王 德， 張邦成， 徐 燃， 姜大偉， 張曦予

(1.長春工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012;2.廣東理工學(xué)院 工業(yè)自動化系， 廣東 肇慶 526100;3.長春工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院, 吉林 長春 130012)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，造紙行業(yè)對紙漿磨片的需求與日俱增。紙漿磨片[1]的質(zhì)量質(zhì)心檢測采用人工搬運，搬運次數(shù)較多、勞動強度大，存在人工搬運檢測效率低及安全問題，限制了造紙行業(yè)的發(fā)展，隨著自動化技術(shù)的快速發(fā)展，自動化物料搬運成本更低，安全性更高，工業(yè)自動化物料搬運機械手設(shè)計成為工業(yè)領(lǐng)域的研究熱點之一[1-2]。結(jié)合已有的自動化物料搬運技術(shù)，設(shè)計一種自動化程度、搬運效率高的紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心自動檢測紙漿磨片搬運機構(gòu)具有重要的意義。

目前,結(jié)合紙漿磨片特點的紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心自動檢測紙漿磨片搬運機構(gòu)研究很少，北京郵電大學(xué)李佳[3]仿照天平結(jié)構(gòu)設(shè)計一種自動上下料機械手，該機械手一次能轉(zhuǎn)移兩個物料，具有效率高、占地面積小、性價比高等特點;姬偉等[4]提出改進(jìn)人工勢場法的避障路徑規(guī)劃方法研制5自由度蘋果采摘機械手,解決了在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的采摘機械手實時避障問題;黃珊等[5]采用直角坐標(biāo)機器人設(shè)計一種用PLC控制的智能輪轂搬運機械手，提高輪胎工業(yè)生產(chǎn)效率;王雪潔等[6]設(shè)計了一種搬運、機床上下料、裝配等工作的6自由度工業(yè)機器人;楊曉卿等[7]設(shè)計了一種立體倉庫中搬運超長不銹鋼管件的大跨度智能精密機械手。

基于對以上機械手文獻(xiàn)的參考分析，結(jié)合紙漿磨片的結(jié)構(gòu)特點及紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心自動檢測工作機理，設(shè)計三坐標(biāo)式4自由度搬運抓取機構(gòu),解決在紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心自動檢測過程中紙漿磨片抓取、搬運的問題。

1 紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心自動檢測

1.1 紙漿磨片特征

不同型號紙漿磨片質(zhì)量范圍：15～20 kg；尺寸半徑：550～1 600 mm；厚度范圍：30～40 mm。紙漿磨片型號包括8、10、12、16、20片裝等，12片裝紙漿磨片如圖1所示。

1.2 自動檢測流程制定

傳統(tǒng)人工搬運紙漿磨片檢測流程[8]為：通過工人將傳送帶上的紙漿磨片搬到檢測裝置上進(jìn)行質(zhì)量質(zhì)心測量，測量完成后將紙漿磨片放回傳送帶上，取下一片紙漿磨片進(jìn)行測量,并重復(fù)上述操作，如圖2所示。

人工搬運紙漿磨片檢測過程中容易造成意外傷害，在放置紙漿磨片時會對檢測設(shè)備造成沖擊和損壞。

制定的紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心自動檢測流程如下：

首先，應(yīng)用結(jié)合紙漿磨片的結(jié)構(gòu)特點及定位方式設(shè)計的紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心自動檢測的磨片搬運機構(gòu)將傳送帶上的紙漿磨片準(zhǔn)確抓取、搬運到紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心檢測裝置上,并自動進(jìn)行位姿調(diào)整；然后進(jìn)行紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心測量，測量完成后再將紙漿磨片抓取,搬運到傳送帶指定位置上，再進(jìn)行下一片紙漿磨片的質(zhì)量質(zhì)心測量。單片紙漿磨片的檢測周期在20 s以內(nèi)，測量并重復(fù)上述操作。

2 紙漿磨片搬運機構(gòu)方案設(shè)計

2.1 工作環(huán)境及要求

2.1.1 作業(yè)空間

紙漿磨片搬運機構(gòu)的作業(yè)空間在原手工搬運為基礎(chǔ)的前提下進(jìn)行空間布局，傳送帶與紙漿磨片檢測裝置中心位置之間即紙漿磨片移動位置630 mm，末端夾持機構(gòu)升降行程80 mm，紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心檢測裝置高度810 mm，傳送帶高度890 mm。

2.1.2 各軸所需移動的距離

X軸方向上的有效行程為1 600 mm；Y軸方向上的有效行程為160 mm；Z軸方向上的有效行程為80 mm。

2.1.3 自由度確定

紙漿磨片搬運機構(gòu)自由度一般為3～6個，紙漿磨片搬運機構(gòu)自由度越多,越靈活,也會越難以控制。技術(shù)指標(biāo)要求紙漿磨片搬運機構(gòu)抓取紙漿磨片在質(zhì)量質(zhì)心檢測過程中放置誤差≤0.5 mm，搬運機構(gòu)需要在X、Y、Z軸三個方向上進(jìn)行直線移動，同時紙漿磨片搬運機構(gòu)末端夾持器在調(diào)整角度過程中需要繞Z軸方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，因此一共需要4個自由度。

