CN106825649A - 抓持机构 - Google Patents

Abstract

本发明係一种抓持机构，具备：多个卡盘爪，在相互接近的情况下产生对被抓持体的抓持力；卡盘体，将多个卡盘爪保持在共同的平面上，并使它们在平面上移动；以及多个夹盘，在多个卡盘爪各自抓持被抓持体的情况下，介置在多个卡盘爪中的每一个与被抓持体之间；且多个卡盘爪的热膨胀系数α₁、多个夹盘的热膨胀系数α₂及被抓持体的热膨胀系数α_W之间具有下述式1所示的关系。α_W＜α₁＜α₂ (式1)。

Description

抓持机构

本申请通过参照2015年9月25日提出申请的日本专利申请2015-187824号而将其内容引用于此。

技术领域

本发明涉及一种抓持机构。

背景技术

在具备卡盘的抓持机构中，存在因温度变化而导致被抓持体的抓持力下降的情况。因此，提出了通过弹簧的恢复力来抑制抓持力下降的套筒卡盘型抓持构造(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本专利特开2008-178956号公报

发明内容

[发明要解决的问题]

在日本工业规格中，作为具有其它构造的涡旋式抓持机构，规定了[B 6151-1993]。即使在涡旋式卡盘中，也存在因温度变化而导致抓持力下降的情况。然而，所述文献中记载的构造无法应用于涡旋式卡盘。

[解决问题的手段]

本发明的一形态提供一种抓持机构，具备：多个卡盘爪，在相互接近的情况下产生对被抓持体的抓持力；卡盘体，将多个卡盘爪保持在共同的平面上，并使它们在平面上移动；以及多个夹盘，在多个卡盘爪各自抓持被抓持体的情况下，介置在多个卡盘爪中的每一个与被抓持体之间；且多个卡盘爪的热膨胀系数α₁、多个夹盘的热膨胀系数α₂及被抓持体的热膨胀系数α_W之间具有下述式1所示的关系。

α_W＜α₁＜α₂ (式1)

附图说明

图1是抓持机构101的概略剖视图。

图2是抓持机构102的概略剖视图。

图3是表示被抓持体150的外径D_w与夹盘140的厚度d₀的关系的图表。

所述发明内容并非列举本发明的所有特征。这些特征群的次组合也可以另外成为发明。

具体实施方式

以下，通过发明的实施方式来对本发明进行说明，但下述实施方式并非限定权利要求书所相关的发明。实施方式中所说明的特征的组合未必全部为发明的解决手段。

图1是抓持机构101的示意性概略剖视图。抓持机构101是具有整体型的夹爪130的三爪卡盘(scroll chuck)，具有卡盘体110、夹爪130、夹盘140。另外，图示的抓持机构101抓持被抓持体150。被抓持体150例如为构成光纤母材的端部的玻璃圆棒。

卡盘体110具有圆盘状的外形。另外，卡盘体110通过固定螺栓162而连结于旋转驱动机构的旋转轴160，所述固定螺栓162在卡盘体110的中央于厚度方向上插通。

另外，卡盘体110内置未图示的卷轴作为驱动机构。卷轴具有朝向卡盘体110的一个面开口的螺旋状的槽。该槽与下述形成在夹爪130的端部的齿面134啮合。由此，如果从卡盘体110的外部供给驱动力而使卷轴旋转，那么在卡盘体110的直径方向移动的驱动力被传递到夹爪130。

进而，卡盘体110在所述一个面上保持多个夹爪130。多个夹爪130分别在卡盘体110的圆形面上等间隔地配置在圆周方向上。只要设置两个以上的夹爪130，那么抓持机构101便能够抓持被抓持体150，但像在抓持圆棒的端部的情况下，需设置三个以上的夹爪130。

多个夹爪130分别具有从卡盘体110突出的形状，且具有高强度及刚性。另外，夹爪130分别以能够在卡盘体110的直径方向上移动的方式保持在卡盘体110。进而，多个夹爪130分别在卡盘体110侧的端部，具有与卷轴啮合的齿面134。

当在卡盘体110中卷轴旋转的情况下，多个夹爪130一边维持与卡盘体110的一面所形成的圆为同心圆状排列的位置关系，一边沿着卡盘体110的表面移动。换句话说，当在卡盘体110中卷轴未旋转的情况下，与卷轴啮合的夹爪130相对于卡盘体110而固定。

由此，在多个夹爪130移动而相互接近的情况下，被抓持体150被抓持在间隔变窄的夹爪130之间。另外，在多个夹爪130移动而相互远离的情况下，被多个夹爪130抓持的被抓持体150被释放。

