張良安，劉 俊，李鵬飛，張守明

（安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 234000）

0 前言

隨著國家政策的指引、控制技術(shù)和機器視覺技術(shù)的不斷進步，智能制造成為未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢。中國具有龐大的人口基數(shù)，隨著農(nóng)村地區(qū)消費市場不斷發(fā)展和城鎮(zhèn)化推進，中國的牙刷需求在快速增長[1]。牙刷需求量的增加促進了牙刷發(fā)展，牙刷生產(chǎn)已經(jīng)由全手工制作的小作坊，逐步升級到機械化、規(guī)?；牧魉€生產(chǎn)。批量化的生產(chǎn)促使牙刷成本降低，低成本的牙刷加速了牙刷的普及。正循環(huán)地促進了牙刷的發(fā)展。近年來，隨著牙刷市場競爭越來越激烈，促使企業(yè)不斷改革創(chuàng)新，牙刷制造開始朝著智能化生產(chǎn)升級，牙刷生產(chǎn)智能化是牙刷未來發(fā)展的方向[2]。

隨著中國制造業(yè)的發(fā)展，牙刷工業(yè)開始向著規(guī)?；a(chǎn)業(yè)集聚化發(fā)展。牙刷生產(chǎn)通常包括注塑、注膠、植毛、磨毛、包裝等工序。目前國內(nèi)對于注塑和植毛兩個工序研究較多，其自動化程度相對于包裝工序也高很多。牙刷為口腔衛(wèi)生用品，其他行業(yè)的現(xiàn)有包裝設(shè)備對牙刷的自動化流程適應(yīng)性較低。國內(nèi)的自主牙刷品牌生產(chǎn)企業(yè)相比于合資企業(yè)、國外企業(yè)的自動化程度較低，隨著中國人口紅利的日益弱化，國內(nèi)的自主品牌牙刷生產(chǎn)企業(yè)對牙刷自動化生產(chǎn)線的需求逐漸迫切。以中國目前需求量最大的手動牙刷為例，設(shè)計面對牙刷姿態(tài)柔性調(diào)節(jié)的工裝，該工裝能夠在包裝工序中實現(xiàn)牙刷姿態(tài)調(diào)整，從而實現(xiàn)牙刷姿態(tài)一致，為牙刷自動化包裝提供技術(shù)支持。

1 牙刷姿態(tài)調(diào)節(jié)的工裝設(shè)計

1.1 工裝設(shè)計需求分析

吸塑罩殼包裝因其美觀性和保護性、包裝成本、生產(chǎn)普及性和便利性、包裝工藝的自動化程度等各方面的表現(xiàn)廣泛應(yīng)用于中低端牙刷包裝中[3]。牙刷裝入吸塑罩殼前為適應(yīng)自動化包裝的需求，第一步要調(diào)整牙刷不堆疊地隨輸送線運動，牙刷在輸送線上的常見8種姿態(tài)：刷毛部位于輸送線的前端或者后端：刷毛部朝上、朝下、朝向左側(cè)和朝向右側(cè)；如圖1中圖中箭頭所示為輸送線的運動方向，圖1左側(cè)所示，刷毛部均位于輸送線的后端，一個刷毛部側(cè)向設(shè)置，另一個刷毛部朝下設(shè)置。如圖1右側(cè)所示，刷毛部均側(cè)向設(shè)置，兩個刷毛部分別位于輸送線的前端、后端。

圖1 牙刷在輸送線上的常見姿態(tài)

戴亦宗[4]提出了一種對牙刷柄精確姿態(tài)調(diào)整的機械機構(gòu)和與其配合的控制方法，但是對于牙刷柄在植毛后，因其刷毛部容易磨損變形，上述植毛工序的刷柄送料方式不適用于包裝工序的牙刷送料和姿態(tài)調(diào)整。沈偉[5]提出需要先建立牙刷產(chǎn)品特征庫，根據(jù)不同牙刷品種的特點選擇合適的特征組合作為支持向量機的輸入特征，利用機器視覺姿態(tài)識別過程復(fù)雜。由此可見，采用機器視覺和機器人組合對于上述姿態(tài)進行精確識別較為困難且采用機器人對上述姿態(tài)進行直接調(diào)節(jié)至姿態(tài)一致會導(dǎo)致其末端執(zhí)行機構(gòu)較為復(fù)雜。因此需要一種柔性的定位工裝設(shè)計，利用牙刷自身的結(jié)構(gòu)特點，常見牙刷的形狀類似長方體，質(zhì)量分布：刷毛部質(zhì)量小，刷柄握持端質(zhì)量大，實現(xiàn)牙刷姿態(tài)的柔性調(diào)整。

1.2 定位工裝設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，牙刷定位工裝有底部基板和三個平行設(shè)置的端部限位板、刷毛端卡板和刷柄卡板，刷毛端卡板設(shè)置在端部限位板和刷柄端卡板之間，刷毛端卡板中開有間隔均勻的第一矩形通槽，第一矩形通槽的口徑略大于牙刷對應(yīng)刷柄處的寬度，第二矩形通槽的口徑大于牙刷對應(yīng)刷柄處的寬度，牙刷刷毛部位于刷毛端卡板與端部限位板之間，牙刷能夠在外力的作用繞其軸線轉(zhuǎn)動以調(diào)整刷毛部的朝向。矩形通槽的底部為平面，牙刷以刷毛部朝向兩側(cè)、朝上或者朝下穩(wěn)定在刷毛端卡板與刷柄卡板中。

