蔡 力，劉有余

(安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

平板顯示行業(yè)是我國(guó)新興產(chǎn)業(yè)，基板玻璃是生產(chǎn)平板顯示屏的基礎(chǔ)材料，需要經(jīng)過切割、罐液、貼片、清洗等工藝工程來實(shí)現(xiàn)液晶顯示屏的生產(chǎn)[1]。玻璃原料在切割加工前，會(huì)有紙夾在兩塊玻璃之間，取走玻璃后須將紙也取走。國(guó)內(nèi)已有文獻(xiàn)對(duì)取紙機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析與研究，包括對(duì)偏心上擺式遞紙機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析[2]，但大多都是用凸輪將紙分離；張曉玲[3]根據(jù)單張紙印刷機(jī)下擺式遞紙機(jī)構(gòu)的工藝要求，對(duì)其采用的凸輪四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，計(jì)算出凸輪輪廓曲線。而現(xiàn)有下擺式遞紙機(jī)構(gòu)速度多小于等于300 張/min，且僅適用于大幅面紙張[4]。一般的自動(dòng)取紙機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，效率低，且對(duì)紙張要求高[5]。文中設(shè)計(jì)的自動(dòng)取紙機(jī)是玻璃切割裂片清洗生產(chǎn)線中的第一臺(tái)設(shè)備，主要分離方式為吸紙，運(yùn)行簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，成本低。

1 自動(dòng)取紙機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

為了使自動(dòng)取紙機(jī)能夠更好地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)玻璃加工廠生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度、紙張厚度大小等具體要求，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)取紙機(jī)。

總體模型如圖1所示，裝置主要由4個(gè)部分組成，分別為:①壓紙裝置：為了防止在取玻璃過程中紙張滑落而設(shè)計(jì)的，在取玻璃時(shí)對(duì)紙張進(jìn)行壓緊。②取紙裝置：通過真空吸盤吸取紙張，按生產(chǎn)速度控制取紙。③抬升裝置：為了適應(yīng)不同規(guī)格的紙而設(shè)計(jì)的，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行高度的調(diào)節(jié)。④移送裝置：該機(jī)構(gòu)是整套設(shè)備的基礎(chǔ)，用于設(shè)備的支撐與移動(dòng)。

1.2 部件設(shè)計(jì)

(1)壓紙裝置是為防止紙張?jiān)跓o壓力的情況下滑落而設(shè)計(jì)的，并無嚴(yán)格的要求?？紤]到成本問題，壓紙選用雙軸氣缸，氣缸行程不小于40 mm。

(2)取紙裝置是整套設(shè)備上非常重要的一個(gè)部分。取紙的提取裝置為末端執(zhí)行裝置，選用真空吸盤，通過所吸附物體的重量來選擇真空吸盤的型號(hào)。

考慮到吸盤的不穩(wěn)定性，故在兩端設(shè)計(jì)了夾紙的裝置。由于夾緊力不需要很大，故選用小型氣爪氣缸，吸紙前，氣爪氣缸打開，當(dāng)吸盤將紙吸住時(shí)，氣爪合上，將紙夾住。吸盤與夾紙氣缸安裝在方通上，方通安裝在中間連接板下方。

(3)因設(shè)備無須頻繁地調(diào)整高度，故抬升裝置一部分為手動(dòng)，另一部分為氣動(dòng)。氣動(dòng)部分為三軸氣缸，在裝置運(yùn)行時(shí)不做運(yùn)動(dòng)，當(dāng)取紙結(jié)束更換玻璃架時(shí)，氣缸上升，留出更換的空間，更換完畢后，氣缸下壓，使橫桿達(dá)到指定位置。手動(dòng)抬升部分利用絲杠作為傳動(dòng)裝置，如圖2所示,滾珠絲杠副廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的進(jìn)給系統(tǒng)，具有低耗能、高精度、高承載的優(yōu)點(diǎn)，接觸靜剛度滿足功能要求[6-7]。

