纖維包自動除帶及拆袋機的抱夾裝置設(shè)計

裴澤光 胡文斌 劉 琰 李繼鋒

（1.東華大學，上海，201620；2.河南省紡織行業(yè)協(xié)會，河南鄭州，450007；3.河南省紡織工業(yè)總公司，河南鄭州，450007）

近年來，隨著科學技術(shù)與經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國紡織業(yè)面臨著技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)升級的難題，而纖維原料包裝拆除的自動化便是其中之一［1-2］。紡紗流程的第一步是由自動抓棉機從排列好的纖維包上抓取纖維進行混和。在此之前，需要將纖維包外部的捆扎帶和包裝袋去除。針對這一需求，已有研究者報道了一種纖維包自動除帶及拆袋機［3-4］，通過自動化的裝置對纖維包外部的捆扎帶和包裝袋進行去除，該機由纖維包排放模塊、纖維包搬運模塊、捆扎帶去除及回收模塊、包裝袋去除及回收裝置模塊組成。其中，纖維包的自動搬運與排放是利用兩臺基于自動導(dǎo)向車（AGV）的抱夾車自動完成。基于AGV的抱夾車可按照預(yù)先設(shè)定的軌跡進行移動，無需鋪設(shè)復(fù)雜的機械軌道，更加節(jié)省成本；同時，路徑變更操作更為靈活。本研究對抱夾車的抱夾裝置和抱夾支撐部分的主要機構(gòu)與零件進行設(shè)計，以期為纖維包除帶及拆袋工序自動化程度的提升提供技術(shù)參考。

1 纖維包抱夾車的結(jié)構(gòu)

纖維包抱夾車的結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個纖維包抱夾車由3部分組成，分別為抱夾裝置部分、抱夾支撐部分和AGV智能小車部分。其中，AGV智能小車負責承載著整個抱夾裝置、抱夾支撐部分及其上的纖維包按照預(yù)定的軌跡移動；抱夾支撐部分通過焊接、螺栓等連接在AGV智能小車上，主要用來支撐抱夾裝置，并為抱夾裝置提供上下移動能力；抱夾裝置部分通過螺栓連接在抱夾支撐部分上，用于為夾持纖維包提供夾持力。

圖1 纖維包抱夾車的結(jié)構(gòu)

目前，AGV技術(shù)已經(jīng)足夠成熟，市面上也存在不少可以定制化AGV的企業(yè)，因此，本次對纖維包抱夾車的研究重點在于設(shè)計一種抱夾裝置及其支撐結(jié)構(gòu)，用于將纖維包進行夾持搬運。以下就纖維包搬運裝置的抱夾裝置和抱夾支撐部分的結(jié)構(gòu)進行詳細介紹。

1.1 抱夾裝置的結(jié)構(gòu)

抱夾裝置的組成如圖2所示，包含夾爪、兩組夾爪驅(qū)動機構(gòu)以及兩臺液壓油缸。液壓油缸為夾爪驅(qū)動機構(gòu)提供動力，夾爪驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動夾爪夾持纖維包。夾爪驅(qū)動機構(gòu)的組成如圖3所示，包含L形傳動件、滑塊、滑軌、背板、油缸連接件、齒條、齒輪、齒輪軸等。其中，兩條滑軌安裝在背板上，兩個L形傳動件通過滑塊安裝在滑軌上，能夠橫向移動。兩個L形傳動件上各安裝一個齒條，齒條與安裝在背板中央位置的齒輪相嚙合，油缸連接件一端連接油缸輸出軸，另一端與第二L形傳動件相連接。油缸的動力將通過油缸連接件傳動到第二L形傳動件，第二L形傳動件通過齒條齒輪嚙合將動力傳遞給第一L形傳動件，則兩個L形傳動件便會相互靠近，夾爪分別安裝在兩個L形傳動件上，即可實現(xiàn)夾持功能。

圖2 抱夾裝置

圖3 夾爪驅(qū)動機構(gòu)

1.2 抱夾支撐部分的結(jié)構(gòu)

