結構用集成材自動上下料裝置真空吸附系統設計與試驗

高銳，張偉，王勇

(1.國家林業和草原局北京林業機械研究所,北京 100029；2.福建省林業科學研究院，福州 350012;3.中國林業科學研究院林業新技術研究所，北京 100091)

現代木結構建筑具有綠色低碳、節能環保和可持續發展的特性[1-2]，同時裝配式建筑可預制化、工業化生產和現場安裝的優勢，能很好地滿足人們對于高品質住房的物質和精神的雙重要求，未來有著巨大的發展潛力和市場前景[3-6]。結構用集成材是現代木結構建筑主要結構材，被廣泛應用。但結構用集成材生產環節中，產品加工前后上、下料還是以人工為主，效率低下，很大程度上影響了整條自動化生產線的生產效率。近年來，國外真空吸盤被廣泛用于結構用集成材的自動上下料作業，自動化程度高，作業高效。德國威力公司(WEINIG)和豪邁公司(HOMAG)開發了以工業機器人為載體，海綿吸盤為抓取工具的結構用集成材自動化上下料系統；丹麥 SYSTEM TM 公司采用龍門架搭載真空多頭吸盤或海綿吸盤進行結構用集成材的自動上下料作業。目前，國內學者主要集中對以金屬零件為作業對象的自動上下料裝備的研究，而對結構用集成材為加工對象的上下料裝置研究較少。鄭天池等[7]采用三菱FX3GA系列PLC(programmable logic controller)設計了電容器鋁殼自動上料-定量灌膠控制系統，實現了電容器鋁殼自動上料和高精度定量灌膠。張鐵等[8]設計了一種用于沖床生產時金屬沖壓件的上下料機械手，并通過自適應遺傳算法對機械手電機伺服系統控制參數進行優化整定。曾文萱等[9]開展了磨齒機自動上下料機械手控制系統研究，實現磨齒機生產作業時齒輪上下料循環過程的全自動化。朱華炳等[10]在分析了不銹鋼薄板拋光工藝特點和生產要求的基礎上，研發了基于PLC 控制的上料機械手，實現了不銹鋼薄板的自動上下料與自動堆垛。李平等[11]通過分析板材加工的工藝特點,重新對設備的布局方式及工業機器人的運行軌跡進行規劃,并運用機器視覺快速識別板材位姿,構建了木工加工中心板材自動上下料系統。該系統實現了木工加工中心與工業機器人的組合,是一種小型柔性制造系統在木工加工中的具體應用。

筆者設計一種龍門機械手，通過真空海綿吸盤對結構用集成材進行自動上下料的裝置，通過試驗對海綿吸盤真空吸附系統設計的合理性、可靠性和抓取能力進行驗證，并分析抓取力、海綿吸盤真空的影響因素，為采用海綿吸盤結構用集成材自動上下料的設計提供參考。

1 整體結構與原理

結構用集成材自動上下料裝置整體結構如圖1所示，主要由支架、升降機構、平移機構、真空系統等四部分組成。支架起到支撐裝置整體的作用。升降系統由電機、減速箱、卷筒、升降帶、四連桿機構等零部件組成，為上下料裝置主要升降工作執行部分。小車平移系統主要由小車、導軌、滑塊、伺服電機、同步帶輪、同步帶、傳動軸、直齒輪、齒條等零部件組成，為上下料裝置左右移動的工作部分。根據結構用集成材自動上下料裝置控制系統設計程序，控制升降機構和平移機構帶動海綿吸盤進行上下與左右運動、海綿吸盤對結構用集成材的抓取與釋放作業，最終完成結構用集成材的自動上下料作業。

1.支架；2.電機；3.減速機；4.卷筒；5.同步輪；6.同步帶；7.伺服電機；8.傳動軸；9.滑塊；10.導軌；11.直齒輪；12.齒條；13.海綿吸盤；14.升降帶；15.四連桿機構。圖1 上下料裝置結構圖Fig.1 Schematic diagram of uploading and downloading equipment

