CN110451258A - 一种柔性自动接丝装置及接丝方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性自动接丝装置及接丝方法，该柔性自动接丝装置包括一根支撑立柱，在支撑立柱的上、下两端对称设置与支撑立柱轴向垂直的转盘状柔性夹持器总成；支撑立柱的底部设有转动台；所述柔性夹持器总成上设有若干柔性夹持器，用来对半导体材料细丝进行柔性接丝。该柔性自动接丝装置实现了对光纤类半导体材料细丝的柔性接丝，不仅可以用来盛接高档光纤类细丝，也可以用于盛接其他高档硬质材料细丝。该柔性自动接丝装置在接丝过程中最大限度地保护了细丝的表面以及断面，每个柔性夹持单元一次只接一根细丝，避免了细丝与细丝之间的摩擦接触，从而保证在接丝工序中细丝的表面完整性和尺寸精度。
Description
技术领域
本发明涉及柔性夹持辅助工装技术领域，特别是涉及一种柔性自动接丝装置及接丝方法，主要用于半导体材料细丝的柔性自动接丝。
背景技术
在把光纤类等半导体棒料加工成生物光导识别芯片材料的工艺过程中，需要通过拉丝机把较大直径的半导体棒料(直径为400mm左右)拉至成不同直径规格的细丝(直径为0.3mm-4.3mm)，然后通过切丝机将其切断成特定的长度。切断后的细丝进入接丝装置，即切断的细丝落入接丝装置中，这一操作称作接丝工序。在接丝过程中不仅要保证细丝可以准确可靠地落到接丝装置中，还要尽量避免细丝尤其是其表面与接丝装置之间的摩擦，同时要避免细丝与细丝之间表面的摩擦，因为摩擦会导致细丝的尺寸变形和摩擦产生的静电也会损坏细丝表面的完整性。
公开号为CN205011007U的中国实用新型专利公开了一种旋转接丝装置，可以对光纤细丝进行接丝。该装置是用接丝桶接住光纤细丝，即以接丝桶作为接丝装置来对光纤细丝进行接丝。由于接丝桶是属于硬质材料，在细丝落入桶内时难免会与桶内壁接触和碰撞，不可避免地会对细丝表面造成损坏或者不必要的尺寸变形。同时该装置的一个接丝桶内往往要接多根细丝，在接丝的过程中细丝与细丝之间也难免会产生摩擦与碰撞，从而影响光纤细丝的表面完整性和尺寸，因此不适用于高档光纤等半导体材料的接丝。
因此，研发一种不影响半导体材料尺寸精度和表面完整性的接丝装置势在必行。
发明内容
本发明第一方面的目的是提供一种能够保持半导体材料细丝表面完整和尺寸精度的柔性自动接丝装置，包括一根支撑立柱，在支撑立柱的上、下两端对称设置与支撑立柱轴向垂直的转盘状柔性夹持器总成；支撑立柱的底部设有为所述柔性自动接丝装置提供旋转自由度的转动台；所述柔性夹持器总成上设有若干柔性夹持器，上、下柔性夹持器总成上的柔性夹持器的数量和位置一一对应，用来对半导体材料细丝进行柔性接丝。
所述半导体材料细丝为硬脆性半导体材料细丝，优选光纤细丝、玻璃纤维细丝等，直径为0.3mm-4.3mm。
所述柔性夹持器总成上相邻的每两个柔性夹持器之间均设有一段气管，柔性夹持器和气管共同形成一个环路；所述柔性夹持器总成上还设有辐条支架，辐条支架套装在支撑立柱上并通过定位螺钉固定在支撑立柱的端部；用来将环路固定在支撑立柱的外周；
优选的，所述辐条支架和所述环路之间通过若干辐条连接并形成一个平面。
所述柔性夹持器包括一中空的壳体，壳体内设有呈立体环状的软囊，软囊中部的通孔用来夹住半导体材料细丝，对应软囊通孔的位置且半导体材料细丝需要穿过的壳体表面设有用来让半导体材料细丝穿过的圆孔。
所述软囊上设有管路接口，壳体上对应管路接口的位置设有管道通孔，管路接口与一内容物供应装置连通，内容物供应装置能为软囊内部提供可使其膨胀鼓起的气体，或将软囊内部的气体排出使其收缩下陷；所述内容物为气体，可选用空气、氮气、氦气、氧气等。