在絲杠副四周安裝兩組直線軸承用作支撐。底部為蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，搖動(dòng)手柄使蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使得上部裝置可以上下移動(dòng)。原料中的紙張規(guī)格大小為：1 m×1.2 m、1.2 m×1.4 m、1.4 m×1.6 m，盛放玻璃的架子底座高度大約為0.2 m，所以吸盤所安裝的方通離地高度一定要小于1.8 m，考慮到裝置下方放置電箱的焊接架的高度，所選絲杠的行程小于0.5 m。

圖1 整體模型 圖2 手動(dòng)抬升裝置

(4)移送裝置是取紙與抬升裝置的基礎(chǔ)底座部分，根據(jù)盛紙架的安放位置，運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)為：將紙吸取住后，吸盤所在的方通旋轉(zhuǎn)至跟紙架平行位置，后平移至紙架上方，接著松開紙，讓紙的中間可以剛好落于紙架桿上。

旋轉(zhuǎn)裝置直接選用RV蝸輪蝸桿減速機(jī)，傳動(dòng)比大，輸出轉(zhuǎn)矩大[8]，傳動(dòng)平穩(wěn)，具有自鎖功能。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取紙機(jī)與盛紙架的擺放位置來調(diào)整電機(jī)設(shè)定旋轉(zhuǎn)角度。手動(dòng)抬升裝置直接安裝在旋轉(zhuǎn)連接平臺(tái)上，連接臺(tái)與減速機(jī)用鍵連接。旋轉(zhuǎn)裝置選用直線導(dǎo)軌，起支撐與引導(dǎo)作用，減速機(jī)通過后期加工的墊塊安裝在直線導(dǎo)軌滑塊面上，平移時(shí)利用氣缸來提供動(dòng)力。

2 參數(shù)選擇

2.1 電機(jī)的計(jì)算選擇

電機(jī)要能帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中,J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;m為物體質(zhì)量。

再根據(jù)如式(3)所示轉(zhuǎn)矩公式，求出負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩。

T=Jα,

(3)

式中,T為轉(zhuǎn)矩;α為角加速度。

得出轉(zhuǎn)矩T=1.95 N·m。電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，再根據(jù)電機(jī)功率公式，如式(4)所示：

(4)

式中,P為功率;n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。所需功率為P=0.6 kw，確定永坤電機(jī)100ST-M003230可滿足設(shè)計(jì)要求，額定功率為1 kw，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，最大扭矩為9.6 N·m。

2.2 氣動(dòng)元件的計(jì)算選擇

雙作用氣缸，輸出推力如式(5)所示，輸出拉力如式(6)所示，并按照標(biāo)準(zhǔn)缸徑系列[9]進(jìn)行圓整：

(5)

(6)

式中,p為氣缸工作壓力；η為氣缸機(jī)械效率，常為0.8。

取紙和抬升裝置安裝在直線導(dǎo)軌上，氣缸是推動(dòng)導(dǎo)軌滑塊來實(shí)現(xiàn)平移，負(fù)載約為70 kg，鋼珠型系列現(xiàn)行滑軌的摩擦系數(shù)為0.002[10]，則氣缸推出時(shí)其負(fù)載為1.4 N。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)氣缸系列，選用缸徑為16 mm的氣缸，根據(jù)所需氣缸行程，查表確定為QGX16×250-MF1小型氣缸，此種型號(hào)氣缸最小推力大于2 kgf，可滿足使用要求。

3 有限元分析

有限元分析選用SolidWorks軟件中的simulation。SolidWorks軟件是一款用于三維機(jī)械設(shè)計(jì)、仿真、模具創(chuàng)建和設(shè)計(jì)交流的軟件，其功能全面、使用靈活[11]。

3.1 壓紙橫桿有限元分析

振動(dòng)分析如圖3所示，求解出前5節(jié)模式形態(tài)。對(duì)橫桿進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，根據(jù)中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T9022-2012振動(dòng)篩設(shè)計(jì)規(guī)范可知，橫桿受力由動(dòng)載(慣性力)和靜載(自重力)組成，將橫桿簡(jiǎn)化為受均勻載荷的簡(jiǎn)支梁，做靜態(tài)計(jì)算。橫桿均布載荷如式(7)所示。

