一種蜂窩板裝配機械手用新型柔性夾具研制

鄧三星，楊蒙蒙，安紅恩，李克強

(黃河交通學院機電工程學院，河南焦作 454900)

0 前言

蜂窩板的結構多樣性和種類多樣性導致它在自動化搬運過程中具有較大的挑戰性。大多數結構板對蜂窩單元的尺寸和形狀均十分敏感[1]。1 mm左右的蜂窩單元尺寸誤差就會導致整體面板的長度和寬度出現高達50 mm的誤差。蜂窩單元的力學性能對方向的依賴性較高[2]，并且極容易彎曲變形[3]。因此，一個完整的蜂窩結構對成品的性能至關重要。

為了提高自動化程度，通常需要為蜂窩板機械手裝備一個夾具，要求具備一定的靈活性來夾持各種蜂窩板，并具有不損壞材料的靈敏度。然而，基于形閉合與力閉合概念的經典機械夾具不適用于蜂窩板，因為僅從外部夾持會導致變形[4]。此外，由于材料的物理性質和結構，可以排除其他廣泛使用的夾具，例如真空夾具、磁力夾具或靜電夾具[5]。由于存在被污染的風險，非常適合處理非剛性片材的黏附式夾具也不能用于蜂窩板[6]。ASHAB等[7]提出了一種基于摩擦的夾具概念，試圖通過將剛性夾持元件插入蜂窩單元來實現夾持。這種夾具需要使單元壁變形，從而導致幾何形狀出現偏差。SHINTAKE等[8]提出將柔性夾具應用于蜂窩板，通過摩擦實現了外部夾持。然而，由于尺寸大、剛度低等問題，只有內部夾持才是可行的方案。RUBIO-MATEOS等[9]提出了一種基于可變尺寸橡膠體的內部柔性夾具，橡膠體附著在一個插入物體腔內的夾持銷上，但是，這種內部柔性夾具的夾持銷過大，無法插入較小的蜂窩單元中。

本文作者研制一種裝配機械手用新型柔性夾具，可用于不同的材料、蜂窩尺寸、密度的蜂窩板自動搬運工作。首先，對夾持器的要求進行了詳細的分析。在此基礎上，提出一種基于柔性環的新型柔性夾具概念。之后，進一步優化基本概念，以提高靈活性。制備并測試原型以確定適用于各種蜂窩板的最佳夾持參數，并量化夾持力和驗證該概念。

1 蜂窩板柔性夾具設計

1.1 問題與要求分析

蜂窩板夾具需要滿足一些通用要求。例如：夾緊力應足夠大，以夾緊單元數量合理的蜂窩板；夾具應能夾持不同的材料、蜂窩尺寸、密度的蜂窩板。由于蜂窩板的種類太多，文中所考慮的范圍僅限于一些最常見的材料和蜂窩配置。最常見的基材是芳綸、鋁和牛皮紙[10]。芳綸和鋁在航空航天工業中最常見，而牛皮紙則用于包裝、家具或汽車中。最常見的蜂窩單元配置如圖1所示。

圖1 蜂窩單元的幾何形狀

對于質量和強度要求很高的領域，例如航空航天中，蜂窩單元主要使用六角形。對于低成本的需求，大多使用牛皮紙制成的波紋狀蜂窩。此外，夾持元件以及整體機械結構應盡量簡單，以限制成本和提高可靠性。

1.2 基本概念設計

與現有蜂窩板夾具的概念一樣，文中所提柔性夾具概念也是基于安裝在底板上的多個夾持元件。夾持元件由柔性線繩制成，可彎曲形成一個個環。為了夾緊，夾具被壓在蜂窩板上。扁平環狀物的二維形狀導致環狀物圍繞一個長軸的面積慣性矩比另一個軸低得多。因此，軟環可以很容易地偏轉并垂直于環平面，從而滑入蜂窩單元而不造成損傷。同時，環平面內環的壓縮會導致足夠的預緊力[11]，以通過摩擦力固定住蜂窩結構，如圖2所示。

