一种多向柔性的预制棒机械手研制及应用

胡宪委

摘 要：在光纤制造行业中，预制棒是一种材料为类似玻璃的棒体，长度约2m～4m不等，单只预制棒的成本价格十分昂贵，搬运不良会出现易损、易碎等报废现象。本文结合预制棒制作的实际工艺及棒体特点，研制出一种具有九方向柔性夹持预制棒的机械手，可垂直状态搬运预制棒，性能稳定可靠，并已投入实际应用中。

关键词：柔性机械手；多向柔性；预制棒

中图分类号：TH138 文献标志码：A

0 引言

在光纤行业中，制造光纤的第一工序就是预制棒制作。预制棒是用来拉制光纤的材料预制件，也是石英系列光纤的核心原材料，预制棒制作也是光纤工艺中最重要的部分。预制棒的主要原料是二氧化硅，类似于平常生活中常见的玻璃，成品预制棒外形可以理解为净度和均匀度非常高的、一种透明的玻璃棒体。根据制作设备和工艺不同，棒部直径一般为几十mm，长度约2m～4m。

在国内知名的光纤制造单位都已拥有自己的自动化制作预制棒设备，由于预制棒的制造周期较长，为提高生产效率，工厂内往往都有数量较多的预制棒制作设备，而给设备上棒和下棒的工作几乎全部都是通过2～3个工人使用手推辅助框架车相互协作完成的，在人工操作中，每次失误都会带来巨大的损失，并且效率很低。为实现更安全，更稳定的上棒、下棒和转运棒的生产过程，同时也结合国内工业4.0的发展方向，需要一种能够代替人工上下棒的机械手，根据预制棒易损、易碎，需要轻拿轻放的特点，它应是一种具有多向柔性的机械手。

1 结构模型

结合预制棒的实际制作工艺和转运过程，机械手只能通过摩擦力夹持预制棒外表面，并不可损伤预制棒。经设计，一种针对预制棒工件的多向柔性的机械手如图1所示，主要结构由支座、水平浮动单元、扭转浮动单元、气抓、夹手组成。

2 水平浮动单元

这是一种水平浮动单元，常被使用在机械人末端，安装在机械手根部，用于柔性定位对接，吸收对接误差，消除硬对接现象，保护机械结构本体。通过气动控制可以使浮动单元处于浮动打开状态，即自由浮动状态，浮动单元随着所受外力的变化，可以在水平面X方向和Y方向随动浮动（移动）。通过气动控制也可以使浮动单元处于浮动关闭状态，即定心状态，关闭浮动功能，浮动单元处于刚性状态。内部结构示意图如图2所示，主要由固定安装板（下层）、X向滑动板。

（中层）、Y向滑动板（上层）组成。固定安装板和X向滑动板通过直线导轨、滑块连接；X向滑动板和Y向滑动板通过直线导轨、滑块连接。两套直线导轨成空间十字交叉状态分布，直线导轨连接结构具有低阻力的导向滑动功能。浮动单元中心内部设计有安装定位锥销的定位气缸结构，气缸垂直设计。通过气缸带动定位锥销运动，使定位锥销处于伸出或缩回的状态，实现浮动单元的打开和关闭功能。浮动单元配有检测传感器，可监控反馈其所处状态。浮动单元可实现水平面内四方向的柔性浮动，本次结构中在X方向可实现±10mm浮动位移，Y方向±可实现±10mm浮动位移。

3 扭转浮动单元

这种扭转浮动单元可以吸收绕Z轴旋转的C轴角度误差，C轴角度浮动量±2°，可吸收绕X（Y）轴旋转的A轴角度误差，A轴角度浮动量±2°。内部结构示意图如图3所示，主要由安装圆盘、扭转圆盘、定位销、活塞、导向销及辅助支撑弹簧组成。两圆盘之间设计有球环连接，实现可扭转功能，内部设计有气缸结构，安装有三销轴的活塞结构，活塞上的3个销轴通过气动控制，可插入上面的扭转圆盘对应的定位孔内，实现扭转浮动单元随动扭转功能的打开和关闭。此浮动单元可有效吸收机械手与设备夹具对接时的角度误差，与水平浮动单元组合使用后，可大幅度提高机械手对接柔性。应用在光纤预制棒行业中，可有效降低机械手与预制棒的刚性抓取，更高程度地保护预制棒不受损坏，避免了预制棒易碎、易损现象的发生。

4 垂向浮动结构

垂向浮动单元安装在夹手内部，夹手主要由夹手本体和非金属夹持件（下文简称夹持件）组成，如图4所示，非金属材料选择了聚甲醛材料，聚甲醛具有较高的摩擦系数和力学性能。在夹手本体和夹持件之间安装有垂直方向的小型直线导轨，使夹持件在夹手本体上可上下方向移动，由于重力原因，夹持件安装后会自由下落，设计上在下方向设有限位挡块，并配有检测传感器，可监控反馈Z+方向上的浮动状态。这样，夹手具有Z+方向上的柔性功能。

在机械手夹持预制棒向设备夹具中挂棒过程中，当机械手下落位移过多时（在下落精度范围内），Z+方向浮动会自动打开，吸收了挂销与预制棒（玻璃）材料过度内应力。如无此浮动功能，机械手在向设备夹具挂接过程中，下落位置过大时，在挂销和预制棒的连接处由于应力过大会出现预制棒断裂；下落位置过小时，在机械手松开预制棒时，会出现挂销和预制棒自由落体至设备夹具上，存在非金属挂销断裂或预制棒断裂的可能。本次結构中在Z+方向可实现+20mm的浮动位移。

5 验证实验

结合光纤预制棒产品制作的实际工艺需求，通过前文所述的功能原理，已实现了多方向柔性机械手的设计和制造，在潜江某知名光纤制造工厂内已投入到实际使用之中。现场实验的工作照片如图5所示。

在现场测试过程中，出现过水平浮动单元由定心状态切换到浮动状态时，首次浮动阻力较大，产生浮动位移后，浮动阻力恢复正常。经分析判断，属于浮动单元内部气缸结构处压缩空气不能够迅速排出原因。分析出原因后，在气路控制上增加了快速排气阀，浮动阻力恢复正常。

结论

经现场调试和实际验证，这种具有九方向柔性的机械手可以稳定抓取（夹持）和搬运预制棒，抓取过程中没有对预制棒造成损伤。多向柔性机械手在柔性结构功能上已达到研制前的初期想法，适合应用在预制棒等易碎件的自动化抓取工作之中，多向柔性结构也可使用在其他自动化领域中。

参考文献

[1]王少怀，等.机械设计使用手册（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]成大先.机械设计手册（第1卷）[M].北京：化学工业出版社， 2016.