所述软囊与半导体材料细丝接触的表面设有压力传感器。
所述气管内部中空，每段气管均从壳体的一个侧面穿入与该壳体内的软囊相连通，使得内容物供应装置、管路接口、每个软囊与每段气管形成密闭的回路。
所述辐条的一端与辐条支架的外表面相连，另一端与气管相连。
所述支撑立柱的顶部设有换取把柄，用来转移所述柔性自动接丝装置。
第二方面，本发明提供一种柔性自动接丝方法，使用上述柔性自动接丝装置，包括接丝、夹紧等步骤；
优选的，所述接丝步骤具体为：保持柔性夹持器中软囊的通孔直径大于半导体材料细丝的当量直径；启动转动台，其转动同时带动两个柔性夹持器总成转动，当上、下对位的一组柔性夹持器转到半导体材料细丝的落丝点时，细丝落入该组柔性夹持器的上、下两个软囊的通孔中，完成一次接丝；使转动台继续转动，当上、下对应的第二组柔性夹持器转到落丝点时，细丝落入第二组柔性夹持器的上、下两个软囊的通孔中，完成第二次接丝；重复上述接丝操作直至所述柔性自动接丝装置的每一组柔性夹持器中全部接满细丝；
所述夹紧步骤具体为：开启内容物供应装置，通过管路接口向软囊内输入内容物，直至软囊表面的压力传感器监测到对半导体材料细丝的夹持力度已满足可靠夹持。
在夹紧后利用换取把柄转移所述柔性自动接丝装置，转移后进一步包括卸丝步骤，所述卸丝步骤具体为：控制管路接口将软囊内输入的内容物排至内容物供应装置内，使软囊收缩内陷并释放半导体材料细丝。
与已知技术相比，本发明具有如下优势：
本发明提供的柔性自动接丝装置，实现了对光纤类半导体材料细丝的柔性接丝，不仅可以用来盛接高档光纤类细丝，也可以用于盛接其他高档硬质材料细丝。该柔性自动接丝装置在接丝过程中最大限度地保护了细丝的表面以及断面，每个柔性夹持单元一次只接一根细丝，避免了细丝与细丝之间的摩擦接触，从而保证在接丝工序中细丝的表面完整性和尺寸精度。
此外，整体移动本发明的接丝装置还可以实现对夹紧细丝的转移，在转移细丝的过程中也可为细丝提供很好的保护。本发明的柔性自动接丝装置包括若干柔性夹持单元，每个柔性夹持单元包括两个夹持器，两个夹持器分别夹持住一根细丝的两端，即一个柔性夹持单元可固定夹紧一根细丝，在转移过程中细丝位于柔性夹持单元中固定不动，从而避免了细丝在转移过程中晃动或碰撞造成的摩损，也能够保证细丝在转移过程中表面的完整性和尺寸的精度。
附图说明
图1所示为本发明柔性自动接丝装置中夹持器的结构示意图；
图2所示为本发明柔性自动接丝装置中夹持器的结构分解图；
图3所示为本发明柔性自动接丝装置中夹持器的工作示意图；
图4所示为本发明柔性自动接丝装置中柔性夹持单元的结构示意图；
图5所示为本发明柔性自动接丝装置的结构示意图。
具体实施方式
光纤类等半导体材料加工成生物光导识别芯片材料细丝时对接丝工序有较高的要求，通过研究这一过程的工艺要求，本发明提出了一种具有可靠夹持力的柔性自动接丝装置，即采用柔性夹持器对断落细丝进行柔性夹持，实现了柔性接丝。该柔性自动接丝装置的核心部件是柔性夹持器，其在光纤类等半导体材料细丝被剪断，与母体棒料脱离后，对断落的细丝进行可靠的柔性夹持，并可将细丝安全无损地转移到码丝工作台，避免硬脆的细丝在转移过程中的尺寸变形、滑落和损伤。