抱夾支撐部分的組成如圖4所示，包含上支撐架、下支撐架、若干滾輪以及兩個液壓油缸。其中下支撐架安裝在AGV智能小車上，兩個液壓油缸安裝在下支撐架上，輸出端連接上支撐架，上支撐架通過安裝在其兩邊的側(cè)面滾輪和正面滾輪與下支撐架契合，能夠在下支撐架的側(cè)面軌道里上下移動，其中側(cè)面滾輪保證上支撐架沿平行于側(cè)面方向的穩(wěn)定，正面滾輪保證上支撐架垂直于側(cè)面方向的穩(wěn)定。至此，液壓油缸便可帶動上支撐架完成上下移動，而抱夾裝置通過螺栓連接安裝在上支撐架的正面，便可隨上支撐架上下移動。

圖4 抱夾支撐部分

2 抱夾裝置的機械設(shè)計

2.1 抱夾爪的設(shè)計

我國棉花包裝中Ⅰ型包占比超過70%［5］，現(xiàn)行國家標準中對Ⅰ型包的定義為外形尺寸1 400 mm×530 mm×700 mm，質(zhì)量227 kg±10 kg。因此，針對Ⅰ型包設(shè)計的抱夾爪機構(gòu)如圖5所示。夾爪高度1 200 mm，內(nèi)部夾爪長度600 mm，兩夾爪間開合范圍660 mm~910 mm。兩夾爪之間通過類似“滑軌滑塊”的配合形式相連接。

圖5 抱夾爪機構(gòu)

2.2 抱夾爪傳動機構(gòu)的設(shè)計

抱夾爪夾持纖維包的受力分析如圖6所示。

圖6 抱夾爪夾持纖維包的受力分析

抱夾爪是通過夾爪與纖維包之間的摩擦力將纖維抱夾持攜帶的。圖6中，F(xiàn)f1、Ff2為夾爪與纖維包之間的靜摩擦力，兩者大小相等，方向相同；FN1、FN2為夾爪給予纖維包的正壓力，兩者大小相等，方向相反；G為纖維包重力。當抱夾爪夾持住纖維包時，兩者之間的摩擦力需滿足2Ff1>G，而依據(jù)靜摩擦力公式Ff1=μFN1和重力公式G=mg，則需要

抱夾車在搬運纖維包的工作過程中，針對抱夾包裝完整的纖維包和抱夾已去除塑料包裝袋的纖維塊兩種工況，要求抱夾爪既能夠夾持帶有完整包裝的纖維包，又能夠夾持已去除包裝的纖維塊，兩者的區(qū)別在于抱夾爪與塑料包裝袋接觸和與纖維接觸時的靜摩擦因數(shù)不同。包裝袋采用聚乙烯材料，聚乙烯與鋼材之間的摩擦因數(shù)為0.2，纖維與鋼材的摩擦因數(shù)為0.369 2。即塑料包裝袋與抱夾爪之間的靜摩擦因數(shù)更小，抱夾裝置夾持帶有完整包裝的纖維包更加吃力。因此，此處取μ值為0.2，取纖維包質(zhì)量m最大值237 kg，重力加 速 度g取9.8 m/s2，可 得FN1>5 806.5 N。該正壓力由油缸經(jīng)過抱夾爪傳動機構(gòu)來提供，因此，需要對抱夾爪傳動裝置進行受力分析，如圖7所示。其中，F(xiàn)′N1、F′N2為正壓力FN1、FN2的反作用力，分別作用在兩個L形傳動件上；F為油缸負載力；F1、F2為中心齒輪上承受的力；F′1、F′2為兩個齒條上承受的F1、F2的反作用力。