圖2 基于線繩環的柔性夾具概念

上述線繩環的概念可以適應各種幾何形狀的蜂窩單元。夾持過程本身是被動產生的。多個夾具可以結合在一個夾持系統中，以盡量減少處理過程中蜂窩的偏移。

2 具有可調環的柔性夾具研制

2.1 環幾何形狀的要求分析

為了研制具有可調環的柔性夾具，分析對環幾何形狀的要求。線繩環需要經歷2種狀態，分別稱為預插入狀態和插入狀態。這2種狀態對環的長度和寬度有不同的要求。在預插入狀態下，環要求很窄，以便容易地滑入小細胞。初步測試表明，長環可能會折疊，從而損壞材料。因此，在預插入狀態下，短環是更有利的。插入狀態下的環需要滿足一定的硬度和寬度，因為夾具的夾持力取決于環的剛度，且環的寬度需要適應蜂窩單元的尺寸[12]。

因此，基于靜態幾何形狀環的柔性夾具無法滿足高靈活性的需求，需要合理控制環的長度。此外，環的最寬點需要在夾具板的下方。如果不滿足這一要求，蜂窩單元壁和線繩之間會產生對角力，抵消夾持力，如圖3所示。

圖3 對角力與夾持力之間的抵消

2.2 環的控制方法設計

為了控制環的幾何形狀，文中設計了3種基本方法，如圖4所示。

圖4 控制環幾何形狀的方法

為了選擇最佳的方法，對這3種環的控制方法進行了評估，結果如表1所示。

表1 3種環的控制方法的評估

由表1可以看出：只有控制線繩長度來改變環幾何形狀的方法，可以滿足所有4個要求，所以文中采用此控制方法。

2.3 環控制的具體實現

為了具體實現上述改變環的控制方法，設計了3種技術原理，如圖5所示。

圖5 改變環的3種技術原理

為了驗證所提環控制方法并選擇更合適的技術原理，使用直徑為0.7 mm的聚酰胺[13]繩分別構建了3個簡單的夾具原型。在蜂窩單元尺寸為3.2 mm和4.8 mm的芳綸蜂窩板上分別測試了3種夾具原型。結果表明：不同夾具之間存在重大差異，這主要是由聚酰胺的黏彈性引起的[14]。在前2種原型中，聚酰胺繩在預插入狀態時在環的尖端發生塑性變形。第一個原型中，在插入狀態下，多次夾持循環后，環變得更窄，夾持力減小。第二個原型中，環的形狀在預插入狀態下變得更圓，實現了環的無損傷插入。

第三個原型是前2種原型的組合，在第二個原型的基礎上增加了一個移動板，該移動板可在夾持后恢復環的原始形狀。測試結果表明：該原型可抵消變形的影響，因此被選為最終原型。由于移動板的運動只需要在行程結束時進行，因此可以被動地驅動該板，從而不影響簡單的機械結構。柔性夾具原型的結構如圖6所示。

圖6 柔性夾具原型的結構

3 夾持參數及夾持力的實驗分析

3.1 柔性夾具原型的制備

為了驗證所提概念，使用聚酰胺繩構建了一個柔性夾具原型。為了保持原型的簡單性，將環恢復為原始形狀的操作是由人工完成的。夾具原型如圖7所示。

圖7 夾具原型

該柔性夾具由6個環組成，環的兩端固定在兩塊板上，由線性軸承引導。預插入狀態下環的寬度以及行程(決定插入狀態下環的寬度)都由可調止動器設置。管子和導向塊防止繩彎曲。安裝在裝配機器手上的夾具原型如圖8所示。

圖8 安裝在裝配機器手上的夾具原型

3.2 實驗設置

為了驗證原型并找到不同材料的最佳夾持參數，對多種常見蜂窩板的夾持力和夾持參數之間的相關性進行實驗分析。夾持參數為：線繩的直徑、預插入和插入狀態下的線繩長度。線繩的長度取決于行程，并由制動器調節，線繩的直徑控制線繩的硬度。用于測量夾持力的測試裝置如圖9所示。

圖9 測試裝置

該裝置包括2個工作臺，由安裝在框架上的線性軸承引導。第一個工作臺放置蜂窩板，并與HBM公司的力傳感器S2M連接，其量程為0～100 N。每種測試蜂窩板的示例如圖10所示。

