纸浆磨片搬运机构设计

王 德， 张邦成， 徐 燃， 姜大伟， 张曦予

(1.长春工业大学 机电工程学院， 吉林 长春 130012;2.广东理工学院 工业自动化系， 广东 肇庆 526100;3.长春工业大学 应用技术学院, 吉林 长春 130012)

0 引 言

随着社会经济快速发展，造纸行业对纸浆磨片的需求与日俱增。纸浆磨片[1]的质量质心检测采用人工搬运，搬运次数较多、劳动强度大，存在人工搬运检测效率低及安全问题，限制了造纸行业的发展，随着自动化技术的快速发展，自动化物料搬运成本更低，安全性更高，工业自动化物料搬运机械手设计成为工业领域的研究热点之一[1-2]。结合已有的自动化物料搬运技术，设计一种自动化程度、搬运效率高的纸浆磨片质量质心自动检测纸浆磨片搬运机构具有重要的意义。

目前,结合纸浆磨片特点的纸浆磨片质量质心自动检测纸浆磨片搬运机构研究很少，北京邮电大学李佳[3]仿照天平结构设计一种自动上下料机械手，该机械手一次能转移两个物料，具有效率高、占地面积小、性价比高等特点;姬伟等[4]提出改进人工势场法的避障路径规划方法研制5自由度苹果采摘机械手,解决了在非结构化环境下的采摘机械手实时避障问题;黄珊等[5]采用直角坐标机器人设计一种用PLC控制的智能轮毂搬运机械手，提高轮胎工业生产效率;王雪洁等[6]设计了一种搬运、机床上下料、装配等工作的6自由度工业机器人;杨晓卿等[7]设计了一种立体仓库中搬运超长不锈钢管件的大跨度智能精密机械手。

基于对以上机械手文献的参考分析，结合纸浆磨片的结构特点及纸浆磨片质量质心自动检测工作机理，设计三坐标式4自由度搬运抓取机构,解决在纸浆磨片质量质心自动检测过程中纸浆磨片抓取、搬运的问题。

1 纸浆磨片质量质心自动检测

1.1 纸浆磨片特征

不同型号纸浆磨片质量范围：15～20 kg；尺寸半径：550～1 600 mm；厚度范围：30～40 mm。纸浆磨片型号包括8、10、12、16、20片装等，12片装纸浆磨片如图1所示。

1.2 自动检测流程制定

传统人工搬运纸浆磨片检测流程[8]为：通过工人将传送带上的纸浆磨片搬到检测装置上进行质量质心测量，测量完成后将纸浆磨片放回传送带上，取下一片纸浆磨片进行测量,并重复上述操作，如图2所示。

人工搬运纸浆磨片检测过程中容易造成意外伤害，在放置纸浆磨片时会对检测设备造成冲击和损坏。

制定的纸浆磨片质量质心自动检测流程如下：

首先，应用结合纸浆磨片的结构特点及定位方式设计的纸浆磨片质量质心自动检测的磨片搬运机构将传送带上的纸浆磨片准确抓取、搬运到纸浆磨片质量质心检测装置上,并自动进行位姿调整；然后进行纸浆磨片质量质心测量，测量完成后再将纸浆磨片抓取,搬运到传送带指定位置上，再进行下一片纸浆磨片的质量质心测量。单片纸浆磨片的检测周期在20 s以内，测量并重复上述操作。

2 纸浆磨片搬运机构方案设计

2.1 工作环境及要求

2.1.1 作业空间

纸浆磨片搬运机构的作业空间在原手工搬运为基础的前提下进行空间布局，传送带与纸浆磨片检测装置中心位置之间即纸浆磨片移动位置630 mm，末端夹持机构升降行程80 mm，纸浆磨片质量质心检测装置高度810 mm，传送带高度890 mm。

