面向服裝面料的柯恩達效應式非接觸夾持器吸附性能

劉漢邦， 李新榮， 馮文倩， 吳柳波， 袁汝旺

(1. 天津工業大學 機械工程學院， 天津 300387； 2. 天津市現代機電裝備技術重點實驗室， 天津 300387)

隨著社會的不斷發展，人們對服裝衣物的需求與日俱增，而服裝面料自動抓取轉移對服裝衣物的加工生產具有重要意義。為減少勞動力成本，提高服裝面料夾持器的抓取效率則顯得尤為重要。目前面料自動抓取轉移的主要方法有機械手抓取[1]、負壓吸附、靜電吸附[2-3]、低溫黏附和非接觸式吸附[4-5]等，他們對抓取服裝面料具有不同工作原理。其中：Moriya等[6-7]使用機械手抓取柔軟的毛巾；文獻[8-9]用負壓吸附的方式成功抓取了皮革和少孔的PES2非織造材料；Zhang等[10]介紹了一種用于航空航天應用中物料搬運任務的靜電吸附抓取裝置，可以有效抓取大型織物；Stephan等[11]開發了一種低溫黏附的冷凍抓手，通過迅速凍結冷凍抓手上的水蒸氣來實現服裝面料抓取。但上述相關研究還存在不足之處，例如機械手容易對服裝面料產生表面劃痕缺陷，負壓吸附無法吸附高透氣性面料，靜電吸附易擊穿面料，低溫粘附的抓取方式也容易對服裝面料產生“結構凍傷”，均存在一定不可彌補的缺陷。所以為彌補當前服裝面料抓取方式的不足之處，Dini等和Ozcelik等[12-13]制造了可以吸附服裝面料的非接觸夾持器，且抓取完成后的服裝面料表面不會產生任何痕跡。Liu等[14]將非接觸夾持器和Coanda噴嘴結合，提出了具有更強吸附能力的柯恩達效應式非接觸夾持器。綜上，非接觸式吸附以低成本、高效率且無損害等獨特的優點成為最適合抓取服裝面料的方式[15]。

本文首先對柯恩達效應式非接觸夾持器的結構和工作原理進行介紹；然后提出了吸附間隙、抓取效果和提升力3種性能指標來評估分析服裝面料夾持器的吸附性能；最后通過實驗測量了該服裝面料夾持器對不同織物參數服裝面料的吸附性能，并對實驗結果進行比較分析。

1 結構設計及理論分析

1.1 夾持器的結構設計

柯恩達效應式非接觸夾持器的基本結構包括Coanda噴嘴和非接觸夾持器，如圖1(a)所示，圖1(b) 示出其工作原理。壓縮空氣(初級氣流)從節能裝置入口進入儲氣腔，然后經過環形噴嘴高速流出形成射流，并沿著擴散管的內壁繼續流動，由于壓縮空氣從環形噴嘴以超音速射出并沿著附壁曲面擴散，會在喉部直徑出形成低壓區，以帶動周圍氣體進入節能裝置，引導次級氣流進入擴散管，且次級氣流是初級氣流的2～10倍，最后次級氣流與初級氣流混合后一起進入非接觸夾持器。由于混合后氣體流量增加，從非接觸夾持器噴出的氣體流速也大幅提升，因此會在非接觸夾持器底部產生更強的負壓區，以抓取非接觸夾持器底部的服裝面料。與傳統非接觸夾持器相比，柯恩達效應式非接觸夾持器可以在相同供給流量的情況下，產生更大的吸附力，并節省能量消耗。表1示出文中使用的字符所代表的參數含義。

1—初級氣流；2—次級氣流；3—儲氣腔中的氣流；4—非接觸夾持器。

表1 字符命名

1.2 提升力的理論分析

為確定供給氣體流量和提升力之間的關系，需要作如下假設：紗線在織物中均勻分布，且紗線內纖維緊密結合；織物中紗線間的孔隙截面為矩形；壓縮空氣在流體通道管內得到有效擴散，氣流從噴嘴出來后沿半徑方向向外射出，而沒有在垂直于半徑的方向上發生氣流交換，且徑向間隔的速度分布是均勻的。

為計算柯恩達效應式非接觸夾持器吸附面上的壓強大小，建立如圖2所示的弧形分析模型。氣體從左端進入該弧形體積的速度為，v壓力為p，并以壓力p+dp和速度v+dv從右端離開該弧形體積，其徑向范圍是r+dr，方位角取δ，間隙厚度為h1，氣體以dm(kg/s) 的速度從左到右流經弧形。經過理論分析后得到該點處的壓力方程式。

圖2 壓強分析理論模型

(1)

式中：p1為考慮空氣可壓縮性的情況下的壓力分布；p2為在不考慮空氣可壓縮性的情況下的壓力分布。

因此作用在服裝面料上的提升力可以由以下方程得到：

F=P·s

(2)

