光纤适配器自动化装配用机械手设计与实验研究

胡剑雄， 陈嘉文， 王宇扬， 汤红健， 张从林， 韩良（东南大学 机械工程学院，南京 211189）

0 引言

随着现代通信的发展，光纤通信已经成为一门新兴技术。在光纤通信系统中，为了满足不同的设备和系统之间灵活的连接需要，必须有一种能在光纤与光纤、光纤与器件、光纤与仪表、光纤与系统之间活动连接的器件，使光信号能按所需的通道传输。能实现这种功能的器件叫光纤连接器，是光纤通信系统中必不可少的用量最大的无源器件。而光纤适配器是光纤连接器对中连接不可或缺的部件，广泛应用于光纤配线架，光纤通信设备，仪器仪表等。

然而，实际生产中光纤适配器的组装过程还是手工完成的，不仅生产效率低、工人劳动强度单调重复，而且工人长时间单一动作容易疏忽大意，产生误操作。因此机械手在装配过程中发挥着重要作用，可代替人的繁重劳动，能实现光纤适配器生产的机械化和自动化，并为下一步工位生产做好准备。下面将详细介绍这套装置的设计理念、系统组成和模块设计。

本课题完成工业用多自由度机械手设计，用于从传送带上夹取工件，放置于水平槽轮加工工作台指定位置。所要夹持的工件为光纤线路的接头，体积小，重量轻，数量大，要求机械手完成动作的速度快、精度高、夹持稳固，同时要求设计简便，而且冲击、噪声较小。

目前，国外已有公司开发出成熟的机械手产品，但价格都比较昂贵。因此设计一款结构简单，价格低廉且可以符合工作要求的气动机械手具有较大的经济价值。气动机械手的工作速度较高，随着气动机械手工作速度的提高，不可避免地会出现较大振动和磨损，因此气动机械手的减振性和耐磨性就显得十分重要。本项目通过合理优化机械手结构和加装缓冲器的措施来达到减振防振的目的。为了保证气动机械手控制精度高的要求，一方面要做好机械手的减振，另一方面需要合理地设计机械手的夹持机构。

1 机械手整体设计

本机械手装置由机械夹持部分、动力部分及机架组成，如图1所示为系统整体设计图，图2所示为机械手运动简单示意图。

图1 系统整体设计图

图2 机械手运动示意图

该系统可以实现3个自由度的运动，机械手初始位置是在A处上方，开始工作后，Y向工作臂下降到工件处，手部夹紧工件，Y向工作臂上升，然后X向工作臂前行达到位置B上方，Y向工作臂下降，手部放松，将工件送达位置B。完成后Y向工作臂上升，X向工作臂缩回，回到初始位置。此时1个循环结束，再自动重复。

图3 机械夹持设计图

1.1 机械夹持部分

机械夹持部分不仅要有适当的加紧力和驱动力，同时也要配合工件尺寸有足够的开闭角度，能平稳地夹紧放下工件。为达到手部设计要求，夹紧装置采用平动型。通过微型气缸带动梯形块向下运动时，梯形上部较宽，因此小轴承上的弹簧被撑开，夹持手指在轨道上移动手指张开；微型气缸向上运动时，在弹簧力的作用下，夹持手指被重新拉回，夹紧工件，设置2个轴承可以在梯形块上下运动时滚动，减小摩擦磨损，整体如图3所示。

1.2 气缸及配套电磁阀选择

系统需要完成水平、垂直以及手指的夹持3个动作，因此需要3个气缸分别提供动力。水平方向采用亚德客TN-20×100双轴气缸完成水平方向运动，垂直向采用亚德客TN-10×50双轴气缸完成垂直方向运动，在水平和垂直向气缸前后都安装亚德客ACA0806-1型液压缓冲器进行缓冲，手指推动靠亚德客PB-4×10复动型气缸完成，3个气缸均使用亚德客4V110-06-B型二位五通电磁阀控制。

1.3 X向气缸及其液压缓冲期缓冲的定位与装配

图4 支撑板设计图

在总体方案中，Y向气缸及拇指气缸都装在X向气缸上，X向气缸的体积和负载都是最大的，也是固定不动的，直接与底座配合，为了方便与铝型材的装配，设计1个支撑板，由于支撑板负载大，冲击大，故设计厚度为8mm。X向气缸靠螺栓连接固定在支撑板上，支撑板固定在铝型材上，从而整个机构得以固定。为了定位X向气缸，在支撑板上铣了1个1 mm深的槽，使X向气缸能完整地嵌入支撑板，实现X方向上的定位。在支撑板上打孔，孔的位置与气缸上孔的位置相对应，便于用螺栓连接。支撑板的设计图如图4。

