一種蜂窩板裝配機(jī)械手用新型柔性夾具研制

鄧三星，楊蒙蒙，安紅恩，李克強(qiáng)

(黃河交通學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南焦作 454900)

0 前言

蜂窩板的結(jié)構(gòu)多樣性和種類多樣性導(dǎo)致它在自動化搬運過程中具有較大的挑戰(zhàn)性。大多數(shù)結(jié)構(gòu)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(dǎo)致整體面板的長度和寬度出現(xiàn)高達(dá)50 mm的誤差。蜂窩單元的力學(xué)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(jié)構(gòu)對成品的性能至關(guān)重要。

為了提高自動化程度，通常需要為蜂窩板機(jī)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(jīng)典機(jī)械夾具不適用于蜂窩板，因為僅從外部夾持會導(dǎo)致變形[4]。此外，由于材料的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，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(fēng)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(xiàn)夾持。這種夾具需要使單元壁變形，從而導(dǎo)致幾何形狀出現(xiàn)偏差。SHINTAKE等[8]提出將柔性夾具應(yīng)用于蜂窩板，通過摩擦實現(xiàn)了外部夾持。然而，由于尺寸大、剛度低等問題，只有內(nèi)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(nèi)部柔性夾具，橡膠體附著在一個插入物體腔內(nèi)的夾持銷上，但是，這種內(nèi)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(jī)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(jìn)行了詳細(xì)的分析。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于柔性環(huán)的新型柔性夾具概念。之后，進(jìn)一步優(yōu)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(shù)，并量化夾持力和驗證該概念。

1 蜂窩板柔性夾具設(shè)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(yīng)足夠大，以夾緊單元數(shù)量合理的蜂窩板；夾具應(yīng)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(yè)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(zhì)量和強(qiáng)度要求很高的領(lǐng)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(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，以限制成本和提高可靠性。

1.2 基本概念設(shè)計

與現(xiàn)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(huán)。為了夾緊，夾具被壓在蜂窩板上。扁平環(huán)狀物的二維形狀導(dǎo)致環(huán)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(huán)可以很容易地偏轉(zhuǎn)并垂直于環(huán)平面，從而滑入蜂窩單元而不造成損傷。同時，環(huán)平面內(nèi)環(huán)的壓縮會導(dǎo)致足夠的預(yù)緊力[11]，以通過摩擦力固定住蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 基于線繩環(huán)的柔性夾具概念

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

2 具有可調(diào)環(huán)的柔性夾具研制

2.1 環(huán)幾何形狀的要求分析

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

因此，基于靜態(tài)幾何形狀環(huán)的柔性夾具無法滿足高靈活性的需求，需要合理控制環(huán)的長度。此外，環(huán)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(chǎn)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(huán)的控制方法設(shè)計

為了控制環(huán)的幾何形狀，文中設(shè)計了3種基本方法，如圖4所示。

圖4 控制環(huán)幾何形狀的方法

為了選擇最佳的方法，對這3種環(huán)的控制方法進(jìn)行了評估，結(jié)果如表1所示。

表1 3種環(huán)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(huán)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(huán)控制的具體實現(xiàn)

為了具體實現(xiàn)上述改變環(huán)的控制方法，設(shè)計了3種技術(shù)原理，如圖5所示。

圖5 改變環(huán)的3種技術(shù)原理

為了驗證所提環(huán)控制方法并選擇更合適的技術(shù)原理，使用直徑為0.7 mm的聚酰胺[13]繩分別構(gòu)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(jié)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(yù)插入狀態(tài)時在環(huán)的尖端發(fā)生塑性變形。第一個原型中，在插入狀態(tài)下，多次夾持循環(huán)后，環(huán)變得更窄，夾持力減小。第二個原型中，環(huán)的形狀在預(yù)插入狀態(tài)下變得更圓，實現(xiàn)了環(huán)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(chǔ)上增加了一個移動板，該移動板可在夾持后恢復(fù)環(huán)的原始形狀。測試結(jié)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(jié)束時進(jìn)行，因此可以被動地驅(qū)動該板，從而不影響簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)。柔性夾具原型的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 柔性夾具原型的結(jié)構(gòu)

3 夾持參數(shù)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(gòu)建了一個柔性夾具原型。為了保持原型的簡單性，將環(huán)恢復(fù)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(huán)組成，環(huán)的兩端固定在兩塊板上，由線性軸承引導(dǎo)。預(yù)插入狀態(tài)下環(huán)的寬度以及行程(決定插入狀態(tài)下環(huán)的寬度)都由可調(diào)止動器設(shè)置。管子和導(dǎo)向塊防止繩彎曲。安裝在裝配機(jī)器手上的夾具原型如圖8所示。

圖8 安裝在裝配機(jī)器手上的夾具原型

3.2 實驗設(shè)置

為了驗證原型并找到不同材料的最佳夾持參數(shù)，對多種常見蜂窩板的夾持力和夾持參數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行實驗分析。夾持參數(shù)為：線繩的直徑、預(yù)插入和插入狀態(tài)下的線繩長度。線繩的長度取決于行程，并由制動器調(diào)節(jié)，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(dǎo)。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(jìn)行評估。所有測試蜂窩板的參數(shù)如表2所示。

表2 所有測試蜂窩板的參數(shù)

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(jié)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(xiàn)的最小環(huán)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(huán)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(huán)寬度作為行程的函數(shù)。

在初步測試中，確定了預(yù)插入狀態(tài)下的繩長度，以實現(xiàn)最佳的環(huán)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(tài)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(shù)，在不同材料類型的蜂窩板上測量5次夾持力。

3.3 實驗結(jié)果

環(huán)路的寬度最初幾乎是線性增長的，隨后達(dá)到了一個平穩(wěn)期。因此，最大夾持力不會出現(xiàn)在最大行程以外，即最佳行程小于最大行程。測量環(huán)寬度的結(jié)果如圖11所示。

不同于芳綸和紙質(zhì)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(xù)最佳夾持參數(shù)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(guān)于環(huán)尺寸與行程的假設(shè)。最大夾持力出現(xiàn)的位置不同，此現(xiàn)象與蜂窩材料有關(guān)。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(xiàn)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(xiàn)損傷現(xiàn)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(qiáng)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(fā)生在不同的行程。因此，最佳的環(huán)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(biāo)準(zhǔn)差都比較大。原因是夾具原型的環(huán)數(shù)較少，可能導(dǎo)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(huán)的確切位置。

結(jié)果表明：所研制的可調(diào)節(jié)環(huán)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(shù)，可為特定的材料范圍設(shè)計單獨的夾具。

4 結(jié)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(tài)幾何形狀環(huán)的柔性夾具基礎(chǔ)上，對環(huán)路幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理控制，選擇不同的繩長度來控制環(huán)的幾何形狀。對各種常見蜂窩板的夾持力和夾持參數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行了測量。結(jié)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(fù)環(huán)形的過程。