胡劍雄， 陳嘉文， 王宇揚(yáng)， 湯紅健， 張從林， 韓良（東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189）

0 引言

隨著現(xiàn)代通信的發(fā)展，光纖通信已經(jīng)成為一門新興技術(shù)。在光纖通信系統(tǒng)中，為了滿足不同的設(shè)備和系統(tǒng)之間靈活的連接需要，必須有一種能在光纖與光纖、光纖與器件、光纖與儀表、光纖與系統(tǒng)之間活動(dòng)連接的器件，使光信號(hào)能按所需的通道傳輸。能實(shí)現(xiàn)這種功能的器件叫光纖連接器，是光纖通信系統(tǒng)中必不可少的用量最大的無(wú)源器件。而光纖適配器是光纖連接器對(duì)中連接不可或缺的部件，廣泛應(yīng)用于光纖配線架，光纖通信設(shè)備，儀器儀表等。

然而，實(shí)際生產(chǎn)中光纖適配器的組裝過(guò)程還是手工完成的，不僅生產(chǎn)效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度單調(diào)重復(fù)，而且工人長(zhǎng)時(shí)間單一動(dòng)作容易疏忽大意，產(chǎn)生誤操作。因此機(jī)械手在裝配過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，可代替人的繁重勞動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)光纖適配器生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，并為下一步工位生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。下面將詳細(xì)介紹這套裝置的設(shè)計(jì)理念、系統(tǒng)組成和模塊設(shè)計(jì)。

本課題完成工業(yè)用多自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)，用于從傳送帶上夾取工件，放置于水平槽輪加工工作臺(tái)指定位置。所要夾持的工件為光纖線路的接頭，體積小，重量輕，數(shù)量大，要求機(jī)械手完成動(dòng)作的速度快、精度高、夾持穩(wěn)固，同時(shí)要求設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，而且沖擊、噪聲較小。

目前，國(guó)外已有公司開發(fā)出成熟的機(jī)械手產(chǎn)品，但價(jià)格都比較昂貴。因此設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉且可以符合工作要求的氣動(dòng)機(jī)械手具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。氣動(dòng)機(jī)械手的工作速度較高，隨著氣動(dòng)機(jī)械手工作速度的提高，不可避免地會(huì)出現(xiàn)較大振動(dòng)和磨損，因此氣動(dòng)機(jī)械手的減振性和耐磨性就顯得十分重要。本項(xiàng)目通過(guò)合理優(yōu)化機(jī)械手結(jié)構(gòu)和加裝緩沖器的措施來(lái)達(dá)到減振防振的目的。為了保證氣動(dòng)機(jī)械手控制精度高的要求，一方面要做好機(jī)械手的減振，另一方面需要合理地設(shè)計(jì)機(jī)械手的夾持機(jī)構(gòu)。

1 機(jī)械手整體設(shè)計(jì)

本機(jī)械手裝置由機(jī)械夾持部分、動(dòng)力部分及機(jī)架組成，如圖1所示為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖，圖2所示為機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單示意圖。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

圖2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)示意圖

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手初始位置是在A處上方，開始工作后，Y向工作臂下降到工件處，手部夾緊工件，Y向工作臂上升，然后X向工作臂前行達(dá)到位置B上方，Y向工作臂下降，手部放松，將工件送達(dá)位置B。完成后Y向工作臂上升，X向工作臂縮回，回到初始位置。此時(shí)1個(gè)循環(huán)結(jié)束，再自動(dòng)重復(fù)。

圖3 機(jī)械夾持設(shè)計(jì)圖

1.1 機(jī)械夾持部分

機(jī)械夾持部分不僅要有適當(dāng)?shù)募泳o力和驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)也要配合工件尺寸有足夠的開閉角度，能平穩(wěn)地夾緊放下工件。為達(dá)到手部設(shè)計(jì)要求，夾緊裝置采用平動(dòng)型。通過(guò)微型氣缸帶動(dòng)梯形塊向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，梯形上部較寬，因此小軸承上的彈簧被撐開，夾持手指在軌道上移動(dòng)手指張開；微型氣缸向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在彈簧力的作用下，夾持手指被重新拉回，夾緊工件，設(shè)置2個(gè)軸承可以在梯形塊上下運(yùn)動(dòng)時(shí)滾動(dòng)，減小摩擦磨損，整體如圖3所示。