2 真空吸附系統設計

2.1 真空吸附系統

結構用集成材具有規格尺寸較大、硬度較金屬低、表面存在節子和透氣等特點，采用機械夾持的上下料方式易造成集成材表面損傷；傳統真空吸盤無法有效地集成表面形成密閉空間，上下料作業時易脫料，均無法很好地適應集成材的自動上下料工作。根據結構用集成材的特點，綜合分析各種真空吸盤的原理、性能與真空系統控制方法[12-15]，選用真空發生器內置節流閥式海綿吸盤作為結構用集成材上下料的執行機構。真空吸附系統主要由空壓機、儲氣罐、真空發生器、海綿吸盤、兩位兩通電磁轉向閥 A1、A2、A3、氣壓傳感器 P1、P2、P3 組成，原理如圖 2 所示。真空發生器體積小，無運動部件，可以直接搭載在海綿吸盤上，負壓產生及解除速度更快且易于靈活控制。結構用集成材料為實木構件，表面有細微紋路，具有孔隙，與一般的盤式吸盤不易形成密封腔，因此采用海綿吸盤作為抓取工件的執行部件。真空吸附系統由空壓機產生高壓氣體并由儲氣罐進行儲存以保證流量供給。

圖2 真空吸附系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of vacuum system

2.2 控制系統設計

海綿吸盤吸附真空控制系統是自動上下料裝置控制系統的一部分。控制器是控制系統核心部件，要求具有精確的邏輯和位置控制能力、高可靠性和抗干擾性，以適應工業自動化和智能化生產的需求。本控制系統采用三菱 FX3U-80MT/ES PLC 作為控制器，將 MT8102IP 觸摸屏作為上位機，實現人機交互操作。操作人員通過觸摸屏可方便地對系統進行設置與操作，獲取空壓機氣壓、真空發生器進口處氣壓、海綿吸盤內負壓、海綿吸盤位置等信息，以及故障與故障原因等生產信息。控制系統硬件主要包括可編程控制器 PLC、觸摸屏、數據采集模塊、控制輸出模塊等組成。控制系統組成結構框圖如圖3所示。

圖3 控制系統組成結構框圖Fig.3 Structure block diagram of control system

數據采集模塊完成海綿吸盤位置、空壓機內氣壓、海綿吸盤內氣壓等相應傳感器信號的實時采集，并將其轉變為 PLC 控制器所能識別的數字信號。PLC 控制器根據數據采集模塊的輸入信號，進行數據處理，并根據加工工藝要求運算相應的輸出指令。控制輸出模塊則根據 PLC 控制器輸出指令通過電磁繼電器、電磁轉向閥等對升降電機、空壓機真空發生器等進行控制來完成真空裝置對結構用集成材工件抓取與釋放工作。

3 真空吸附系統性能試驗與分析

為驗證結構用集成材自動上下料裝置的真空吸附系統設計的合理性、可靠性和抓取結構用集成材的能力，分析抓取力、海綿吸盤負壓的影響因素，開展了有供氣壓力與負壓關系試驗和海綿吸盤負壓與拉脫力關系試驗。真空吸附系統性能試驗現場如圖4所示。

1.海綿吸盤;2.工件；3.拉力傳感器；4.智能數顯控制儀；5.氣壓傳感器P2;6.氣壓傳感器P3。圖4 真空吸附系統性能試驗現場Fig.4 Test site of vacuum system performance test

3.1 供氣壓力與負壓關系試驗

3.1.1 試驗方法與材料

將氣壓傳感器 P2、P3 分別安裝在海綿吸盤進口和負壓檢測口。打開真空發生器吸氣電磁閥 A3和供氣電磁閥 A2，保持真空發生器氣路暢通狀態。啟動空氣壓縮機，在海綿吸盤在吸持工件和吸氣口敞口兩種狀態下，利用數碼相機記錄供氣壓力由零到儲氣罐達到最大壓力全過程中，海綿真空發生器進口處的氣壓傳感器 P2 顯示壓力與海綿吸盤處氣壓傳感器 P3 對應的顯示數字的變化。通過播放視頻文件，記錄每間隔3 s時間點上兩個表的數值。實驗采用的是真空發生器內置的節流閥式海綿吸盤，空氣消耗量 875 L/min,最大真空度 60%，長度為 1 234 mm，寬度為 130 mm ，3 行排 198 個吸氣孔，吸氣孔排列如圖 5 所示。空壓機排氣量 1.5 m3/min，排氣壓力 0.8 MPa，貯氣罐容量250 L。

圖5 海綿吸盤吸氣孔排列Fig.5 Arrangement of holes in sponge vacuum sucker

3.1.2 試驗結果與分析

根據試驗結果做出負壓隨供氣壓力變化圖，如圖6所示。

圖6 負壓隨供氣壓力的變化曲線Fig.6 Influence of the inlet-pressure on the pressure at the vacuum port

從圖6可以看出，當供氣壓力為 0～630.0 kPa 時，供氣壓力與海綿吸盤負壓有明顯的相關性，應符合一定的函數關系。設供氣壓力為xi,負壓為yj，所測得數據為{(xi,yj),i=0,1,2…m}，供氣壓力與負壓關系函數為yi=f(xi),利用最小二乘法對測得數據進行曲線擬合。設擬合曲線函數為y=s*(x)，記誤差為：