2.1.4 運動軌跡

紙漿磨片搬運機構(gòu)在搬運紙漿磨片一個周期時間內(nèi)，2 s內(nèi)夾取紙漿磨片，5 s時移動到檢測平臺上端，調(diào)整2 s并放置于檢測夾具內(nèi)，5 s內(nèi)紙漿磨片檢測裝置完成對紙漿磨片的檢測，1 s內(nèi)夾取紙漿磨片，5 s內(nèi)將紙漿磨片放回傳送帶，完成檢測工作。整個周期20 s。

2.2 關(guān)節(jié)機器人式設(shè)計方案

當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域如焊接、搬運等常采用關(guān)節(jié)機器人[9]作為主要生產(chǎn)工具，關(guān)節(jié)機器人可實現(xiàn)高精度的搬運工作,但是制造成本較高。一臺4自由度關(guān)節(jié)機器人成本約10萬元。采用關(guān)節(jié)機器人結(jié)合末端夾持器的設(shè)計方案，使整體操作性提高，但是成本較高。

2.3 龍門式設(shè)計方案

根據(jù)紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心檢測裝置的工作要求及技術(shù)參數(shù)設(shè)計龍門式機械抓取機構(gòu)，龍門式機構(gòu)適合負(fù)載大、剛度要求高的工況[10]。而龍門式機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計不適用在紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心檢測裝置中，缺少Y軸方向的自由度，難以實現(xiàn)紙漿磨片的搬運。

2.4 三坐標(biāo)式設(shè)計方案

三坐標(biāo)式搬運的設(shè)計方案源于龍門式搬運方法的改進(jìn)，增加其在Y軸方向缺失的自由度，同時擴大作業(yè)空間。相對于關(guān)節(jié)機器人式設(shè)計方案，不但成本低,而且使用壽命長、工作效率高。綜上分析，選用三坐標(biāo)式設(shè)計方案，并對紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心自動檢測的磨片搬運機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，三坐標(biāo)式設(shè)計方案如圖3所示。

3 紙漿磨片搬運機構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的紙漿磨片搬運機構(gòu)主要由底座，X、Y、Z軸向運動機構(gòu)，末端夾持器三部分組成。

3.1 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計

底座作為紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心自動檢測的磨片搬運機構(gòu)的基礎(chǔ)，需要承載X、Y、Z軸方向上的運動機構(gòu)、末端夾持器、紙漿磨片等，因此,選用8槽100 mm×100 mm高強度鋁型材搭建1 800 mm×1 700 mm×800 mm的底座結(jié)構(gòu)。

3.2 X、Y、Z軸向運動機構(gòu)設(shè)計

X軸向有效行程為1 600 mm，Y軸向有效行程為160 mm，Z軸向有效行程為80 mm。X、Y、Z軸向直線運動速度均為500 mm/s。Z軸向主要采用伺服電機與滾珠絲杠相結(jié)合的直線運動方式。這樣可以在Z軸末端形成X、Y、Z三個軸向的直線運動和末端夾持器在Z軸方向轉(zhuǎn)動共4個自由度。4個自由度的任意調(diào)整可以使不同型號紙漿磨片在作業(yè)空間內(nèi)任意位置擺放，如圖4所示。

3.3 末端夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計

末端夾持器結(jié)構(gòu)是搬運夾取紙漿磨片的重要部件，根據(jù)紙漿磨片的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計簡單化、輕量化的紙漿磨片專用末端夾持器，降低末端夾持器的制造成本，同時增強了末端夾持器的靈活性，獲得更高的搬運效率。末端夾持器需要完成不同型號的紙漿磨片抓取搬運，需準(zhǔn)確、平穩(wěn)地將紙漿磨片放置在紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心檢測裝置上。因此,末端夾持器主要由吸取機構(gòu)、調(diào)整機構(gòu)、夾持機構(gòu)三部分組成。

3.3.1 調(diào)整機構(gòu)設(shè)計

末端夾持器如圖5所示。

調(diào)整機構(gòu)對末端夾持器定位有重要作用，見圖5(a)，步進(jìn)電機通過減速器減速與夾持機構(gòu)夾持板相連接，調(diào)整機構(gòu)按照旋轉(zhuǎn)角度要求繞Z軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動與夾持機構(gòu)協(xié)同抓取紙漿磨片。

3.3.2 吸取機構(gòu)設(shè)計

由于紙漿磨片表面結(jié)構(gòu)特征，不適用氣吸式末端夾持器，因而選用電磁式末端夾持器。紙漿磨片單片質(zhì)量較大，發(fā)生故障時會對設(shè)備及工人造成傷害，故吸取機構(gòu)選用通電無磁、斷電有磁的失電型電磁鐵。選用兩個失電型電磁鐵形成冗余保護(hù)，提高末端夾持器的穩(wěn)定性，見圖5(b)。