本发明提供的柔性自动接丝装置，如图5所示，包括一根支撑立柱4，在支撑立柱4的上、下两端对称设置柔性夹持器总成5，柔性夹持器总成5包括一辐条支架和固定在辐条支架外围的多个柔性夹持器1，柔性夹持器总成5整体为转盘状(如图5所示的转盘状)，所在的平面与支撑立柱4的轴向垂直，且支撑立柱4位于柔性夹持器总成5的中心或圆心处。支撑立柱4的顶部设有换取把柄8，用来整体移动该柔性自动接丝装置以转移细丝。支撑立柱4的底部设有转动台2，并通过定位柱连接件与支撑立柱4相连。转动台2所在的平面与柔性夹持器总成5平行，与电机连接，为转动台2提供转动驱动力，转动台2为本发明接丝装置提供旋转自由度，转动台2的转动带动支撑立柱4的转动，支撑立柱4的转动带动上下两个柔性夹持器总成5的同步转动。
柔性夹持器总成5上的辐条支架包括呈圆形的支架3，支架3圆心在支撑立柱4的轴上，并套装在支撑立柱4的端部，由定位螺钉9固定在支撑立柱4上，支架3外表面向外伸出若干辐条，将柔性夹持器1固定在支撑立柱4的周围。
柔性夹持器总成5中最主要的部件是柔性夹持器1，柔性夹持器1可在接丝和转移工序中为半导体材料细丝提供可靠的柔性夹持。
柔性夹持器1，如图1和图2所示，包括一中空的壳体21，壳体21内设有环状软囊22。软囊22呈类似泳圈的立体环状，中部环孔为通孔26，使用时细丝置于通孔内，细丝的长度方向与通孔径向所在的平面垂直。壳体21可限制软囊22膨胀之后延伸的方向，使得软囊22向壳体21的中心膨胀，以保证软囊22中部的通孔有足够的压力来夹紧细丝。壳体21的顶面设有圆孔27，圆孔与其中软囊22的通孔位置相对应。柔性夹持器1设有两种，仅是壳体结构略有不同，一种是位于支撑立柱4上端柔性夹持器总成5中的柔性夹持器1，该柔性夹持器1壳体21除顶面设有圆孔外27，其底面也设有圆孔27’，圆孔与其顶面的圆孔和其中软囊22的通孔位置相对应；另一种是位于支撑立柱4下端柔性夹持器总成5中的柔性夹持器1，该柔性夹持器1壳体21的底面不设圆孔，底面内表面设有弹性较好的软垫25，用来接住掉落的细丝，并且让细丝的底面软着陆在壳体内，实现柔性接触，减少摩擦和碰撞。软垫25为柔性垫，由硅胶制成，可选用耐高温绝缘防滑类的硅胶垫。
软囊22上设有管路接口23，并通过管路接口23与内容物供应装置(即盛装有气体的装置)连通。内容物供应装置为软囊22内提供气体，使软囊22膨胀鼓起，由于壳体21限制了软囊22只能向通孔中心方向膨胀鼓起，使得通孔的直径变小，当其间距小于细丝10的当量直径时，夹紧细丝10(图3中的B幅为软囊22膨胀鼓起时夹紧细丝10的状态)，壳体21还为软囊22提供了足够的内侧压力用来进一步夹紧细丝10。软囊22还可将其中的气体通过管路接口23排至内容物供应装置，使软囊22收缩下陷释放细丝10(图3中的A幅为软囊22收缩下陷时的状态)。在软囊22的内侧与细丝10的接触面上设有压力传感器，用于监测软囊22对细丝的夹持力，并实时监测软囊22对细丝10的夹持力，当夹持力度满足既可以夹紧又不会夹断细丝，即可靠夹持时则不再提高内容物供应装置的输入压力，以免棒料碎断。软囊22中的内容物为气体，可选用空气、氮气、氦气、氧气等。
壳体21的一个侧面设有管道通孔24，软囊22上的管路接口23穿过壳体21上的管道通孔24与内容物供应装置连通，使得软囊22内部和内容物供应装置形成密封的通路。
柔性夹持器总成5上的每一个柔性夹持器1通过若干段圆弧状的气管6连接成环路，即：相邻两个柔性夹持器1之间设有一段圆弧状的气管6，使得柔性夹持器1和气管6共同形成一个环路，柔性夹持器1均匀分布在环路上。该环路与支架3为同心圆，比支架3的直径大，所以该环路位于支架3的外周。支架3的外表面上向外发散设置若干辐条7，辐条7均在支架3所在的平面上，由于气管6和柔性夹持器1形成的环路与支架3的圆心重合，辐条7的一端与支架3的外表面相连，另一端与气管6相连，辐条7与支撑立柱4垂直，通过辐条7将环路和支架3连接成位于同一平面的转盘。辐条7的数量最好与柔性夹持器1的数量相同，在位于两个柔性夹持器1之间那段气管6处与环路连接。柔性夹持器总成5的形状类似水平放置的车轮，其中支架3相当于轮辋，气管6和柔性夹持器1形成的环路相当于轮胎，辐条7相当于轮辐。