圖10 測試的蜂窩材料示例

第二個工作臺上固定了夾具，并與一個杠桿相連以施加力，采用HBM的Quantum X和CatmanEasy軟件[15]進行評估。所有測試蜂窩板的參數如表2所示。

表2 所有測試蜂窩板的參數

以直徑為0.3、0.7、1、1.3 mm的聚酰胺繩為研究對象，初步測試結果表明：0.3 mm繩不夠堅硬，無法施加明顯的夾持力，而1.3 mm繩可實現的最小環寬明顯大于蜂窩單元尺寸。因此，最終選擇直徑為0.7 mm和1 mm的繩用于測試。

由行程控制的繩長度會同時改變環的長度和寬度，但只有寬度才會增加夾持力。因此，對于2個繩直徑，以1.25 mm的步長測量環寬度作為行程的函數。

在初步測試中，確定了預插入狀態下的繩長度，以實現最佳的環插入特性。對于0.7 mm的繩，插入時的最佳繩長度為3.5 mm；對于1 mm的繩長，最佳繩長度則為4.2 mm。

插入狀態下的繩長度是通過逐步增加行程來改變的(1.25～12.5 mm)。對于每組參數，在不同材料類型的蜂窩板上測量5次夾持力。

3.3 實驗結果

環路的寬度最初幾乎是線性增長的，隨后達到了一個平穩期。因此，最大夾持力不會出現在最大行程以外，即最佳行程小于最大行程。測量環寬度的結果如圖11所示。

不同于芳綸和紙質材料，鋁蜂窩板在測試過程中幾乎不可能受到夾具的損傷，因此后續最佳夾持參數實驗僅分析了芳綸和紙材料。2種材料的平均夾持力如圖12所示。

圖12 平均抓取力曲線

對于0.7 mm繩和1 mm繩，夾持力都先增加到最大，然后又減小，證實了上述關于環尺寸與行程的假設。最大夾持力出現的位置不同，此現象與蜂窩材料有關。其中，在過度膨脹芳綸(芳綸4)蜂窩板與0.7 mm繩的組合下，夾持力不斷上升，這表明過度膨脹的蜂窩單元具有很高的彈性，最大的力出現在測試行程以上。0.7 mm的繩不會損壞任何蜂窩，1 mm的繩中芳綸1、2會出現損傷現象，而芳綸3、4以及波紋紙材料都沒有損壞。每種材料的最佳行程如表3所示。

表3 測試蜂窩板的最佳行程

整體來看，1 mm繩相比0.7 mm繩的夾持力更高。然而，由于1 mm繩在插入過程中損壞了一些蜂窩，因此該繩僅適用于蜂窩單元相對較大或強度較高的蜂窩板，例如芳綸3。0.7 mm繩不會損壞任何材料，具有更高的靈活性。

對于具有相同單元尺寸和不同密度的蜂窩板，最大抓取力發生在不同的行程。因此，最佳的環尺寸不能僅從蜂窩單元的尺寸得出，必須考慮材料密度。由圖12可以看出：所有測量值的標準差都比較大。原因是夾具原型的環數較少，可能導致夾持力的高散射。而夾持力很大程度上取決于單元中每個環的確切位置。

結果表明：所研制的可調節環尺寸的柔性夾具滿足了靈活性和靈敏度的要求，可夾持蜂窩板范圍較廣，大幅提高了自動化制造效率。此外，確定了最佳的夾持參數，可為特定的材料范圍設計單獨的夾具。

4 結語

文中提出了一種用于蜂窩板自動搬運的新型柔性夾具。為了滿足靈活性要求，在靜態幾何形狀環的柔性夾具基礎上，對環路幾何結構進行了合理控制，選擇不同的繩長度來控制環的幾何形狀。對各種常見蜂窩板的夾持力和夾持參數之間的相關性進行了測量。結果表明：該夾具在不造成損壞的條件下，滿足了夾持常見蜂窩板所需的靈活性和靈敏度要求。在未來的工作中，將評估具有小彎曲直徑和大線性彈性范圍的其他繩材，以消除夾持后恢復環形的過程。