紙漿磨片搬運機構設計

王 德， 張邦成， 徐 燃， 姜大偉， 張曦予

(1.長春工業(yè)大學 機電工程學院， 吉林 長春 130012;2.廣東理工學院 工業(yè)自動化系， 廣東 肇慶 526100;3.長春工業(yè)大學 應用技術學院, 吉林 長春 130012)

0 引 言

隨著社會經濟快速發(fā)展，造紙行業(yè)對紙漿磨片的需求與日俱增。紙漿磨片[1]的質量質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計成為工業(yè)領域的研究熱點之一[1-2]。結合已有的自動化物料搬運技術，設計一種自動化程度、搬運效率高的紙漿磨片質量質心自動檢測紙漿磨片搬運機構具有重要的意義。

目前,結合紙漿磨片特點的紙漿磨片質量質心自動檢測紙漿磨片搬運機構研究很少，北京郵電大學李佳[3]仿照天平結構設計一種自動上下料機械手，該機械手一次能轉移兩個物料，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,解決了在非結構化環(huán)境下的采摘機械手實時避障問題;黃珊等[5]采用直角坐標機器人設計一種用PLC控制的智能輪轂搬運機械手，提高輪胎工業(yè)生產效率;王雪潔等[6]設計了一種搬運、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的參考分析，結合紙漿磨片的結構特點及紙漿磨片質量質心自動檢測工作機理，設計三坐標式4自由度搬運抓取機構,解決在紙漿磨片質量質心自動檢測過程中紙漿磨片抓取、搬運的問題。

1 紙漿磨片質量質心自動檢測

1.1 紙漿磨片特征

不同型號紙漿磨片質量范圍：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行質量質心測量，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行測量,并重復上述操作，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備造成沖擊和損壞。

制定的紙漿磨片質量質心自動檢測流程如下：

首先，應用結合紙漿磨片的結構特點及定位方式設計的紙漿磨片質量質心自動檢測的磨片搬運機構將傳送帶上的紙漿磨片準確抓取、搬運到紙漿磨片質量質心檢測裝置上,并自動進行位姿調整；然后進行紙漿磨片質量質心測量，測量完成后再將紙漿磨片抓取,搬運到傳送帶指定位置上，再進行下一片紙漿磨片的質量質心測量。單片紙漿磨片的檢測周期在20 s以內，測量并重復上述操作。

2 紙漿磨片搬運機構方案設計

2.1 工作環(huán)境及要求

2.1.1 作業(yè)空間

紙漿磨片搬運機構的作業(yè)空間在原手工搬運為基礎的前提下進行空間布局，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，末端夾持機構升降行程80 mm，紙漿磨片質量質心檢測裝置高度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

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

2.1.4 運動軌跡

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

2.2 關節(jié)機器人式設計方案

當前工業(yè)領域如焊接、搬運等常采用關節(jié)機器人[9]作為主要生產工具，關節(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自由度關節(jié)機器人成本約10萬元。采用關節(jié)機器人結合末端夾持器的設計方案，使整體操作性提高，但是成本較高。

2.3 龍門式設計方案

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

2.4 三坐標式設計方案

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

3 紙漿磨片搬運機構設計

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

3.1 底座結構設計

底座作為紙漿磨片質量質心自動檢測的磨片搬運機構的基礎，需要承載X、Y、Z軸方向上的運動機構、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的底座結構。

3.2 X、Y、Z軸向運動機構設計

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軸方向轉動共4個自由度。4個自由度的任意調整可以使不同型號紙漿磨片在作業(yè)空間內任意位置擺放，如圖4所示。

3.3 末端夾持器結構設計

末端夾持器結構是搬運夾取紙漿磨片的重要部件，根據(jù)紙漿磨片的結構特征，設計簡單化、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，需準確、平穩(wěn)地將紙漿磨片放置在紙漿磨片質量質心檢測裝置上。因此,末端夾持器主要由吸取機構、調整機構、夾持機構三部分組成。

3.3.1 調整機構設計

末端夾持器如圖5所示。

調整機構對末端夾持器定位有重要作用，見圖5(a)，步進電機通過減速器減速與夾持機構夾持板相連接，調整機構按照旋轉角度要求繞Z軸進行轉動與夾持機構協(xié)同抓取紙漿磨片。

3.3.2 吸取機構設計

由于紙漿磨片表面結構特征，不適用氣吸式末端夾持器，因而選用電磁式末端夾持器。紙漿磨片單片質量較大，發(fā)生故障時會對設備及工人造成傷害，故吸取機構選用通電無磁、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，提高末端夾持器的穩(wěn)定性，見圖5(b)。

3.3.3 夾持機構設計

夾持機構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緊力相結合的結構方式，夾持機構夾持板作為調整機構、吸取機構與夾持機構連接的紐帶，夾持板是針對不同型號紙漿磨片做的通用性設計。在夾持板兩端卡槽內的彈簧結合夾持器內、外圓橡膠限位板提供夾持力，夾持器內、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。在調整機構完成調整后，夾持機構先將外圓橡膠限位板夾持到紙漿磨片的外圓弧上，然后內圓弧橡膠限位板落下夾持到紙漿磨片的內圓弧上。將紙漿磨片放置在質量質心檢測裝置的測量平臺上時，紙漿磨片質量質心檢測裝置擺放位置見圖3，在釋放紙漿磨片過程中，先由內圓弧橡膠限位板脫離紙漿磨片的內圓弧，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 紙漿磨片搬運機構設計

末端夾持器的吸取機構選用失電型電磁鐵，其它各部件均選用非磁性材料的硬質鋁合金LY21加工制造。由設計底座，X、Y、Z軸向運動機構，末端夾持器三部分結構進行組合建立的紙漿磨片搬運機構三維模型如圖6所示。

4 夾持機構夾持板有限元分析

夾持機構夾持板是整個紙漿磨片搬運機構的關鍵部件，是決定紙漿磨片搬運機構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，必須對夾持機構夾持板的結構強度進行分析與校核。硬質鋁合金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)，紙漿磨片質量為15～20 kg，在對夾持板進行有限元分析時，負載的總質量為紙漿磨片質量的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軸旋轉的扭矩。因此,需要對夾持機構夾持板在正常夾取和夾取后調整角度兩種工況下分別進行有限元分析[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夾持板的最大應力為1.863 MPa，圖7(c)為夾取紙漿磨片調整角度后夾持機構夾持板的最大應力為1.871 MPa，由于夾持機構夾取紙漿磨片過程是由調整機構中電機的帶動下進行旋轉，所以夾持機構夾持板在調整角度前后受力變化相差不大。

仿真結果表明，在以上兩種工況下，夾持機構夾持板的結構強度能夠滿足實際使用要求。

紙漿磨片搬運機構實物如圖8所示。

5 結 語

結合紙漿磨片的結構特征，通過對關節(jié)機器人式設計方案、龍門式設計方案，以及三坐標式設計方案的分析，最終設計了三坐標式4自由度搬運機構，實現(xiàn)了紙漿磨片在質量質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。同時設計了紙漿磨片搬運機構的末端夾持器結構，具有通用性，并對夾持機構夾持板進行了有限元分析。分析與試驗結果表明，設計的紙漿磨片搬運機構具備移動、升降、夾持、旋轉等功能，且運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足紙漿磨片質量質心自動檢測過程中磨片的搬運要求。