1.4 液压缓冲器固定装置的设计

图5 总体装配设计图

液压缓冲器的主体是1个螺栓状主体，外表是M8的细牙螺纹，不能直接固定在支撑板上，故设计1个固定座用于与支撑板连接，由于缓冲要求不确定，需要留有一定余量可调，固定座上打3个孔，1个固定液压缓冲器，2个用螺栓螺母将固定座固定在支撑板上，图5所示为总体装配设计图。

1.5 液压缓冲器的选择

经过计算我们选取了ACA0806-1液压缓冲器，其规格如表1。

表1 ACA0806-1液压缓冲器规格

图6 ACA0806-1液压缓冲器最大吸收能量与速度曲线图

图6是其最大吸收能量与速度曲线图。

图6中，曲线以下能量区间为相应规格缓冲器可吸收的能量范围，推荐在缓冲器最大吸收能量的20%～80%区间内选用。

由于均采用ACA0806-1液压缓冲器，则需对TN-20×100在气缸推力下的水平撞击进行校核：设缓冲行程L=6 mm，空气压力使用0.7 MPa，压侧理论输出力为F=439.8 N，撞击质量M=1.9 kg，撞击速度V=500 mm/s，则动能 E1=mv2/2=0.2375J，驱动能 E2=FL=2.6388J，总能量E=E1+E2=2.86763J。虽然超过了缓冲器最大吸收能量的80%，但是并没有超出可吸收总能量，而且水平向气缸运动频率并不高，因此可以使用。

而TN-10×50在气缸下推时的垂直撞击也需要进行校核：设缓冲行程L=6 mm，空气压力使用0.7 MPa，压侧理论输出力为F=110.0 N，撞击质量M=1.9 kg，撞击速度V=500 mm/s，则动能 E1=mv2/2=0.237 5J，驱动能 E2=（mg+F）·L=2.72J，总能量 E=E1+E2=0.957 5J。处于缓冲器最大吸收能量的20%～80%区间内。

2 控制系统设计

2.1 控制电路

控制系统主要由单片机来完成，电路如图7，P1^0口控制的是水平气缸的运动，P1^1口控制的是垂直气缸的运动，P1^2控制的是笔型气缸的运动。各口的输出是接了一个非门，后通过一个继电器来控制电磁阀的动作。

图7 机械手控制系统电路图

程序主要作用为按顺序完成各气缸的运动以达到夹取工件的目的，利用程序控制电磁阀的通断电来将先导式电磁阀的通气方式在P-A和P-B之间切换，则分别对应气缸的伸出与收回，通过按顺序对各电磁阀通断电，控制气缸以一定顺序运动。

3 试验

图8 机械手原型试验装置图

根据实际生产情况要求，对B工位处放下工件进行组装时的精度要求比较高，因此我们着重对该工位进行精度测试。在该平面上点的位置可由前后（X轴）和左右（Y轴）2个坐标决定，故在夹持机构的前方和左侧适当位置放置2个位置传感器，同时采集数据，确定该工位的位置坐标。综合上述的机械机构设计、电路设计，加上实验设计的需要，我们搭建了机械手原型实验模型如图8所示。

3.1 传感器选择

传感器要求灵敏度高、可靠性好、抗干扰能力强、响应速度快。我们最终选用TR81系列电涡流位移传感器，由探头、延伸电缆、前置器以及被测体构成基本工作系统。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。该传感器可用于测量被测体与探头端面的相对位置。

探头直径选用11 mm，其线性量程为4 mm，线性范围在1～5 mm内，且线性范围内的斜率为5 V/mm。

3.2 测试数据

经过试验测试，采集的数据如表2和表3所示。

3.3 数据处理

表2 传感器1（前后方向）的位移偏差V

表3 传感器2（左右方向）的位移偏差V

图9 机械手的位移偏差值图

由图可看出，在机械手100 mm的水平工作位移下，偏差的最大值为0.0597 mm＜＜0.1 mm，且偏差值大部分落在0～0.035 mm范围内，精度较高。

4 结论

本文设计了一种可以快速、有效地完成光纤适配器自动化装配的机械手原型，该机械手属于典型的机电一体化系统：单片机控制系统控制机械手的位置与夹紧机构，简化控制系统以降低成本；机械手设计有缓冲减震装置，使得机械手快速、稳定、耐用，并且具有较好的定位精度；构造简易，方便组装、使用，成本低。

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