水平浮動單元

這是一種水平浮動單元，常被使用在機(jī)械人末端，安裝在機(jī)械手根部，用于柔性定位對接，吸收對接誤差，消除硬對接現(xiàn)象，保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)本體。通過氣動控制可以使浮動單元處于浮動打開狀態(tài)，即自由浮動狀態(tài)，浮動單元隨著所受外力的變化，可以在水平面X方向和Y方向隨動浮動（移動）。通過氣動控制也可以使浮動單元處于浮動關(guān)閉狀態(tài)，即定心狀態(tài)，關(guān)閉浮動功能，浮動單元處于剛性狀態(tài)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要由固定安裝板（下層）、X向滑動板。

（中層）、Y向滑動板（上層）組成。固定安裝板和X向滑動板通過直線導(dǎo)軌、滑塊連接；X向滑動板和Y向滑動板通過直線導(dǎo)軌、滑塊連接。兩套直線導(dǎo)軌成空間十字交叉狀態(tài)分布，直線導(dǎo)軌連接結(jié)構(gòu)具有低阻力的導(dǎo)向滑動功能。浮動單元中心內(nèi)部設(shè)計有安裝定位錐銷的定位氣缸結(jié)構(gòu)，氣缸垂直設(shè)計。通過氣缸帶動定位錐銷運動，使定位錐銷處于伸出或縮回的狀態(tài)，實現(xiàn)浮動單元的打開和關(guān)閉功能。浮動單元配有檢測傳感器，可監(jiān)控反饋其所處狀態(tài)。浮動單元可實現(xiàn)水平面內(nèi)四方向的柔性浮動，本次結(jié)構(gòu)中在X方向可實現(xiàn)±10mm浮動位移，Y方向±可實現(xiàn)±10mm浮動位移。

3 扭轉(zhuǎn)浮動單元

這種扭轉(zhuǎn)浮動單元可以吸收繞Z軸旋轉(zhuǎn)的C軸角度誤差，C軸角度浮動量±2°，可吸收繞X（Y）軸旋轉(zhuǎn)的A軸角度誤差，A軸角度浮動量±2°。內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，主要由安裝圓盤、扭轉(zhuǎn)圓盤、定位銷、活塞、導(dǎo)向銷及輔助支撐彈簧組成。兩圓盤之間設(shè)計有球環(huán)連接，實現(xiàn)可扭轉(zhuǎn)功能，內(nèi)部設(shè)計有氣缸結(jié)構(gòu)，安裝有三銷軸的活塞結(jié)構(gòu)，活塞上的3個銷軸通過氣動控制，可插入上面的扭轉(zhuǎn)圓盤對應(yīng)的定位孔內(nèi)，實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)浮動單元隨動扭轉(zhuǎn)功能的打開和關(guān)閉。此浮動單元可有效吸收機(jī)械手與設(shè)備夾具對接時的角度誤差，與水平浮動單元組合使用后，可大幅度提高機(jī)械手對接柔性。應(yīng)用在光纖預(yù)制棒行業(yè)中，可有效降低機(jī)械手與預(yù)制棒的剛性抓取，更高程度地保護(hù)預(yù)制棒不受損壞，避免了預(yù)制棒易碎、易損現(xiàn)象的發(fā)生。

4 垂向浮動結(jié)構(gòu)

垂向浮動單元安裝在夾手內(nèi)部，夾手主要由夾手本體和非金屬夾持件（下文簡稱夾持件）組成，如圖4所示，非金屬材料選擇了聚甲醛材料，聚甲醛具有較高的摩擦系數(shù)和力學(xué)性能。在夾手本體和夾持件之間安裝有垂直方向的小型直線導(dǎo)軌，使夾持件在夾手本體上可上下方向移動，由于重力原因，夾持件安裝后會自由下落，設(shè)計上在下方向設(shè)有限位擋塊，并配有檢測傳感器，可監(jiān)控反饋Z+方向上的浮動狀態(tài)。這樣，夾手具有Z+方向上的柔性功能。

在機(jī)械手夾持預(yù)制棒向設(shè)備夾具中掛棒過程中，當(dāng)機(jī)械手下落位移過多時（在下落精度范圍內(nèi)），Z+方向浮動會自動打開，吸收了掛銷與預(yù)制棒（玻璃）材料過度內(nèi)應(yīng)力。如無此浮動功能，機(jī)械手在向設(shè)備夾具掛接過程中，下落位置過大時，在掛銷和預(yù)制棒的連接處由于應(yīng)力過大會出現(xiàn)預(yù)制棒斷裂；下落位置過小時，在機(jī)械手松開預(yù)制棒時，會出現(xiàn)掛銷和預(yù)制棒自由落體至設(shè)備夾具上，存在非金屬掛銷斷裂或預(yù)制棒斷裂的可能。本次結(jié)構(gòu)中在Z+方向可實現(xiàn)+20mm的浮動位移。

5 驗證實驗

結(jié)合光纖預(yù)制棒產(chǎn)品制作的實際工藝需求，通過前文所述的功能原理，已實現(xiàn)了多方向柔性機(jī)械手的設(shè)計和制造，在潛江某知名光纖制造工廠內(nèi)已投入到實際使用之中。現(xiàn)場實驗的工作照片如圖5所示。

在現(xiàn)場測試過程中，出現(xiàn)過水平浮動單元由定心狀態(tài)切換到浮動狀態(tài)時，首次浮動阻力較大，產(chǎn)生浮動位移后，浮動阻力恢復(fù)正常。經(jīng)分析判斷，屬于浮動單元內(nèi)部氣缸結(jié)構(gòu)處壓縮空氣不能夠迅速排出原因。分析出原因后，在氣路控制上增加了快速排氣閥，浮動阻力恢復(fù)正常。

結(jié)論

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試和實際驗證，這種具有九方向柔性的機(jī)械手可以穩(wěn)定抓取（夾持）和搬運預(yù)制棒，抓取過程中沒有對預(yù)制棒造成損傷。多向柔性機(jī)械手在柔性結(jié)構(gòu)功能上已達(dá)到研制前的初期想法，適合應(yīng)用在預(yù)制棒等易碎件的自動化抓取工作之中，多向柔性結(jié)構(gòu)也可使用在其他自動化領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)

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