1.2 氣缸及配套電磁閥選擇

系統(tǒng)需要完成水平、垂直以及手指的夾持3個(gè)動(dòng)作，因此需要3個(gè)氣缸分別提供動(dòng)力。水平方向采用亞德客TN-20×100雙軸氣缸完成水平方向運(yùn)動(dòng)，垂直向采用亞德客TN-10×50雙軸氣缸完成垂直方向運(yùn)動(dòng)，在水平和垂直向氣缸前后都安裝亞德客ACA0806-1型液壓緩沖器進(jìn)行緩沖，手指推動(dòng)靠亞德客PB-4×10復(fù)動(dòng)型氣缸完成，3個(gè)氣缸均使用亞德客4V110-06-B型二位五通電磁閥控制。

1.3 X向氣缸及其液壓緩沖期緩沖的定位與裝配

圖4 支撐板設(shè)計(jì)圖

在總體方案中，Y向氣缸及拇指氣缸都裝在X向氣缸上，X向氣缸的體積和負(fù)載都是最大的，也是固定不動(dòng)的，直接與底座配合，為了方便與鋁型材的裝配，設(shè)計(jì)1個(gè)支撐板，由于支撐板負(fù)載大，沖擊大，故設(shè)計(jì)厚度為8mm。X向氣缸靠螺栓連接固定在支撐板上，支撐板固定在鋁型材上，從而整個(gè)機(jī)構(gòu)得以固定。為了定位X向氣缸，在支撐板上銑了1個(gè)1 mm深的槽，使X向氣缸能完整地嵌入支撐板，實(shí)現(xiàn)X方向上的定位。在支撐板上打孔，孔的位置與氣缸上孔的位置相對(duì)應(yīng)，便于用螺栓連接。支撐板的設(shè)計(jì)圖如圖4。

1.4 液壓緩沖器固定裝置的設(shè)計(jì)

圖5 總體裝配設(shè)計(jì)圖

液壓緩沖器的主體是1個(gè)螺栓狀主體，外表是M8的細(xì)牙螺紋，不能直接固定在支撐板上，故設(shè)計(jì)1個(gè)固定座用于與支撐板連接，由于緩沖要求不確定，需要留有一定余量可調(diào)，固定座上打3個(gè)孔，1個(gè)固定液壓緩沖器，2個(gè)用螺栓螺母將固定座固定在支撐板上，圖5所示為總體裝配設(shè)計(jì)圖。

1.5 液壓緩沖器的選擇

經(jīng)過(guò)計(jì)算我們選取了ACA0806-1液壓緩沖器，其規(guī)格如表1。

表1 ACA0806-1液壓緩沖器規(guī)格

圖6 ACA0806-1液壓緩沖器最大吸收能量與速度曲線圖

圖6是其最大吸收能量與速度曲線圖。

圖6中，曲線以下能量區(qū)間為相應(yīng)規(guī)格緩沖器可吸收的能量范圍，推薦在緩沖器最大吸收能量的20%～80%區(qū)間內(nèi)選用。

由于均采用ACA0806-1液壓緩沖器，則需對(duì)TN-20×100在氣缸推力下的水平撞擊進(jìn)行校核：設(shè)緩沖行程L=6 mm，空氣壓力使用0.7 MPa，壓側(cè)理論輸出力為F=439.8 N，撞擊質(zhì)量M=1.9 kg，撞擊速度V=500 mm/s，則動(dòng)能 E1=mv2/2=0.2375J，驅(qū)動(dòng)能 E2=FL=2.6388J，總能量E=E1+E2=2.86763J。雖然超過(guò)了緩沖器最大吸收能量的80%，但是并沒有超出可吸收總能量，而且水平向氣缸運(yùn)動(dòng)頻率并不高，因此可以使用。