3.3.3 夾持機構(gòu)設(shè)計

夾持機構(gòu)需要足夠大的夾持力才能夠保證紙漿磨片在夾取過程中不脫落，因此，末端夾持器采用失電型電磁鐵和預(yù)緊力相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方式，夾持機構(gòu)夾持板作為調(diào)整機構(gòu)、吸取機構(gòu)與夾持機構(gòu)連接的紐帶，夾持板是針對不同型號紙漿磨片做的通用性設(shè)計。在夾持板兩端卡槽內(nèi)的彈簧結(jié)合夾持器內(nèi)、外圓橡膠限位板提供夾持力，夾持器內(nèi)、外圓橡膠限位板可以儲存部分夾持力，避免夾持力過大對紙漿磨片造成損壞。在調(diào)整機構(gòu)完成調(diào)整后，夾持機構(gòu)先將外圓橡膠限位板夾持到紙漿磨片的外圓弧上，然后內(nèi)圓弧橡膠限位板落下夾持到紙漿磨片的內(nèi)圓弧上。將紙漿磨片放置在質(zhì)量質(zhì)心檢測裝置的測量平臺上時，紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心檢測裝置擺放位置見圖3，在釋放紙漿磨片過程中，先由內(nèi)圓弧橡膠限位板脫離紙漿磨片的內(nèi)圓弧，再由外圓橡膠限位板脫離紙漿磨片的外圓弧，完成紙漿磨片的放置工作。

3.4 紙漿磨片搬運機構(gòu)設(shè)計

末端夾持器的吸取機構(gòu)選用失電型電磁鐵，其它各部件均選用非磁性材料的硬質(zhì)鋁合金LY21加工制造。由設(shè)計底座，X、Y、Z軸向運動機構(gòu)，末端夾持器三部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合建立的紙漿磨片搬運機構(gòu)三維模型如圖6所示。

4 夾持機構(gòu)夾持板有限元分析

夾持機構(gòu)夾持板是整個紙漿磨片搬運機構(gòu)的關(guān)鍵部件，是決定紙漿磨片搬運機構(gòu)安全可靠的重要因素。為了保障末端夾持器運行的穩(wěn)定性、安全性，必須對夾持機構(gòu)夾持板的結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行分析與校核。硬質(zhì)鋁合金LY21作為末端夾持器夾持板的材料，其拉伸強度470 MPa，屈服強度325 MPa。

4.1 工況分析

有限元仿真結(jié)果如圖7所示。

夾持板約束及施加載荷見圖7(a)，紙漿磨片質(zhì)量為15～20 kg，在對夾持板進(jìn)行有限元分析時，負(fù)載的總質(zhì)量為紙漿磨片質(zhì)量的1.5倍，故極限施加載荷為300 N。A、B兩點為夾持板的極限夾取位置，C、D兩點為失電型電磁鐵的位置，第一種工況下，E處位置沒有扭矩限制；第二種工況下，E處需要增加繞Z軸旋轉(zhuǎn)的扭矩。因此,需要對夾持機構(gòu)夾持板在正常夾取和夾取后調(diào)整角度兩種工況下分別進(jìn)行有限元分析[11-12]。

4.2 有限元分析

圖7(b)為正常夾取紙漿磨片夾持機構(gòu)夾持板的最大應(yīng)力為1.863 MPa，圖7(c)為夾取紙漿磨片調(diào)整角度后夾持機構(gòu)夾持板的最大應(yīng)力為1.871 MPa，由于夾持機構(gòu)夾取紙漿磨片過程是由調(diào)整機構(gòu)中電機的帶動下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所以夾持機構(gòu)夾持板在調(diào)整角度前后受力變化相差不大。

仿真結(jié)果表明，在以上兩種工況下，夾持機構(gòu)夾持板的結(jié)構(gòu)強度能夠滿足實際使用要求。

紙漿磨片搬運機構(gòu)實物如圖8所示。

5 結(jié) 語

結(jié)合紙漿磨片的結(jié)構(gòu)特征，通過對關(guān)節(jié)機器人式設(shè)計方案、龍門式設(shè)計方案，以及三坐標(biāo)式設(shè)計方案的分析，最終設(shè)計了三坐標(biāo)式4自由度搬運機構(gòu)，實現(xiàn)了紙漿磨片在質(zhì)量質(zhì)心自動檢測過程中紙漿磨片的抓取、搬運功能，解決了人工搬運紙漿磨片檢測效率低及安全的問題。同時設(shè)計了紙漿磨片搬運機構(gòu)的末端夾持器結(jié)構(gòu)，具有通用性，并對夾持機構(gòu)夾持板進(jìn)行了有限元分析。分析與試驗結(jié)果表明，設(shè)計的紙漿磨片搬運機構(gòu)具備移動、升降、夾持、旋轉(zhuǎn)等功能，且運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足紙漿磨片質(zhì)量質(zhì)心自動檢測過程中磨片的搬運要求。