(7)

式中,W1為桿及其附件質(zhì)量;l為桿的長(zhǎng)度;Smax為桿的最大慣性力，如式(8)所示。

圖3 橫桿前5階模式形態(tài)

(8)

式中，A為振幅；ωj為振動(dòng)圓頻率。

桿的彎曲應(yīng)力計(jì)算如式(9)、式(10)所示。

(9)

(10)

式中,M為桿的彎矩;Z為橫桿抗彎截面系數(shù)[12]。

計(jì)算得橫桿彎曲應(yīng)力為：

σw=23.7 MPa≤[σw]=24.5 MPa,

式中，[σw]為桿的許用彎曲應(yīng)力。

3.2 旋轉(zhuǎn)連接臺(tái)與臺(tái)面有限元分析

連接平臺(tái)在裝置中屬于重要的連接部件，其受力主要在于臺(tái)面所受的壓力與中間過渡段所受的扭矩，強(qiáng)度必須要高，需要進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析。要求臺(tái)面承受負(fù)載不會(huì)發(fā)生形變，軸在設(shè)備運(yùn)行時(shí)有足夠的強(qiáng)度承受扭矩。連接平臺(tái)的有限元分析如圖4、圖5所示。由圖4a可知，施加在平臺(tái)平面上的最大應(yīng)力為σ=1.806 MPa，而45號(hào)鋼的屈服力為530 MPa，故零件所受最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服力；由圖4b可知，平臺(tái)的最大位移量為5.772×10-4mm，這在移動(dòng)中是允許的，因此裝置不會(huì)發(fā)生非彈性形變；由圖4c可知，零件的安全系數(shù)即零件所受力與屈服力之比，最小值遠(yuǎn)大于1，故此零件強(qiáng)度符合要求。由圖5a、圖5b可知，施加在過渡段軸上的最大應(yīng)力為σ=1.4 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服力，過渡軸的最大位移為4.842×10-5mm，在允許的范圍之內(nèi)，不會(huì)發(fā)生非彈性形變；由圖5c可知，零件的最小安全系數(shù)遠(yuǎn)大于1，零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 旋轉(zhuǎn)連接平臺(tái)受力云圖

臺(tái)面的有限元分析如圖6所示。由圖6可知，施加在平臺(tái)平面上的最大應(yīng)力為σ=119.2 MPa，故零件所受最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服力；由圖6b可知，平臺(tái)的最大位移量為0.34 mm，因此裝置不會(huì)發(fā)生非彈性形變；由圖6c可知，零件的安全系數(shù)分布中最小值為4.4，大于1，故此零件強(qiáng)度符合要求。

圖5 旋轉(zhuǎn)連接平臺(tái)軸受力云圖

圖6 臺(tái)面有限元分析

4 控制流程設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)與控制

目前大多數(shù)的伺服系統(tǒng)均采用電力驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部通常含有電機(jī)位置反饋裝置，利用光電編碼器或者旋轉(zhuǎn)變壓器反饋位置信息，從而達(dá)到位置控制的閉環(huán)控制?，F(xiàn)有的伺服電機(jī)的控制方式有脈沖控制、模擬信號(hào)控制兩種比較常用的控制方式。由于模擬信號(hào)控制方式對(duì)于速度變化不確定，而且在精度很高的場(chǎng)合缺乏靈活性，故通常采用脈沖控制的方式，通過改變單位時(shí)間內(nèi)PWM的導(dǎo)通時(shí)間，來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此控制單位時(shí)間內(nèi)裝置行進(jìn)的距離[13-15]。

設(shè)計(jì)采用的C8051F020單片機(jī)可以通過內(nèi)部的捕捉比較寄存器產(chǎn)生PWM信號(hào)。與標(biāo)準(zhǔn)8051的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器相比，C8051F020內(nèi)部的PCA提供了增強(qiáng)定時(shí)器功能，因此它所需的CPU干預(yù)更少[16]。同時(shí)配合外部編碼電路，可以根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)不同PWM波的輸出，因此適用于不同距離傳輸要求的場(chǎng)合，具有較為廣泛的適用性。

