全自動可調式吸盤取紙機的研發與分析

蔡 力，劉有余

(安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000)

平板顯示行業是我國新興產業，基板玻璃是生產平板顯示屏的基礎材料，需要經過切割、罐液、貼片、清洗等工藝工程來實現液晶顯示屏的生產[1]。玻璃原料在切割加工前，會有紙夾在兩塊玻璃之間，取走玻璃后須將紙也取走。國內已有文獻對取紙機構進行了分析與研究，包括對偏心上擺式遞紙機構進行設計和分析[2]，但大多都是用凸輪將紙分離；張曉玲[3]根據單張紙印刷機下擺式遞紙機構的工藝要求，對其采用的凸輪四連桿機構進行運動分析，計算出凸輪輪廓曲線。而現有下擺式遞紙機構速度多小于等于300 張/min，且僅適用于大幅面紙張[4]。一般的自動取紙機結構復雜，成本高，效率低，且對紙張要求高[5]。文中設計的自動取紙機是玻璃切割裂片清洗生產線中的第一臺設備，主要分離方式為吸紙，運行簡單，適應性強，成本低。

1 自動取紙機結構設計

1.1 總體方案設計

為了使自動取紙機能夠更好地應用于實際生產中，根據玻璃加工廠生產線的生產速度、紙張厚度大小等具體要求，設計了一種自動取紙機。

總體模型如圖1所示，裝置主要由4個部分組成，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計的，在取玻璃時對紙張進行壓緊。②取紙裝置：通過真空吸盤吸取紙張，按生產速度控制取紙。③抬升裝置：為了適應不同規格的紙而設計的，可以對設備進行高度的調節。④移送裝置：該機構是整套設備的基礎，用于設備的支撐與移動。

1.2 部件設計

(1)壓紙裝置是為防止紙張在無壓力的情況下滑落而設計的，并無嚴格的要求。考慮到成本問題，壓紙選用雙軸氣缸，氣缸行程不小于40 mm。

(2)取紙裝置是整套設備上非常重要的一個部分。取紙的提取裝置為末端執行裝置，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。

考慮到吸盤的不穩定性，故在兩端設計了夾紙的裝置。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，當吸盤將紙吸住時，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)因設備無須頻繁地調整高度，故抬升裝置一部分為手動，另一部分為氣動。氣動部分為三軸氣缸，在裝置運行時不做運動，當取紙結束更換玻璃架時，氣缸上升，留出更換的空間，更換完畢后，氣缸下壓，使橫桿達到指定位置。手動抬升部分利用絲杠作為傳動裝置，如圖2所示,滾珠絲杠副廣泛應用于機械產品的進給系統，具有低耗能、高精度、高承載的優點，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。底部為蝸輪蝸桿機構，搖動手柄使蝸桿轉動帶動蝸輪旋轉，并帶動絲杠轉動使得上部裝置可以上下移動。原料中的紙張規格大小為：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 手動抬升裝置

(4)移送裝置是取紙與抬升裝置的基礎底座部分，根據盛紙架的安放位置，運動設計為：將紙吸取住后，吸盤所在的方通旋轉至跟紙架平行位置，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。

旋轉裝置直接選用RV蝸輪蝸桿減速機，傳動比大，輸出轉矩大[8]，傳動平穩，具有自鎖功能。根據現場取紙機與盛紙架的擺放位置來調整電機設定旋轉角度。手動抬升裝置直接安裝在旋轉連接平臺上，連接臺與減速機用鍵連接。旋轉裝置選用直線導軌，起支撐與引導作用，減速機通過后期加工的墊塊安裝在直線導軌滑塊面上，平移時利用氣缸來提供動力。

2 參數選擇

2.1 電機的計算選擇

電機要能帶動旋轉臺實現轉動，負載轉動慣量計算公式如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中,J為轉動慣量;m為物體質量。

再根據如式(3)所示轉矩公式，求出負載所需的轉矩。

T=Jα,

(3)

式中,T為轉矩;α為角加速度。

得出轉矩T=1.95 N·m。電機轉速為3 000 r/min，再根據電機功率公式，如式(4)所示：

(4)

式中,P為功率;n為電機轉速。所需功率為P=0.6 kw，確定永坤電機100ST-M003230可滿足設計要求，額定功率為1 kw，額定轉速3 000 r/min，最大扭矩為9.6 N·m。

2.2 氣動元件的計算選擇

雙作用氣缸，輸出推力如式(5)所示，輸出拉力如式(6)所示，并按照標準缸徑系列[9]進行圓整：

(5)

(6)

式中,p為氣缸工作壓力；η為氣缸機械效率，常為0.8。

取紙和抬升裝置安裝在直線導軌上，氣缸是推動導軌滑塊來實現平移，負載約為70 kg，鋼珠型系列現行滑軌的摩擦系數為0.002[10]，則氣缸推出時其負載為1.4 N。結合標準氣缸系列，選用缸徑為16 mm的氣缸，根據所需氣缸行程，查表確定為QGX16×250-MF1小型氣缸，此種型號氣缸最小推力大于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械設計、仿真、模具創建和設計交流的軟件，其功能全面、使用靈活[11]。

3.1 壓紙橫桿有限元分析

振動分析如圖3所示，求解出前5節模式形態。對橫桿進行強度計算，根據中華人民共和國機械行業標準JB/T9022-2012振動篩設計規范可知，橫桿受力由動載(慣性力)和靜載(自重力)組成，將橫桿簡化為受均勻載荷的簡支梁，做靜態計算。橫桿均布載荷如式(7)所示。