一种实施方式为：柔性夹持器总成5上的每一个柔性夹持器1都可以设置管道通孔24和管路接口23，用来独立控制每一个柔性夹持器1的软囊，对细丝进行夹紧或释放。此时气管6仅起连接作用，气管6不需要与每个软囊连接，与相邻两个柔性夹持器1壳体21相对的侧面相连即可。
另一种实施方式为：柔性夹持器总成5上只在一个柔性夹持器1的壳体21上设置管道通孔24，且只在将该壳体21内的软囊22上设置管路接口23。气管6内部中空，每段气管6的一端从一个壳体21的一个侧面穿入与其中的软囊22相连通，另一端从相邻壳体21的一个侧面穿入与其中的软囊22相连通，气管6两端穿入的两个相邻的壳体21侧面为相对的两个侧面。由此，内容物供应装置、管路接口23、每个软囊22与气管6形成密闭的回路，开启内容物供应装置，通过管路接口23向该软囊22内充入内容物，由于气管6将所有软囊22连通，使得所有柔性夹持器1的软囊22都充入内容物。
由于两个柔性夹持器总成5上下对称设置在支撑立柱4上，意味着设置在支撑立柱4上端的柔性夹持器1与其对应设置在支撑立柱4下端的柔性夹持器1在一条与支撑立柱4平行的直线上，这一对柔性夹持器组成了一个柔性夹持单元，即一个柔性夹持单元包括两个软囊22，每个软囊22中部通孔的圆心也在与支撑立柱4平行的直线上。辐条支架可沿支撑立柱4的长度方向滑动，在固定前，可根据细丝的长度，通过调整支撑立柱4上下两端辐条支架的间距，使得柔性夹持器总成5之间的间距可用于夹持细丝。使用时，如图3和图4所示，每个柔性夹持单元的软囊22中部的通孔先处于未填充的自然状态下，通孔的尺寸略大于目标细丝的直径，以保证细丝能够顺利落入通孔中，两个夹持器1分别位于一根细丝10的两端；然后控制内容物供应装置通过管路接口23向软囊22内输入内容物至软囊22的通孔直径数值等于目标细丝10的当量直径；继续向软囊22内输入内容物，直至表面的压力传感器监测到夹持力度以满足可靠夹持，使得两个夹持器1分别夹紧一根细丝10的两端。该夹持器1与目标细丝10的接触部分均为柔性材料，可实现细丝在接丝和转移过程中的柔性夹持，保持细丝表面的形状公差在较高的精度范围，极大地保证了细丝表面形状的完整性。
在使用时，将细丝10切断后，细丝10落入本发明柔性自动接丝装置的一个柔性夹持单元内；通过转动台2使得每个柔性夹持单元内都接到一根细丝10；统一对柔性夹持单元充气，充气完成后通过换取把柄8将本发明柔性自动接丝装置转移至下一工序或指定位置，接丝工序完成。
在此基础上，本发明还提供了一种柔性自动接丝方法，使用上述接丝装置，在初始工作状态下，上下两个柔性夹持器总成5上的柔性夹持器软囊22的通孔直径略大于目标细丝；启动转动台2，让其转动同时带动柔性夹持器1的转动，当上下对应的一组柔性夹持器1(即一个柔性夹持单元)转到目标细丝的落丝点时，细丝落入一个柔性夹持单元的上下两个软囊22的通孔中，完成一次接丝；然后转动台2继续转动，当另一个柔性夹持单元转到落丝点时，重复上一接丝过程进行第二个柔性夹持单元的接丝，重复以上接丝操作直至该接丝装置的柔性夹持单元全部接满细丝；停止转动台2的转动，开启内容物供应装置通过管路接口23向软囊22内输入内容物，通过软囊22内侧的压力传感器来感知柔性夹持器与细丝之间的实时应变和压应力，并根据应变或者应力的分布情况来给气路系统提供参考信号，来确定气源的输出压力，直至软囊22对细丝的夹持力度以满足可靠夹持；工人手持换取把柄8将接满丝的该接丝装置取下，运送到铺丝平台进行下一步的铺丝工序；到达铺丝平台后通过管路接口23将内容物排放至内容物供应装置，软囊22收缩释放细丝，由工人取出该接丝装置中的所有细丝后，完成卸丝步骤。