在抓持机构101中，在多个夹爪130各自的与被抓持体150对向的面上安装着夹盘140。各夹盘140通过螺钉142而固定于夹爪130。由此，在抓持机构101抓持被抓持体150的情况下，夹盘140被夹在多个夹爪130的每一个与被抓持体150之间。由此，通过更换夹盘140，能够更新夹爪130中相对于被抓持体150的接触面。

在关于作为抓持机构101的三爪卡盘的日本工业规格[B 6151-1993]中，规定了夹爪130应具有55HRC以上的硬度。由此，抓持机构101的夹爪130是以具有该规格所规定的强度的材料为材料而形成，例如，一般构造用钢、机械构造用碳钢、机械构造用合金钢等。一般构造用钢、机械构造用碳钢、机械构造用合金钢等钢铁材料的热膨胀系数为10～13×10^-6/K。

在抓持机构101中，包含卷轴的卡盘体110等除夹爪130以外的部件大多数情况下也是利用铸钢品、锻造品等而形成。这些材料也具有与一般构造用钢、机械构造用碳钢、机械构造用合金钢等相近的热膨胀系数。由此，包含卡盘体110及夹爪130的组装体具有整体上大致均匀的热膨胀系数。

在利用由如上所述材料而形成的三爪卡盘抓持由像合成石英、镍钢材等那样热膨胀系数低的材料而形成的被抓持体150的状态下产生温度变化的情况下，因抓持机构101与被抓持体150的热膨胀系数的差异，而存在抓持机构101对被抓持体150的抓持力下降的情况。如果抓持机构101中抓持力不足，那么有发生被抓持体150掉落的危险，从而会担心被抓持体150本身及包含抓持机构的设备损伤。

例如，在光纤用玻璃母材的制造步骤中，在通过抓持机构101抓持由合成石英形成的虚设棒等的状态下，吹送包含玻璃微粒子的火焰。因此，因通过被抓持体150而传递的热，抓持机构101的温度也会上升，但因为抓持机构101的热膨胀系数与玻璃母材的热膨胀系数大不相同，所以存在抓持机构101中的夹爪130的间隔扩大而导致抓持被抓持体150的力下降的可能性。

现在，对在抓持机构101抓持直径D_W的被抓持体150的状态下产生温度变化的情况进行研究。厚度分别为D₀的一对夹盘140夹持被抓持体150，各夹盘140安装于在相对于卡盘体110的中心对称的位置相互对向而配置的夹爪130上。将夹爪130的热膨胀系数设为α₁，将夹盘140的热膨胀系数设为α₂，将被抓持体150的热膨胀系数设为α_w。卡盘体110的热膨胀系数α₀与夹爪130的热膨胀系数α₁相等。

一对夹盘140夹持被抓持体150的最初的间隔d₁与被抓持体150的直径D_W相等。由此，在对向的夹爪130中，支撑夹盘140的背面的面136的间隔d₂能够像下述式2那样来表示。

d₂＝(2d₀+D_W) (式2)

接下来，在抓持被抓持体150的抓持机构101的温度发生变化，例如，温度上升的情况下，卡盘体110与夹爪130的组装体整体发生热膨胀，从而支撑夹盘140的背面的面136的间隔d₂发生变化。间隔d₂的每单位温度变化量的变化量Δd₂如下述式3所示。

Δd₂＝α₁(2d₀+D_w) (式3)

另外，关于各个夹盘140，每单位温度变化量的厚度d₀的变化量Δd₀能够像下述式4那样来表示。

Δd₀＝α₂d₀ (式4)

进而，因为各夹盘140安装在夹爪130上，所以关于抓持机构101中抓持被抓持体150的夹盘140的间隔d₁，每单位温度变化量的变化量Δd₁能够像下述式5那样来表示。

Δd₁＝2d₀(α₁－α₂)+α₁d₁ (式5)

另一方面，关于具有热膨胀系数α_W的被抓持体150的外径D_W，每单位温度变化的外径变化量ΔD_W能够像下述式6那样来表示。

ΔD_W＝α_wD_w (式6)

此处，如下述式7所示，只要所述式6所示的被抓持体150的外径变化量D_W大于夹盘140的间隔d₁的变化量Δd₁，那么即使产生温度变化，抓持机构101的夹盘140紧固被抓持体150的力也不会下降。

2d₀(α₁－α₂)+α₁D_w≦α_wD_w (式7)

所述式7能够着眼于夹盘140的厚度d₀而像下述式8那样加以变形。

d₀≦{D_W(α_W－α₁)}/{2(α₁－α₂)} (式8)