最后將式(1)和(2)代入式(3)可得：

(3)

式中：f1為考慮空氣可壓縮性情況下的提升力；f2為在不考慮空氣可壓縮性的情況下的提升力。

2 實驗過程

本文研究主要通過抓取效果測量實驗、吸附間隙測量實驗和提升力實驗來闡釋柯恩達效應式非接觸夾持器的吸附性能，并對實驗結果進行對比討論。

2.1 實驗設備和材料

本文使用如圖3所示的設備來進行實驗驗證。用于測量和抓取的設備主要包括：機械手，柯恩達效應式非接觸夾持器；空氣壓縮機(95 L/min)，江蘇東成機電工具有限公司；I級電子天平，上海佑科儀器儀表有限公司；YG141型織物厚度測量儀，萊州市電子儀器有限公司；YG(B)461 D-Ⅱ型數字織物透氣測試儀，溫州大榮紡織儀器有限公司；流量調節裝置(PFM711 S, 2～100 L/min)，ISE30A-01型氣壓傳感器, SMC(中國)有限公司；LC-2320型測距儀，基恩士(中國)有限公司；NTJL-1型高精度拉力傳感器，南京天光電氣科技有限公司。本文實驗中使用的柯恩達效應式非接觸夾持器的詳細參數如表2所示。

表2 參數設定值

圖3 實驗裝置圖

在實驗中主要根據服裝面料的質量、厚度和透氣性3種指標來選擇12種具有不同織物參數的試樣服裝面料[16]，12種服裝面料試樣的尺寸均為100 mm×100 mm的規則正方形，且質地比較柔軟，服裝面料的其他具體參數如表3所示。

表3 服裝面料具體參數

2.2 抓取效果測量實驗

抓取效果測量實驗裝置如圖3所示?？露鬟_效應式非接觸夾持器安裝在機械手的下方，使用橡膠管將柯恩達效應式非接觸夾持器與空氣壓縮機相連，打開空氣壓縮機的開關，使用流量調節裝置調節供給氣體流量為設定值(25、30 、35、40、45 和50 L/min)， 然后調節機械手向下移動，使其剛好可抓住服裝面料。

抓取效果測量實驗的目的是模擬柯恩達效應式非接觸夾持器抓取、轉移和釋放服裝面料的過程，在機械手上的柯恩達效應式非接觸夾持器在抓取服裝面料以后會沿著軌跡運動(見圖4)，整個過程中機械手的速度設定為0.1 m/s，先向上移動100 mm，然后水平移動1 000 mm，最后再向下移動100 mm。完成以上操作后，用以下方式評估抓取效果，圖4中標有A、B和C 3段移動距離，觀察柯恩達效應式非接觸夾持器在A、B和C 3個位置中服裝面料的掉落情況來闡釋抓取效果，掉落位置越靠后，抓取效果越好。為保證表2中的1～12號服裝面料每次抓取、轉移和釋放的速度和移動距離保持一致性，實驗通過軟件編程完成上述操作。

1—面料； 2—測試平臺。

2.3 吸附間隙測量實驗

在吸附間隙測量實驗過程中，吸附間隙指的是在測試平臺上服裝面料可被柯恩達效應式非接觸夾持器提升起來的間隙高度h，首先將柯恩達效應式非接觸夾持器安裝在機械手上，然后將要測量的1號服裝面料放置在機械手下方的工作平臺上，供給氣體流量25、30 、35、40 、45和50 L/min分別抓取1號服裝面料，供給氣體流量的大小通過流量調節裝置進行調節，從而測得在不同供給氣體流量下服裝面料和夾持器之間的吸附間隙h，二者的間隙h通過測距儀進行測量并記錄，吸附間隙示意圖如圖5所示。其余表2中的2～12號服裝面料按照上述1號服裝面料的測試方法依次進行，最后所有試驗結果測量完成后進行對比整理。測量吸附間隙h是為獲得在穩定狀態下每種服裝面料的最佳供給空氣流量。

1—非接觸末端執行器；2—面料；3—測試平臺。

2.4 提升力測量實驗

用于測量提升力的實驗裝置如圖6所示。

圖6 提升力測量實驗裝置

該實驗的目的是在不同供給氣體流量下，測量柯恩達效應式非接觸夾持器抓取服裝面料的提升力。拉力傳感器使用的是S型高精度拉力傳感器(NTJL-1)，拉力傳感器通過導柱連接面料固定裝置，被測服裝面料固定在面料固定裝置上，該非接觸夾持器的提升力可通過拉力傳感器測量出來。該型號拉力傳感器的顯示儀表具有清零功能，所以該非接觸夾持器抓取服裝面料的提升力F可通過顯示儀表直接顯示。最后，經多次實驗測量與計算，得到在不同供給氣體流量下，柯恩達效應式非接觸夾持器抓取服裝面料的提升力實驗結果。