以下结合具体实施例，更具体地说明本发明的内容，并对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明进行限制。
实施例1：对直径为3mm，长度500mm的30根光纤细丝进行接丝
(1)、初始状态设置：本发明自动接丝装置中每个柔性夹持器总成5设有30个柔性夹持器和30根辐条。调整本发明自动接丝装置上下两端辐条支架之间的间距，使得上下两个柔性夹持器总成5中软囊通孔的间距在400mm左右；调整柔性夹持器的软囊通孔直径在5mm左右。
(2)、接丝：初始状态设置完成后，启动转动台2，让其转动同时带动柔性夹持器1的转动，当上下对应的第一个柔性夹持单元转到目标细丝的落丝点时，细丝落入第一个柔性夹持单元的上下两个软囊22的通孔中，完成第一次接丝；然后转动台2继续转动，当第二个柔性夹持单元转到落丝点时，重复上一接丝过程进行第二个柔性夹持单元的接丝，重复以上接丝操作直至该接丝装置的30个柔性夹持单元全部接满细丝；停止转动台2的转动，开启内容物供应装置通过管路接口23向软囊22内输入内容物，通过软囊22内侧的压力传感器来感知柔性夹持器与细丝之间的实时应变和压应力，并根据应变或者应力的分布情况来给气路系统提供参考信号，来确定气源的输出压力，直至软囊22对细丝的夹持力度以满足可靠夹持。
(3)、转移：工人手持换取把柄8将接满丝的该接丝装置取下，运送到铺丝平台进行下一步的铺丝工序。
(4)、卸丝：到达铺丝平台后通过管路接口23将内容物排放至内容物供应装置，软囊22收缩释放细丝，由工人取出该接丝装置中的30根细丝后，完成卸丝步骤。
实施例2：对直径为3mm，长度400mm的20根光纤细丝进行接丝
(1)、初始状态设置：本发明自动接丝装置中每个柔性夹持器总成5设有20个柔性夹持器和20根辐条。调整本发明自动接丝装置上下两端辐条支架之间的间距，使得上下两个柔性夹持器总成5中软囊通孔的间距在300mm左右；调整柔性夹持器的软囊通孔直径在5mm左右。
(2)、接丝：初始状态设置完成后，启动转动台2，让其转动同时带动柔性夹持器1的转动，当上下对应的第一个柔性夹持单元转到目标细丝的落丝点时，细丝落入第一个柔性夹持单元的上下两个软囊22的通孔中，完成第一次接丝；然后转动台2继续转动，当第二个柔性夹持单元转到落丝点时，重复上一接丝过程进行第二个柔性夹持单元的接丝，重复以上接丝操作直至该接丝装置的20个柔性夹持单元全部接满细丝；停止转动台2的转动，开启内容物供应装置通过管路接口23向软囊22内输入内容物，通过软囊22内侧的压力传感器来感知柔性夹持器与细丝之间的实时应变和压应力，并根据应变或者应力的分布情况来给气路系统提供参考信号，来确定气源的输出压力，直至软囊22对细丝的夹持力度以满足可靠夹持。
(3)、转移：工人手持换取把柄8将接满丝的该接丝装置取下，运送到铺丝平台进行下一步的铺丝工序。
(4)、卸丝：到达铺丝平台后通过管路接口23将内容物排放至内容物供应装置，软囊22收缩释放细丝，由工人取出该接丝装置中的20根细丝后，完成卸丝步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的内容。