δ=s*(x)-yii=0,1,…,m

δ=(δ0,δ1,…,δm)T

(1)

設φ0φ1…φn為線性無關函數簇，在φ=span{φ0(x),φ1(x),…φn(x)}中找一個s*(x)，使誤差平方和最小為:

(2)

利用MATLAB對數據進行曲線擬合，分別得到海綿吸盤敞口與吸附工件兩種狀態下在供氣壓力為0～630.0 kPa 時，供氣壓力與負壓函數yo、yc分別為:

(3)

(4)

式中：x為供氣壓力，kPa；yc為吸附工件時的海綿吸盤內負壓，kPa；yo為敞口時的海綿吸盤內負壓，kPa。

負壓隨供氣壓力變化擬合曲線如圖如7所示。

圖7 負壓隨供氣壓力變化擬合曲線Fig.7 Influence of the inlet-pressure on the pressure at the vacuum port

試驗結果說明，供氣壓力為 0～630.0 kPa 時，供氣壓力與海綿吸盤負壓呈良好的三階函數關系，當供氣壓力約為 630 kPa 時，吸附工件時負壓達到 -50.3 kPa，而后隨著供氣壓力的增加，海綿吸盤的真空度基本維持不變且略有減少。由此得到該真空吸附系統的最優供氣壓力值為 630.0 kPa，最小負壓為 -50.3 kPa。真空吸附系統控制程序設計時將真空發生器進口氣壓傳感器 P2 觸發壓力設為 630.0 kPa，海綿吸盤處氣壓傳感器壓力設定為 -50.3 kPa。

同時，在海綿吸盤敞口與吸附工件兩種情況，相同的供氣壓力下產生的負壓存在明顯的壓力差。在供氣為 0～630.0 kPa 時，壓力差近似線性增加，最后在 620.0～630.0 kPa 時，敞口時負壓為穩定在 -27.0 kPa 左右，壓力差穩定在 22.9～23.8 kPa 。這一特征對于判斷上下料裝置在進行上下料作業時吸附工件的穩定性，以及判斷工作在轉運過程是否脫落，保證上下料作業過程的成功率至關重要。

3.2 海綿吸盤拉脫力試驗

3.2.1 試驗方法與材料

試驗在自動上下料設備上進行。試驗工件為杉木結構用集成材，材面質量等級達到國家標準GB/T 26899—2011《結構用集成材》中 2 級要求，規格如表 1 所示。試件由夾具固定后平置于支架上。電子測力計一端與夾具連接，另一端與固定在地面上的地腳螺栓連接。海綿吸盤安裝在試件正上方的升降機構上，保持海綿吸盤、試件重心、電子測力計在一條直線上，拉脫力即為工件與夾具的重力和加上電子測力計測定的拉脫力峰值。分別進行不同大小試件拉脫力試驗和拉脫力與負壓關系的試驗。

表1 杉木結構用集成材試件規格Table 1 Table of test design method

1) 負壓與拉脫力關系的試驗:將表 1 中試件 1 固定在夾具上，與 1 個海綿吸盤平行。啟動空氣壓縮機，打開電磁轉向閥 A2、A3，海綿吸盤覆蓋在試件達到穩定數值產負壓后，上升機構帶動海綿吸盤向上運動直至試件與海綿吸盤脫離。由數碼相機進行攝影，實時記錄并逐幀播放，以確定試件與海綿吸盤脫開時刻的真空壓力傳感器和電子測力計示值。

2) 不同長度試件拉脫力試驗：將試件固定在夾具上。啟動空氣壓縮機，打開電磁轉向閥 A3、A2，海綿吸盤覆蓋在試件負壓達到穩定值后，上升機構帶動海綿吸盤與試件均速度向上運動直至試件與海綿吸盤脫離，由電子測力計測定并記錄拉脫力的峰值。試件每種規格試件重復試驗30次。

3.2.2 試驗結果與分析

負壓與拉脫力關系的試驗結果如圖8所示。從圖8可知，在負壓在 -13.0～-50.0 kPa 范圍內，負壓與拉脫力有著良好的線性關系且實測拉脫力比理論值平均小 250 N。由于結構用集成材表面存在節子、不平整和透氣等特點，使得海綿吸盤有效吸附面積小于理論面積，導致拉脫力小于理論吸附力，因此拉脫力會因結構用集成材的表面質量不同而不同。

海綿吸盤的理論吸附力計算公式為：

Ft=n×(πr2+2rl)×P

(5)