4.2 流程設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用模塊化編程的思想，將系統(tǒng)分成若干個(gè)相互獨(dú)立的模塊，集中管理，分散控制，根據(jù)需求依次調(diào)用。這種結(jié)構(gòu)可以對(duì)各個(gè)功能模塊分別編程，分別調(diào)試，具有良好的維護(hù)性和清晰的結(jié)構(gòu)，也利于后續(xù)的查錯(cuò)、修改或者管理[17]。軟件整體結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

該系統(tǒng)與抓取工序進(jìn)行配合，故主要為自動(dòng)運(yùn)行，在自動(dòng)運(yùn)行模式下，只需發(fā)送整體運(yùn)行的指令，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)流程調(diào)用不同的子程序來實(shí)施生產(chǎn)控制。該模式主要包括壓紙子程序、吸紙子程序、移送子程序、伺服運(yùn)行子程序及急停子程序等。壓紙子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)紙張的壓緊，以便其他裝置取走玻璃。吸紙子程序控制吸盤吸放紙張。移送子程序控制旋轉(zhuǎn)裝置與平移裝置將紙張送至盛紙架上。急停子程序，在推送過程中按下急停按鈕，系統(tǒng)會(huì)立即暫停所有動(dòng)作，而當(dāng)急停按鈕復(fù)位后系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。

伺服運(yùn)行子程序：在自動(dòng)運(yùn)行模式下，伺服運(yùn)行子程序是系統(tǒng)的核心運(yùn)行部分，該子程序的控制流程圖如圖8所示。在系統(tǒng)初始化完成后，由于伺服電機(jī)采取的位置控制模式，首先要進(jìn)行尋零操作，確定零點(diǎn)位置，保證取紙位置的精確性。同時(shí)設(shè)置了等待點(diǎn)，當(dāng)沒有準(zhǔn)備好時(shí)，伺服電機(jī)運(yùn)行在等待位，玻璃一旦被取走，在吸盤吸取住紙張后，電機(jī)與氣缸帶動(dòng)玻璃移至紙架位置。

圖7 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖8 伺服運(yùn)行子程序流程圖

5 樣機(jī)與調(diào)試

圖9 自動(dòng)取紙機(jī)樣機(jī)

根據(jù)前述的設(shè)計(jì)方案開發(fā)了實(shí)際樣機(jī)，如圖9所示。通過對(duì)樣機(jī)的調(diào)試，工作順序?yàn)檎{(diào)整相應(yīng)的高度、氣缸壓緊、機(jī)械爪取走玻璃、氣缸復(fù)原、吸紙后旋轉(zhuǎn)與平移，將紙準(zhǔn)確地送至盛紙架。取紙的頻率與后方生產(chǎn)線的抓取、切割等工序相配合，取紙節(jié)拍調(diào)整至大約每2 min 1張(取紙速度大約每分鐘1張，等待切割裂片時(shí)間為1 min)，市面上一些設(shè)備取紙節(jié)拍則為1小時(shí)22張，效率相對(duì)較高；根據(jù)廠房現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與盛紙架擺放位置，確定取紙橫桿旋轉(zhuǎn)角度為90°，而后在氣缸推動(dòng)下，平移行程確定為200 mm，將紙張運(yùn)送至盛紙架上。整體裝置運(yùn)行穩(wěn)定，配合良好。

6 結(jié)論

自動(dòng)化取紙機(jī)由壓紙裝置、取紙裝置、抬升裝置與移送裝置4個(gè)部分組成，操作調(diào)整方便。對(duì)取紙機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行分析，結(jié)果顯示零部件不會(huì)發(fā)生非彈性形變，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強(qiáng)度高，符合設(shè)計(jì)要求。取紙機(jī)工作順序?yàn)檎{(diào)整高度、壓紙、吸紙、移送，調(diào)試后裝置運(yùn)行穩(wěn)定，取紙節(jié)拍為2 min一張，效率高。