Claims (10)
1.一种柔性自动接丝装置，其特征在于，包括一根支撑立柱，在支撑立柱的上、下两端对称设置与支撑立柱轴向垂直的转盘状柔性夹持器总成；支撑立柱的底部设有为所述柔性自动接丝装置提供旋转自由度的转动台；所述柔性夹持器总成上设有若干柔性夹持器，上、下柔性夹持器总成上的柔性夹持器的数量和位置一一对应，用来对半导体材料细丝进行柔性接丝。
2.根据权利要求1所述柔性自动接丝装置，其特征在于，所述柔性夹持器总成上相邻的每两个柔性夹持器之间均设有一段气管，柔性夹持器和气管共同形成一个环路；所述柔性夹持器总成上还设有辐条支架，辐条支架套装在支撑立柱上并通过定位螺钉固定在支撑立柱的端部；用来将环路固定在支撑立柱的外周；
优选的，所述辐条支架和所述环路之间通过若干辐条连接并形成一个平面。
3.根据权利要求1或2所述柔性自动接丝装置，其特征在于，所述柔性夹持器包括一中空的壳体，壳体内设有呈立体环状的软囊，软囊中部的通孔用来夹住半导体材料细丝，对应软囊通孔的位置且半导体材料细丝需要穿过的壳体表面设有用来让半导体材料细丝穿过的圆孔。
4.根据权利要求3所述柔性自动接丝装置，其特征在于，所述软囊上设有管路接口，壳体上对应管路接口的位置设有管道通孔，管路接口与一内容物供应装置连通，内容物供应装置能为软囊内部提供可使其膨胀鼓起的气体，或将软囊内部的气体排出使其收缩下陷；所述内容物为气体，可选用空气、氮气、氦气、氧气等。
5.根据权利要求4所述柔性自动接丝装置，其特征在于，所述软囊与半导体材料细丝接触的表面设有压力传感器。
6.根据权利要求3-5任一所述柔性自动接丝装置，其特征在于，所述气管内部中空，每段气管均从壳体的一个侧面穿入与该壳体内的软囊相连通，使得内容物供应装置、管路接口、每个软囊与每段气管形成密闭的回路。
7.根据权利要求3-6任一所述柔性自动接丝装置，其特征在于，所述辐条的一端与辐条支架的外表面相连，另一端与气管相连。
8.根据权利要求1-7任一所述柔性自动接丝装置，其特征在于，所述支撑立柱的顶部设有换取把柄，用来转移所述柔性自动接丝装置。
9.一种柔性自动接丝方法，其特征在于，使用权利要求1-8任一所述柔性自动接丝装置，包括接丝、夹紧等步骤；
优选的，所述接丝步骤具体为：保持柔性夹持器中软囊的通孔直径大于半导体材料细丝的当量直径；启动转动台，其转动同时带动两个柔性夹持器总成转动，当上、下对位的一组柔性夹持器转到半导体材料细丝的落丝点时，细丝落入该组柔性夹持器的上、下两个软囊的通孔中，完成一次接丝；使转动台继续转动，当上、下对应的第二组柔性夹持器转到落丝点时，细丝落入第二组柔性夹持器的上、下两个软囊的通孔中，完成第二次接丝；重复上述接丝操作直至所述柔性自动接丝装置的每一组柔性夹持器中全部接满细丝；
所述夹紧步骤具体为：开启内容物供应装置，通过管路接口向软囊内输入内容物，直至软囊表面的压力传感器监测到对半导体材料细丝的夹持力度已满足可靠夹持。
10.根据权利要求9所述柔性自动接丝方法，其特征在于，在夹紧后利用换取把柄转移所述柔性自动接丝装置，转移后进一步包括卸丝步骤，所述卸丝步骤具体为：控制管路接口将软囊内输入的内容物排至内容物供应装置内，使软囊收缩内陷并释放半导体材料细丝。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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