圖7 抱夾爪傳動裝置的受力分析

當抱夾爪夾持住纖維包時，需滿足式（1）。

整 理 式（1）得 到F=2FN1，即 負 載F>11 613 N。又由于抱夾裝置采用兩臺油缸提供動力，因此，單油缸負載為F′>5 806.5 N。由此，所需油缸的參數(shù)：負 載F′>5 806.5 N，行程s=280 mm，安全系數(shù)sP=1.25，負載率η=0.75。根據(jù)油缸輸出力FP選型計算公式，可得FP>9 677.5 N。根據(jù)油缸工作壓力的選型原則［6］，初選油缸工作壓力Pn為2 MPa。初選缸徑與桿徑比為0.5，即d=0.5D，根據(jù)油缸設(shè)計選型計算公式其中，D為油缸缸徑（mm），d為油缸桿徑（mm）。計算可得D=88.7 mm，圓 整 為D=100 mm，因 此，d=50 mm。將缸徑與桿徑帶入，重新校核工作壓力，可得Pn=1.574 MPa。根據(jù)上述計算選擇米思米的C-MCXRS-LA-100-ST200-C50-IN-N型臥式油缸，油 缸 參 數(shù)：使 用 壓 力140 kg/cm2，缸 徑100 mm，行程5 mm~280 mm，活塞桿前端形狀為IS（外牙），工作溫度-5 ℃~80 ℃。

上述計算過程確定了驅(qū)動部件油缸的輸出力以及傳動過程中力的大小，抱夾爪的傳動機構(gòu)采用齒輪齒條作為傳動部件，下面對齒輪齒條的設(shè)計進行介紹。

根據(jù)齒輪齒條的工作環(huán)境和要求，選擇齒輪齒條的精度等級為8級精度，齒輪材料為40Gr，硬度250 HBS；齒條材料為45鋼，硬度220 HBS。初定齒輪齒數(shù)Z=30，模數(shù)m=4。按照接觸強度計算齒輪的公稱直徑，見式（2）。

式中：d1t為齒輪公稱直徑（mm）；K為載荷系數(shù)；T1為齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩（N·mm）；φd為齒寬系數(shù)；u為齒數(shù)比；zH為節(jié)點區(qū)域系數(shù)；zE為齒輪材料的彈性系數(shù)；[σH]為齒輪材料的許用接觸應(yīng)力（MPa）。

根據(jù)實際工況，查找機械設(shè)計手冊確定其中的部分參數(shù)：K=1.2，φd=0.5，u=∞，ZH=2.5，ZE=189.8。其 中，T1和[σH]的 計 算 見 式（3）和式（4）。

式中：P為齒輪所傳遞的功率（kW）；n1為齒輪轉(zhuǎn)速（r/min），KHN1為材料的接觸疲勞壽命系數(shù)；σHlim1為材料的接觸疲勞強度（MPa）；s為安全系數(shù)。

根據(jù)實際工況，查找機械設(shè)計手冊確定其中一些參數(shù)：KHN1=1.4，σHlim1=500 MPa，s=0.9；根據(jù)負載可知功率P=18 kW，齒輪轉(zhuǎn)速n1=240 r/min，將數(shù)值代入式（3）、式（4）中求得T1=716 250 N·mm，[σH]=777.78 MPa。將T1、[σH]以及上述參數(shù)代入式（2）中，求得齒輪的公稱直徑d1t=108.56 mm，根據(jù)齒數(shù)計算得齒輪模數(shù)m=3.62，取標準值m=4，則齒輪實際直徑d1=120 mm。

按照齒根彎曲強度校核齒輪強度，見式（5）。

式中：σF為彎曲應(yīng)力（MPa）；K為載荷系數(shù)；T1為 齒 輪 所 傳 遞 的 轉(zhuǎn) 矩（N·mm）；b為 齒 寬（mm），m為齒輪模數(shù)；d1為齒輪實際直徑（mm）；YFa為齒形系數(shù)；Ysa為應(yīng)力修正系數(shù)；[σF]為許用彎曲應(yīng)力（MPa）。

根據(jù)實際工況，部分參數(shù)查找機械設(shè)計手冊如 下：K=1.2，b=60 mm，m=4，d1=120 mm，T1=716 250 kg·m，YFa=1.26，YSa=1.625。可得σF=122.21 MPa。