2.1.2 各轴所需移动的距离

X轴方向上的有效行程为1 600 mm；Y轴方向上的有效行程为160 mm；Z轴方向上的有效行程为80 mm。

2.1.3 自由度确定

纸浆磨片搬运机构自由度一般为3～6个，纸浆磨片搬运机构自由度越多,越灵活,也会越难以控制。技术指标要求纸浆磨片搬运机构抓取纸浆磨片在质量质心检测过程中放置误差≤0.5 mm，搬运机构需要在X、Y、Z轴三个方向上进行直线移动，同时纸浆磨片搬运机构末端夹持器在调整角度过程中需要绕Z轴方向进行转动，因此一共需要4个自由度。

2.1.4 运动轨迹

纸浆磨片搬运机构在搬运纸浆磨片一个周期时间内，2 s内夹取纸浆磨片，5 s时移动到检测平台上端，调整2 s并放置于检测夹具内，5 s内纸浆磨片检测装置完成对纸浆磨片的检测，1 s内夹取纸浆磨片，5 s内将纸浆磨片放回传送带，完成检测工作。整个周期20 s。

2.2 关节机器人式设计方案

当前工业领域如焊接、搬运等常采用关节机器人[9]作为主要生产工具，关节机器人可实现高精度的搬运工作,但是制造成本较高。一台4自由度关节机器人成本约10万元。采用关节机器人结合末端夹持器的设计方案，使整体操作性提高，但是成本较高。

2.3 龙门式设计方案

根据纸浆磨片质量质心检测装置的工作要求及技术参数设计龙门式机械抓取机构，龙门式机构适合负载大、刚度要求高的工况[10]。而龙门式机构的结构设计不适用在纸浆磨片质量质心检测装置中，缺少Y轴方向的自由度，难以实现纸浆磨片的搬运。

2.4 三坐标式设计方案

三坐标式搬运的设计方案源于龙门式搬运方法的改进，增加其在Y轴方向缺失的自由度，同时扩大作业空间。相对于关节机器人式设计方案，不但成本低,而且使用寿命长、工作效率高。综上分析，选用三坐标式设计方案，并对纸浆磨片质量质心自动检测的磨片搬运机构进行设计，三坐标式设计方案如图3所示。

3 纸浆磨片搬运机构设计

设计的纸浆磨片搬运机构主要由底座，X、Y、Z轴向运动机构，末端夹持器三部分组成。

3.1 底座结构设计

底座作为纸浆磨片质量质心自动检测的磨片搬运机构的基础，需要承载X、Y、Z轴方向上的运动机构、末端夹持器、纸浆磨片等，因此,选用8槽100 mm×100 mm高强度铝型材搭建1 800 mm×1 700 mm×800 mm的底座结构。

3.2 X、Y、Z轴向运动机构设计

X轴向有效行程为1 600 mm，Y轴向有效行程为160 mm，Z轴向有效行程为80 mm。X、Y、Z轴向直线运动速度均为500 mm/s。Z轴向主要采用伺服电机与滚珠丝杠相结合的直线运动方式。这样可以在Z轴末端形成X、Y、Z三个轴向的直线运动和末端夹持器在Z轴方向转动共4个自由度。4个自由度的任意调整可以使不同型号纸浆磨片在作业空间内任意位置摆放，如图4所示。

3.3 末端夹持器结构设计

末端夹持器结构是搬运夹取纸浆磨片的重要部件，根据纸浆磨片的结构特征，设计简单化、轻量化的纸浆磨片专用末端夹持器，降低末端夹持器的制造成本，同时增强了末端夹持器的灵活性，获得更高的搬运效率。末端夹持器需要完成不同型号的纸浆磨片抓取搬运，需准确、平稳地将纸浆磨片放置在纸浆磨片质量质心检测装置上。因此,末端夹持器主要由吸取机构、调整机构、夹持机构三部分组成。

3.3.1 调整机构设计

末端夹持器如图5所示。

调整机构对末端夹持器定位有重要作用，见图5(a)，步进电机通过减速器减速与夹持机构夹持板相连接，调整机构按照旋转角度要求绕Z轴进行转动与夹持机构协同抓取纸浆磨片。