3 結果與討論

柯恩達效應式非接觸夾持器的抓取性能需要通過抓取效果測量實驗、吸附間隙測量實驗和提升力實驗來闡明，所以本節主要對上述3種實驗的結果進行總結和分析。

3.1 抓取效果測量實驗分析

表4示出對表3中12種服裝面料進行抓取效果測量的實驗結果?？煽闯觯谙嗤墓┙o氣體流量下，服裝面料的質量越輕越不易掉落，表明對輕質面料有較好的抓取效果，而服裝面料的質量越大，其掉落的過程越靠前；從透氣量來看，在相同的質量下，服裝面料的透氣量越低，抓取效果越好，而服裝面料的厚度對其抓取效果影響較小；從供給氣體流量來看，隨著供給氣體流量的增加，其抓取效果越好。

表4 不同氣體流量下的抓取效果測量實驗結果

3.2 吸附間隙測量實驗分析

為獲得在穩定狀態下每種服裝面料的最佳供給氣體流量，對表3中12種不同類型的服裝面料進行了吸附間隙實驗，圖7示出在不同供給氣體流量下12種服裝面料的吸附間隙測量情況。從服裝面料的質量來看，質量越輕吸附間隙高度越大，質量越大吸附間隙越小，這表明在相同的供給氣體流量下，越輕質的面料越容易被抓?。粡姆b面料的透氣量來看，在質量幾乎相同的面料中，透氣量越小吸附間隙越大，透氣量越大吸附間隙越小，這表明在相同的供給氣體流量下，若不考慮質量因素，透氣量越小的織物越容易被抓??；從服裝面料的厚度來看，厚度對其吸附間隙高度的影響較小。從供給氣體流量的大小來看，隨著供給氣體流量的增大，1～12號試樣服裝面料的吸附間隙均明顯增加。

圖7 吸附間隙測量結果

3.3 提升力測量實驗分析

實驗中主要探討提升力和供給氣體流量的關系，所以為排除服裝面料質量和透氣率的影響，在本文實驗中僅選取1種服裝面料進行實驗驗證，并在MatLab中繪制了不同供給氣體流量下的提升力變化規律，圖8示了出號服裝面料在不同供給氣體流量下實驗和數值模擬的對比結果。

圖8 供給氣體流量與提升力的關系

為了獲得供給氣體流量和提升力之間的關系，在間隙高度為2 mm時，測量了供給氣體流量為25、30、35、40、45和50 L/min與提升力之間的關系。從實驗結果來看，隨著供給氣體流量的增大，柯恩達效應式非接觸夾持器的吸附能力不斷提高，但供給氣流超過40 L/min以后，提升力曲線的斜率開始降低，提升能力開始放緩。

3.4 對比與討論

從吸附間隙測量實驗和抓取效果測量實驗來看，吸附間隙高度和抓取效果主要與服裝面料的質量和透氣率有關，服裝面料的質量越輕吸附效果越好，透氣量越低吸附效果越好；從提升力測量實驗中可以看出，隨著供給氣體流量的增大，柯恩達效應式非接觸夾持器的提升力明顯增加，但與仿真模擬結果相比，實驗測量值較小，分析誤差產生的原因主要是由于數值模擬采用的是理想數學模型，而在實驗過程中會存在系統誤差，并且供給氣流的穩定性以及測試過程中的裝配誤差都會影響柯恩達效應式非接觸夾持器的吸附效果。通過對比分析，可以得到，在相同的供給氣體流量下，對抓取效果影響最大的因素是織物質量，其次是透氣率，最后是織物厚度。

4 結 論

本文研究系統地分析了柯恩達效應式非接觸夾持器的結構設計及吸附原理,并建立抓取服裝面料的提升力理論模型，提出了抓取效果測量、吸附間隙測量和提升力測量3個因素來評估分析服裝面料夾持器的吸附性能，并對實驗結果進行對比討論，得出以下結論。

1)從吸附間隙測量實驗和抓取效果測量實驗中可以得到，在相同的供給氣體流量下，服裝面料的質量越輕吸附效果越好，服裝面料的透氣率越低吸附效果越好。

2)從提升力測量實驗中可知，隨著供給氣體流量的增加，柯恩達效應式非接觸夾持器抓取服裝面料的提升力也不斷增加，但受制于非接觸夾持器內部參數的影響，當供給氣體流量達到40 L/min以后，提升能力開始變緩。

3)對柯恩達效應式非接觸夾持器抓取服裝面料吸附性能影響最大的因素是服裝面料的質量和供給氣體流量，其次是透氣率，最后是織物厚度。

研究結果表明，柯恩達效應式非接觸夾持器能夠抓取服裝面料，滿足服裝自動化的使用要求。本文研究內容為解決服裝面料自動抓取和轉移的行業難題提供了新的解決方法，為提高服裝行業的自動化提供了技術支撐。