(7)

式中,W1為桿及其附件質量;l為桿的長度;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

(8)

式中，A為振幅；ωj為振動圓頻率。

桿的彎曲應力計算如式(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[12]。

計算得橫桿彎曲應力為：

σw=23.7 MPa≤[σw]=24.5 MPa,

式中，[σw]為桿的許用彎曲應力。

3.2 旋轉連接臺與臺面有限元分析

連接平臺在裝置中屬于重要的連接部件，其受力主要在于臺面所受的壓力與中間過渡段所受的扭矩，強度必須要高，需要進行詳細的有限元分析。要求臺面承受負載不會發生形變，軸在設備運行時有足夠的強度承受扭矩。連接平臺的有限元分析如圖4、圖5所示。由圖4a可知，施加在平臺平面上的最大應力為σ=1.806 MPa，而45號鋼的屈服力為530 MPa，故零件所受最大應力遠小于材料的屈服力；由圖4b可知，平臺的最大位移量為5.772×10-4mm，這在移動中是允許的，因此裝置不會發生非彈性形變；由圖4c可知，零件的安全系數即零件所受力與屈服力之比，最小值遠大于1，故此零件強度符合要求。由圖5a、圖5b可知，施加在過渡段軸上的最大應力為σ=1.4 MPa，遠小于材料屈服力，過渡軸的最大位移為4.842×10-5mm，在允許的范圍之內，不會發生非彈性形變；由圖5c可知，零件的最小安全系數遠大于1，零件結構強度高，符合設計要求。

圖4 旋轉連接平臺受力云圖

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

圖5 旋轉連接平臺軸受力云圖

圖6 臺面有限元分析

4 控制流程設計

4.1 單片機與控制

目前大多數的伺服系統均采用電力驅動方式，驅動器的內部通常含有電機位置反饋裝置，利用光電編碼器或者旋轉變壓器反饋位置信息，從而達到位置控制的閉環控制。現有的伺服電機的控制方式有脈沖控制、模擬信號控制兩種比較常用的控制方式。由于模擬信號控制方式對于速度變化不確定，而且在精度很高的場合缺乏靈活性，故通常采用脈沖控制的方式，通過改變單位時間內PWM的導通時間，來控制伺服電機的轉速，以此控制單位時間內裝置行進的距離[13-15]。

設計采用的C8051F020單片機可以通過內部的捕捉比較寄存器產生PWM信號。與標準8051的定時器/計數器相比，C8051F020內部的PCA提供了增強定時器功能，因此它所需的CPU干預更少[16]。同時配合外部編碼電路，可以根據實際需求實現不同PWM波的輸出，因此適用于不同距離傳輸要求的場合，具有較為廣泛的適用性。

4.2 流程設計

軟件系統采用模塊化編程的思想，將系統分成若干個相互獨立的模塊，集中管理，分散控制，根據需求依次調用。這種結構可以對各個功能模塊分別編程，分別調試，具有良好的維護性和清晰的結構，也利于后續的查錯、修改或者管理[17]。軟件整體結構圖如圖7所示。

該系統與抓取工序進行配合，故主要為自動運行，在自動運行模式下，只需發送整體運行的指令，系統就會根據流程調用不同的子程序來實施生產控制。該模式主要包括壓紙子程序、吸紙子程序、移送子程序、伺服運行子程序及急停子程序等。壓紙子程序實現對紙張的壓緊，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，系統會立即暫停所有動作，而當急停按鈕復位后系統會繼續運行。

伺服運行子程序：在自動運行模式下，伺服運行子程序是系統的核心運行部分，該子程序的控制流程圖如圖8所示。在系統初始化完成后，由于伺服電機采取的位置控制模式，首先要進行尋零操作，確定零點位置，保證取紙位置的精確性。同時設置了等待點，當沒有準備好時，伺服電機運行在等待位，玻璃一旦被取走，在吸盤吸取住紙張后，電機與氣缸帶動玻璃移至紙架位置。

圖7 軟件系統結構 圖8 伺服運行子程序流程圖

5 樣機與調試

圖9 自動取紙機樣機

根據前述的設計方案開發了實際樣機，如圖9所示。通過對樣機的調試，工作順序為調整相應的高度、氣缸壓緊、機械爪取走玻璃、氣缸復原、吸紙后旋轉與平移，將紙準確地送至盛紙架。取紙的頻率與后方生產線的抓取、切割等工序相配合，取紙節拍調整至大約每2 min 1張(取紙速度大約每分鐘1張，等待切割裂片時間為1 min)，市面上一些設備取紙節拍則為1小時22張，效率相對較高；根據廠房現場環境與盛紙架擺放位置，確定取紙橫桿旋轉角度為90°，而后在氣缸推動下，平移行程確定為200 mm，將紙張運送至盛紙架上。整體裝置運行穩定，配合良好。

6 結論

自動化取紙機由壓紙裝置、取紙裝置、抬升裝置與移送裝置4個部分組成，操作調整方便。對取紙機關鍵零部件進行分析，結果顯示零部件不會發生非彈性形變，結構穩定，強度高，符合設計要求。取紙機工作順序為調整高度、壓紙、吸紙、移送，調試后裝置運行穩定，取紙節拍為2 min一張，效率高。