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      全自動可調式真空吸盤取紙機結構和設計

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-04-06 20:21:31    瀏覽次數:23    評論:0
      導讀

      針對人工取紙產生的低質量及低效率等問題,提出了一種自動取紙機的設計方案。利用吸盤吸取紙張,絲杠副與蝸輪蝸桿機構調整高度,結合旋轉平臺與直線導軌將紙張移至紙架上。利用SolidWorks中simulation有限元進行結構強度驗證,結果表明此方案設計合理。此設計無需人工參與取紙,效率高且有效地提高了經濟效益。

      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??紤]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。

      1 整體模型 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=,

      (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。

      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5.772×10-4 mm,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4.842×10-5 mm,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。

      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。

      5 旋轉連接平臺軸受力云圖

      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?,F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。

      7 軟件系統結構 8 伺服運行子程序流程圖

      5 樣機與調試

      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。

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      關鍵詞: 紙張吸盤 真空吸盤
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