胡憲委
摘 要:在光纖制造行業(yè)中,預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制棒的機械手,可垂直狀態(tài)搬運預制棒,性能穩(wěn)定可靠,并已投入實際應用中。
關鍵詞:柔性機械手;多向柔性;預制棒
中圖分類號:TH138 文獻標志碼:A
0 引言
在光纖行業(yè)中,制造光纖的第一工序就是預制棒制作。預制棒是用來拉制光纖的材料預制件,也是石英系列光纖的核心原材料,預制棒制作也是光纖工藝中最重要的部分。預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制棒設備,由于預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)量較多的預制棒制作設備,而給設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械手,根據(jù)預制棒易損、易碎,需要輕拿輕放的特點,它應是一種具有多向柔性的機械手。
1 結(jié)構(gòu)模型
結(jié)合預制棒的實際制作工藝和轉(zhuǎn)運過程,機械手只能通過摩擦力夾持預制棒外表面,并不可損傷預制棒。經(jīng)設計,一種針對預制棒工件的多向柔性的機械手如圖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,常被使用在機械人末端,安裝在機械手根部,用于柔性定位對接,吸收對接誤差,消除硬對接現(xiàn)象,保護機械結(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閉狀態(tài),即定心狀態(tài),關閉浮動功能,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軌、滑塊連接;X向滑動板和Y向滑動板通過直線導軌、滑塊連接。兩套直線導軌成空間十字交叉狀態(tài)分布,直線導軌連接結(jié)構(gòu)具有低阻力的導向滑動功能。浮動單元中心內(nèi)部設計有安裝定位錐銷的定位氣缸結(jié)構(gòu),氣缸垂直設計。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、導向銷及輔助支撐彈簧組成。兩圓盤之間設計有球環(huán)連接,實現(xiàn)可扭轉(zhuǎn)功能,內(nèi)部設計有氣缸結(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)功能的打開和關閉。此浮動單元可有效吸收機械手與設備夾具對接時的角度誤差,與水平浮動單元組合使用后,可大幅度提高機械手對接柔性。應用在光纖預制棒行業(yè)中,可有效降低機械手與預制棒的剛性抓取,更高程度地保護預制棒不受損壞,避免了預制棒易碎、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,設計上在下方向設有限位擋塊,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。
在機械手夾持預制棒向設備夾具中掛棒過程中,當機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,吸收了掛銷與預制棒(玻璃)材料過度內(nèi)應力。如無此浮動功能,機械手在向設備夾具掛接過程中,下落位置過大時,在掛銷和預制棒的連接處由于應力過大會出現(xiàn)預制棒斷裂;下落位置過小時,在機械手松開預制棒時,會出現(xiàn)掛銷和預制棒自由落體至設備夾具上,存在非金屬掛銷斷裂或預制棒斷裂的可能。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)了多方向柔性機械手的設計和制造,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械手可以穩(wěn)定抓?。▕A持)和搬運預制棒,抓取過程中沒有對預制棒造成損傷。多向柔性機械手在柔性結(jié)構(gòu)功能上已達到研制前的初期想法,適合應用在預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域中。
參考文獻
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