由此，在抓持机构101中，通过以满足所述式8的方式选择夹盘140的材料及厚度d₀，能够形成不会因温度变化而导致抓持力下降的抓持机构101。

但是，夹爪130的面136的间隔d₂等于或大于2个夹盘140的厚度的和2d₀。由此，在抓持机构101中，所述式8成立的前提是夹爪130的热膨胀系数α₁、夹盘140的热膨胀系数α₂及被抓持体150的热膨胀系数α_W具有下述式1所示的关系。

α_W＜α₁＜α₂ (式1)

此外，在使所述式8的条件成立的基础上，夹爪130的热膨胀系数α₁与夹盘140的热膨胀率α₂的差的绝对值越大，夹盘140的厚度d₀越厚。另外，能够在紧固力不下降的情况下抓持的被抓持体150的外径D_W的范围扩大。

更具体来说，如果考虑工业上能够作为夹爪130的材料利用的金属材料的热膨胀系数，那么在夹爪130的热膨胀系数α₁处于0.5～19.0×10^-6/K的范围内的情况下，夹盘140的热膨胀系数α₂优选处于16.0～24.0×10^-6/K的范围内。

进而，在所述说明中，假定包含卷轴等驱动机构的卡盘体110的热膨胀系数α₀与夹爪130的热膨胀系数α₁相等。然而，热膨胀系数α₀及α₁也可以不同。

然而，在卡盘体110的热膨胀系数α₀小于夹爪130的热膨胀系数的情况下，抑制了因温度变化所导致的间隔d₁变化。由此，能够使用厚度d₀更小、或热膨胀系数α₁更小的夹盘140。由此，卡盘体110的热膨胀系数α₀与夹爪130的热膨胀系数α₁更优选为存在满足下述式9的关系。

α₀≦α₁ (式9)

图2是表示抓持机构102的构造的概略剖视图，该抓持机构102具备与图1所示的抓持机构101的整体型夹爪不同的分体型夹爪130。抓持机构102除了如下所说明的方面以外，具有与图1所示的抓持机构101相同的构造。因此，对于共同的要素附上相同的参照符号并省略重复的说明。

在抓持机构102中，就多个夹爪130各自分别隔着基部120而安装在卡盘体110上这一点来说，具有与抓持机构101不同的构造。基部120具有与内置在卡盘体110中的卷轴啮合的齿面124，且配置在卡盘体110的一个圆形面上。

抓持机构102中的卡盘体110在一个面上保持多个基部120。多个基部120分别在卡盘体110的圆形面上等间隔地配置在圆周方向上。另外，夹爪130以能够在卡盘体110的直径方向上移动的方式保持于卡盘体110。

多个夹爪130分别具有从卡盘体110的一面突出的形状，且分别通过螺钉132而固定于多个基部120中的任一个。由此，当在卡盘体110中卷轴旋转的情况下，多个夹爪130一边维持与卡盘体110的一面所形成的圆为同心圆状排列的位置关系，一边与基部120一并在卡盘体110的直径方向上移动。另外，当在卡盘体110中卷轴未旋转的情况下，夹爪130隔着与卷轴啮合的基部120而固定于卡盘体110。

由此，与抓持机构101同样地，在多个夹爪130移动而相互接近的情况下，被抓持体150被抓持在间隔变窄的夹爪130之间。另外，在多个夹爪130移动而相互远离的情况下，被多个夹爪130抓持的被抓持体150被释放。此外，与抓持机构101同样地，多个夹爪130分别经由通过螺钉142固定的夹盘140而夹持被抓持体150。

在具有如上所述构造的抓持机构102中，基部120具有例如与卡盘体110相同的热膨胀系数α₀。由此，包含卡盘体110、基部120及夹爪130的组装体整体的热膨胀系数变得大致均匀。因此，通过使抓持机构102也满足与抓持机构101相同的条件，能够防止因温度变化所导致的抓持力的下降。

此外，多数物质的热膨胀系数会根据温度而发生变化。由此，关于热膨胀系数的所述一系列的条件理想为在使用抓持机构101、102的温度范围内得以满足。因此，例如，于在烧结光纤母材的烧结装置中使用抓持机构101、102的情况下，关于热膨胀系数的所述条件优选在室温(例如，0～30℃)以上且250℃以下的温度范围内得以满足。

[实验例]

在抓持机构101、102中，作为形成卡盘体110、基部120及夹爪130的材料，准备下述表1所示的材料。另外，在抓持机构101、102中，作为形成夹盘的材料，准备下述表2所示的材料。此外，一并表示250℃以下的温度范围内的热膨胀系数。