而TN-10×50在氣缸下推時(shí)的垂直撞擊也需要進(jìn)行校核：設(shè)緩沖行程L=6 mm，空氣壓力使用0.7 MPa，壓側(cè)理論輸出力為F=110.0 N，撞擊質(zhì)量M=1.9 kg，撞擊速度V=500 mm/s，則動(dòng)能 E1=mv2/2=0.237 5J，驅(qū)動(dòng)能 E2=（mg+F）·L=2.72J，總能量 E=E1+E2=0.957 5J。處于緩沖器最大吸收能量的20%～80%區(qū)間內(nèi)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制電路

控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)來(lái)完成，電路如圖7，P1^0口控制的是水平氣缸的運(yùn)動(dòng)，P1^1口控制的是垂直氣缸的運(yùn)動(dòng)，P1^2控制的是筆型氣缸的運(yùn)動(dòng)。各口的輸出是接了一個(gè)非門，后通過(guò)一個(gè)繼電器來(lái)控制電磁閥的動(dòng)作。

圖7 機(jī)械手控制系統(tǒng)電路圖

程序主要作用為按順序完成各氣缸的運(yùn)動(dòng)以達(dá)到夾取工件的目的，利用程序控制電磁閥的通斷電來(lái)將先導(dǎo)式電磁閥的通氣方式在P-A和P-B之間切換，則分別對(duì)應(yīng)氣缸的伸出與收回，通過(guò)按順序?qū)Ω麟姶砰y通斷電，控制氣缸以一定順序運(yùn)動(dòng)。

3 試驗(yàn)

圖8 機(jī)械手原型試驗(yàn)裝置圖

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況要求，對(duì)B工位處放下工件進(jìn)行組裝時(shí)的精度要求比較高，因此我們著重對(duì)該工位進(jìn)行精度測(cè)試。在該平面上點(diǎn)的位置可由前后（X軸）和左右（Y軸）2個(gè)坐標(biāo)決定，故在夾持機(jī)構(gòu)的前方和左側(cè)適當(dāng)位置放置2個(gè)位置傳感器，同時(shí)采集數(shù)據(jù)，確定該工位的位置坐標(biāo)。綜合上述的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)，加上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的需要，我們搭建了機(jī)械手原型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8所示。

3.1 傳感器選擇

傳感器要求靈敏度高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快。我們最終選用TR81系列電渦流位移傳感器，由探頭、延伸電纜、前置器以及被測(cè)體構(gòu)成基本工作系統(tǒng)。前置器中高頻振蕩電流通過(guò)延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。該傳感器可用于測(cè)量被測(cè)體與探頭端面的相對(duì)位置。

探頭直徑選用11 mm，其線性量程為4 mm，線性范圍在1～5 mm內(nèi)，且線性范圍內(nèi)的斜率為5 V/mm。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，采集的數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

3.3 數(shù)據(jù)處理

表2 傳感器1（前后方向）的位移偏差V

表3 傳感器2（左右方向）的位移偏差V

圖9 機(jī)械手的位移偏差值圖

由圖可看出，在機(jī)械手100 mm的水平工作位移下，偏差的最大值為0.0597 mm＜＜0.1 mm，且偏差值大部分落在0～0.035 mm范圍內(nèi)，精度較高。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種可以快速、有效地完成光纖適配器自動(dòng)化裝配的機(jī)械手原型，該機(jī)械手屬于典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)控制機(jī)械手的位置與夾緊機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)以降低成本；機(jī)械手設(shè)計(jì)有緩沖減震裝置，使得機(jī)械手快速、穩(wěn)定、耐用，并且具有較好的定位精度；構(gòu)造簡(jiǎn)易，方便組裝、使用，成本低。

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