[σF]的計算見式（6）。

式中：KFN1為齒輪材料的彎曲疲勞壽命系數(shù)；σFlim為齒輪材料的彎曲疲勞強度極限；s為彎曲疲勞安全系數(shù)。查找機械手冊得KFN1=1，σFlim=580 MPa，取s=1.4。將參數(shù)代入到式（6）中得到[σF]=414.29 MPa。σF<[σF]，即齒輪的彎曲應(yīng)力小于其許用彎曲應(yīng)力，齒輪的齒根彎曲強度滿足要求。

綜上所述，所設(shè)計的齒輪參數(shù)：齒數(shù)30，模數(shù)4，直徑120 mm，齒寬60 mm，精度等級8級，材料為40Gr；齒 條 參 數(shù)：長 度280 mm，模 數(shù)4，齒寬60 mm，精度等級8級，材料為45鋼。

2.3 抱夾支撐的設(shè)計

抱夾支撐分為兩個部分，上支撐架和下支撐架，如圖8和圖9所示。抱夾裝置通過螺栓與上支撐架的前面板相連接。上支撐架側(cè)面安裝上滾輪，與下支撐架的側(cè)面滾輪軌道相契合，使上支撐架能沿下支撐架的側(cè)面滾輪軌道上下移動。上支撐架的上下移動由油缸驅(qū)動，油缸安裝在下支撐架處，輸出桿連接上支撐架。

圖8 上支撐架

圖9 下支撐架

支撐架與抱夾裝置的材料均為結(jié)構(gòu)鋼，根據(jù)分析計算得出，上支撐架與抱夾裝置的總質(zhì)量約為220 kg。因此，在抱夾裝置夾持纖維包時，需要抬起的質(zhì)量約為450 kg。抱夾支撐裝置采用兩臺油缸驅(qū)動，因此單油缸負載為F′=2 205 N。所需油缸參數(shù)要求：負載F′=2 205 N，行程400 mm，安全系數(shù)sP=1.25，負載率η=0.75。根據(jù)油缸輸出力FP選型計算公式FP，計算得油缸輸出力FP=3 675 N。根據(jù)油缸工作壓力的選型原則，初選油缸工作壓力為P0=1MPa，缸徑與桿徑比為0.5，即d=0.5D。根據(jù)公式D=1.13×計算得到缸徑D=68.50 mm，圓整為D=80 mm，因此，桿徑d=40 mm。根據(jù)油缸設(shè)計選型計算公式FPd2)×Pn重新校核工作壓力，得Pn=0.97 MPa。

3 結(jié)語

本研究介紹了一種面向纖維包自動除帶及拆袋機的抱夾車結(jié)構(gòu)，對其抱夾裝置和抱夾支撐部分進行了設(shè)計計算。根據(jù)標準棉包的特性，對抱夾爪的尺寸進行設(shè)計；通過對棉包和各構(gòu)件進行受力分析，確定各個油缸的負載，并對油缸進行選型；根據(jù)工作要求設(shè)計了抱夾爪傳動機構(gòu)的齒輪齒條參數(shù)。該裝置為有效替代傳統(tǒng)的人工除帶工作提供了解決方案，得到如下結(jié)論。

（1）抱夾裝置的夾爪高度1 200 mm，內(nèi)部夾爪長度600 mm，兩夾爪間的開合范圍660 mm~910 mm。

（2）抱夾裝置的抱夾爪根據(jù)計算選擇米思米C-MCXRS-LA-100-ST200-C50-IN-N型臥式油缸，油缸參數(shù)：使用壓力140 kg/cm2，缸徑100 mm，行程5 mm~280 mm，活塞桿前端形狀為IS（外牙），工作溫度-5 ℃~80 ℃。

（3）抱夾爪傳動所需的齒輪參數(shù)為齒數(shù)30，模數(shù)4，直徑120 mm，齒寬60 mm，精度等級8級，材料為40Gr；齒條參數(shù)為長度280 mm，模數(shù)4，齒寬60 mm，精度等級8級，材料為45鋼。

（4）抱夾支撐機構(gòu)的油缸最小工作壓力為0.97 MPa，缸徑80 mm，桿徑40 mm，行程400 mm。