[表1]

[表2]

首先，作为形成卡盘体110、基部120及夹爪130的材料，从表1所示的材料中选择机械构造用碳钢的S45C(α₁：12.1×10^-6/K)。另外，作为夹盘140的材料，从表2所示的材料中选择铝合金的A5052(α₂：23.8×10^-6/K)。进而，为了对抓持力的变化进行评价，准备外径D_w为80mm的合成石英(α_w：0.6×10^-6/K)。

使用所选择的材料的热膨胀系数，计算在抓持被抓持体150的情况下满足所述式8的夹盘140的厚度d₀，并将夹盘140的厚度d₀与被抓持体150的外径的关系制成图表。将该图表示于图3中。

从图3明确可知，在被抓持体150的外径为80mm的情况下，不会因温度变化而导致对被抓持体150的抓持力下降的夹盘140的厚度d₀为39.3mm以上。由此，制作厚度40mm的夹盘140，并将它安装在抓持机构101、102上，对因温度变化所导致的抓持力的变化进行评价。

首先，在以所述材料及尺寸而制作的抓持机构101整体、及利用合成石英而形成的外径80mm的圆筒形的被抓持体150均为常温(298K)的状态下，使抓持机构101抓持被抓持体150。抓持机构101对被抓持体的抓持力的强度为即使利用人力使它在被抓持体150的圆周方向上旋转，被抓持体150也不会旋转。

接下来，将抓持机构101及被抓持体150整体加热到489K。在此状态下，想要利用与常温的情况相同的方法使被抓持体150旋转，但被抓持体150被抓持机构101牢固地抓持，而无法使被抓持体150旋转。此外，在对被抓持体150的抓持力进行评价的情况下，无论是常温的情况，抑或是高温的情况，均尝试利用戴上相同皮革制手套的手保持被抓持体150并使它旋转。

这样一来，即使温度发生变化，抓持机构101、102抓持被抓持体150的力也不会下降。由此，即使在温度变化激烈的环境或用途中，也能够稳定地抓持被抓持体150。

以上，使用实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围并不限定于所述实施方式中记载的范围。业者应当明确能够对所述实施方式加以各种变更或改良。由权利要求书的记载可明确，这种加以变更或改良的形态也可以包含在本发明的技术范围中。

权利要求书、说明书及附图中所示的装置、系统、程序及方法中的动作、顺序、步骤及阶段等各处理的执行顺序并未特别明示“在…之前”、“先于…”等，另外，应留意，只要不将之前的处理的输出用于之后的处理，那么就可按照任意的顺序实现。关于权利要求书、说明书及附图中的动作流程，即使为了方便起见而使用“首先，”、“其次，”等进行说明，也并非意指必须按该顺序实施。

[符号的说明]

101、102 抓持机构

110 卡盘体

120 基部

130 卡盘爪

132、142 螺钉

134 齿面

136 面

140 夹盘

150 被抓持体

160 旋转轴

162 固定螺栓

Claims (6)

1.一种抓持机构，其特征在于：具备：多个卡盘爪，在相互接近的情况下产生对被抓持体的抓持力；

卡盘体，将所述多个卡盘爪保持在共同的平面上，并使它们在所述平面上移动；以及

多个夹盘，在所述多个卡盘爪各自抓持所述被抓持体的情况下，介置在所述多个卡盘爪中的每一个与所述被抓持体之间；且

该抓持机构的所述多个卡盘爪的热膨胀系数α₁、所述多个夹盘的热膨胀系数α₂及所述被抓持体的热膨胀系数α_W之间具有下述式1所示的关系：

α_W＜α₁＜α₂ (式1)。

2.根据权利要求1所述的抓持机构，其特征在于：所述式1的关系在0℃以上且250℃以下的温度范围内得以满足。

3.根据权利要求1或2所述的抓持机构，其特征在于：所述卡盘体具有将驱动力传递到所述多个卡盘爪而使它们在所述平面上移动的卷轴。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的抓持机构，其特征在于：在所述卡盘体具有热膨胀系数α₀的情况下，下述式2所示的关系成立：

α₀≦α₁ (式2)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的抓持机构，其特征在于：在将所述被抓持体的外径设为D_w的情况下，所述夹盘的厚度d₀满足下述式3：

d₀≦{D_W(α_W-α₁)}/{2(α₁-α₂)} (式3)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的抓持机构，其特征在于：所述热膨胀系数α₁为0.5×10^-6/K以上且19.0×10^-6/K以下，

所述热膨胀系数α₂为16.0×10^-6/K以上且24.0×10^-6/K以下。