式中：Ft為海綿吸盤的理論吸附力，N；n為海綿吸盤吸氣孔的個數，個；r為海綿吸孔半圓半徑，3.5 mm ；l為海綿吸盤吸氣孔兩半圓中心距，20 mm；P為海綿氣孔內的負壓，MPa。

圖8 負壓與拉脫力/理論吸附力關系圖Fig.8 Relationship curve between vacuum pressure and supplied air pressure

由公式5可以得出，海綿吸盤的理論吸附力取決于海綿吸盤的負壓與被工件所覆蓋吸氣孔的個數。工件所覆蓋不同個數吸氣孔時海綿吸盤理論吸附力與試驗值如表2所示。

表2 不同個數吸氣孔時拉脫力性能比較Table 2 Specification of glue-laminated timber test piece

試驗發現：將工件把海綿吸盤上的吸氣孔全部覆蓋時，海綿吸盤內負壓為 -50.3 kPa，拉脫力比理論吸附力約小 250.0 N，且保持穩定。

吸氣孔被工件 100%，66.7% 和 33.3%被覆蓋時，海綿吸盤內的負壓分別是 -50.3，-40.0 和 -35.0 kPa，拉脫力分別為 2 125.0，1 041.9 和 453.7 N，海綿吸盤內真空度隨未被覆蓋的吸氣孔的增多而減小，未被覆蓋的吸氣孔越多，實測拉脫力減小得越多，海綿真空系統能量損失越大。因此在設計用節流閥式海綿吸盤作為抓取執行機構時，海綿吸盤上的吸氣孔應全部被工件覆蓋，此時在相同進氣壓力條件下真空度最大，抓取力最大，工作效率最高。

4 海綿吸盤真空吸附系統控制策略

根據負壓與供氣壓力關系試驗和拉脫力試驗基礎數據與真空吸附系統原理，制定海綿吸盤真空吸附系統控制策略(圖9)。如圖9所示，空壓機工作對貯氣罐充氣，并保持氣壓大于630.0 kPa；海綿吸盤接觸工件，電磁閥A2、A3通電后氣路導通，真空發生器工作產生負壓，當負壓小于-50.0 kPa 時電磁閥A2、A3關閉保壓，海綿吸盤開始運動；當壓力傳感器P3檢測到真空度突然減小，從-28.0到 -26.0 kPa時，說明工件已脫落，海綿吸盤停止運動，并發出警報；當壓力傳感器P3檢測到負壓大于-50.0 kPa時，重復A3、A2斷電氣路導通，真空發生器工作，增加海綿吸盤中的真空度；當到達所需位置時海綿吸盤停止運動，A1通電氣路導通釋放工件。

圖9 海綿吸盤真空吸附系統控制流程圖Fig.9 Flow diagram of sponge vacuum suction device control

試驗結果表明，海綿吸盤真空吸附系統對尺寸為2 387.6 mm×228.6 mm×152.4 mm(長×寬×高)、質量為 26 kg 集成材進行上下料作業時，以 0.4 m/s 速度上升、下降運行和 0.6 m/s 速度水平移動時，該控制策略可保證上下料裝置運行平穩。

5 結 論

1)設計一種采用龍門機械手通過真空海綿吸盤進行結構用集成材自動上下料的自動真空上下料裝置，可以實現結構用集成材自動化上下料作業，試驗證明作業運行平穩、可靠。

2)供氣壓力為 0～630.0 kPa 時，供氣壓力與海綿吸盤負壓呈三階函數關系，當供應壓縮空氣約為 630.0 kPa 時，吸附工件時負壓達到 -50.3 kPa，而后隨著供氣壓力的增加海綿吸盤內的真空度基本維持不變且略有減小。

3)在負壓在 -13.0～-50.0 kPa 范圍內，負壓與拉脫力有著良好的線性關系且實測拉脫力比理論值平均小 250.0 N。由于結構用集成材表面存在節子、不平整和透氣等特點，使得海綿吸盤有效吸附面積小于理論面積，導致拉脫力小于理論吸附力，因此拉脫力會因結構用集成材的表面質量不同而不同。

4)當海綿吸盤上的吸氣孔未被完全覆蓋時，海綿吸盤內真空度隨未被覆蓋的吸氣孔的增多而減小，未被覆蓋的吸氣孔越多，實測拉脫力減小得越多，海綿真空吸附系統能量損失越大。因此在設計用節流閥式海綿吸盤作為抓取執行部件時，海綿吸盤上的吸氣孔應全部被工件覆蓋，此時相同進氣壓力條件下，真空度最大，抓取力最大，工作效率最高。