圖2 牙刷定位工裝

當(dāng)牙刷的刷柄兩端分別與第一矩形通槽、第二矩形通槽相接觸時，如圖3上方所示，刷毛部朝下的牙刷上邊緣高度大于刷毛部朝下設(shè)置的牙刷上邊緣高度，如圖3下方所示，刷毛部朝向左側(cè)或者右側(cè)的牙刷上邊緣的高度大于刷毛部朝下設(shè)置的牙刷上邊緣高度。利用牙刷朝下設(shè)置時，牙刷刷毛部上邊緣的高度低于來進行后續(xù)的牙刷姿態(tài)調(diào)整。

圖3 牙刷在牙刷定位工裝中不同姿態(tài)

2 牙刷姿態(tài)調(diào)整的執(zhí)行機構(gòu)

2.1 牙刷姿態(tài)調(diào)整的原理

配置牙刷端部推送機構(gòu)，保證牙刷刷毛部所在的一端與端部限位板相接觸，保證牙刷端部平齊?；谒⒚砍虿煌难浪⒃诙ㄎ还ぱb中的高度不同，設(shè)置牙刷姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)。

2.2 刷毛部朝向兩側(cè)的牙刷姿態(tài)調(diào)整

如圖4所示，與牙刷定位工裝配合使用的第一執(zhí)行機構(gòu)，牙刷調(diào)整機構(gòu)包括齒形壓板和限位壓板，齒形壓板和限位壓板同步豎直運動，齒形壓板中開有間隔均勻的第三矩形齒槽，第三矩形齒槽的寬度大于刷毛部對應(yīng)刷柄的寬度且小于牙刷刷毛的高度，限位壓板和齒形壓板豎直向下運動，牙刷刷毛部相對運動進入齒形壓板的第三矩形齒槽內(nèi)部，刷毛部朝向兩側(cè)的牙刷與第三矩形齒槽接觸，轉(zhuǎn)動迫使牙刷刷毛部朝下轉(zhuǎn)動，限位壓板與遠離刷毛部的刷柄一端接觸，限制牙刷繞其軸線轉(zhuǎn)動的幅度。

圖4 第一執(zhí)行機構(gòu)

2.3 刷毛部朝上的牙刷姿態(tài)調(diào)整

在第一執(zhí)行機構(gòu)的下游設(shè)置第二執(zhí)行機構(gòu)，對于刷毛部朝上的牙刷，利用其上端高度高于刷毛部朝下的牙刷，如圖5所示，第二執(zhí)行機構(gòu)包括均布的撥板，撥板位于刷毛部的正上方，撥板豎直向下運動，撥板位于間隔的牙刷刷毛部之間，撥板沿水平方向運動，撥板最低位的下邊緣高于刷毛部朝下設(shè)置的牙刷柄高度且低于牙刷刷毛部朝上設(shè)置的刷毛部的高度，從而實現(xiàn)僅對刷毛部朝上的牙刷進行轉(zhuǎn)動以調(diào)整其姿態(tài)。

圖5 第二執(zhí)行機構(gòu)

經(jīng)第二執(zhí)行機構(gòu)撥動后，牙刷姿態(tài)基本統(tǒng)一，沿輸送方向可以配置多個間隔設(shè)置的調(diào)整機構(gòu)和第二調(diào)整機構(gòu)對牙刷的姿態(tài)進行進一步精細調(diào)整。

2.4 牙刷刷毛部姿態(tài)的多次調(diào)整

在調(diào)整機構(gòu)和第二調(diào)整機構(gòu)之間均設(shè)置端部調(diào)整機構(gòu)，用于調(diào)整牙刷柄在牙刷定位工裝中端部平齊，精確定位牙刷刷毛部的位置。

第一執(zhí)行機構(gòu)和第二執(zhí)行機構(gòu)及其之間的牙刷端部推輸送機構(gòu)存在一組牙刷刷毛部姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)，可以設(shè)置經(jīng)過實際應(yīng)用效果，設(shè)置多組刷毛部姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)對牙刷刷毛部姿態(tài)進行多次調(diào)整。一般經(jīng)過兩組刷毛部姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)調(diào)整后牙刷姿態(tài)基本穩(wěn)定，下游配置視覺檢測機構(gòu)，牙刷定位工裝中如果存在刷毛部非朝下姿態(tài)的牙刷，則為定位工裝中的全部牙刷進行剔除。

3 實驗效果

產(chǎn)品的樣機已經(jīng)做出，以國內(nèi)某知名牙刷的暢銷型牙刷進行試驗，對樣機進行了為期兩周的測試，牙刷姿態(tài)調(diào)整效果達到預(yù)期要求，姿態(tài)調(diào)整合格率達到95%，配合視覺檢測機構(gòu)和剔除機構(gòu)，非刷毛部朝下的牙刷姿態(tài)檢出率100%，能夠達到食品級工業(yè)應(yīng)用的要求。

4 結(jié)語

該定位工裝和對應(yīng)的調(diào)整機構(gòu)是基于牙刷能夠不堆疊有序來料的前提下進行設(shè)計，對于刷毛部為軟毛牙刷，傳統(tǒng)的理料機或者送料方式，例如振動盤、離心盤或者提升機在高速送料時，對于刷毛部都存在一定的磨損。牙刷為入口的清潔用品，刷毛部存在磨損的牙刷是不能讓步接收的，因此目前還在探尋一種可行經(jīng)濟且高效的牙刷來料方式，以實現(xiàn)具有明顯經(jīng)濟效益的工業(yè)應(yīng)用。