3.3.2 吸取机构设计

由于纸浆磨片表面结构特征，不适用气吸式末端夹持器，因而选用电磁式末端夹持器。纸浆磨片单片质量较大，发生故障时会对设备及工人造成伤害，故吸取机构选用通电无磁、断电有磁的失电型电磁铁。选用两个失电型电磁铁形成冗余保护，提高末端夹持器的稳定性，见图5(b)。

3.3.3 夹持机构设计

夹持机构需要足够大的夹持力才能够保证纸浆磨片在夹取过程中不脱落，因此，末端夹持器采用失电型电磁铁和预紧力相结合的结构方式，夹持机构夹持板作为调整机构、吸取机构与夹持机构连接的纽带，夹持板是针对不同型号纸浆磨片做的通用性设计。在夹持板两端卡槽内的弹簧结合夹持器内、外圆橡胶限位板提供夹持力，夹持器内、外圆橡胶限位板可以储存部分夹持力，避免夹持力过大对纸浆磨片造成损坏。在调整机构完成调整后，夹持机构先将外圆橡胶限位板夹持到纸浆磨片的外圆弧上，然后内圆弧橡胶限位板落下夹持到纸浆磨片的内圆弧上。将纸浆磨片放置在质量质心检测装置的测量平台上时，纸浆磨片质量质心检测装置摆放位置见图3，在释放纸浆磨片过程中，先由内圆弧橡胶限位板脱离纸浆磨片的内圆弧，再由外圆橡胶限位板脱离纸浆磨片的外圆弧，完成纸浆磨片的放置工作。

3.4 纸浆磨片搬运机构设计

末端夹持器的吸取机构选用失电型电磁铁，其它各部件均选用非磁性材料的硬质铝合金LY21加工制造。由设计底座，X、Y、Z轴向运动机构，末端夹持器三部分结构进行组合建立的纸浆磨片搬运机构三维模型如图6所示。

4 夹持机构夹持板有限元分析

夹持机构夹持板是整个纸浆磨片搬运机构的关键部件，是决定纸浆磨片搬运机构安全可靠的重要因素。为了保障末端夹持器运行的稳定性、安全性，必须对夹持机构夹持板的结构强度进行分析与校核。硬质铝合金LY21作为末端夹持器夹持板的材料，其拉伸强度470 MPa，屈服强度325 MPa。

4.1 工况分析

有限元仿真结果如图7所示。

夹持板约束及施加载荷见图7(a)，纸浆磨片质量为15～20 kg，在对夹持板进行有限元分析时，负载的总质量为纸浆磨片质量的1.5倍，故极限施加载荷为300 N。A、B两点为夹持板的极限夹取位置，C、D两点为失电型电磁铁的位置，第一种工况下，E处位置没有扭矩限制；第二种工况下，E处需要增加绕Z轴旋转的扭矩。因此,需要对夹持机构夹持板在正常夹取和夹取后调整角度两种工况下分别进行有限元分析[11-12]。

4.2 有限元分析

图7(b)为正常夹取纸浆磨片夹持机构夹持板的最大应力为1.863 MPa，图7(c)为夹取纸浆磨片调整角度后夹持机构夹持板的最大应力为1.871 MPa，由于夹持机构夹取纸浆磨片过程是由调整机构中电机的带动下进行旋转，所以夹持机构夹持板在调整角度前后受力变化相差不大。

仿真结果表明，在以上两种工况下，夹持机构夹持板的结构强度能够满足实际使用要求。

纸浆磨片搬运机构实物如图8所示。

5 结 语

结合纸浆磨片的结构特征，通过对关节机器人式设计方案、龙门式设计方案，以及三坐标式设计方案的分析，最终设计了三坐标式4自由度搬运机构，实现了纸浆磨片在质量质心自动检测过程中纸浆磨片的抓取、搬运功能，解决了人工搬运纸浆磨片检测效率低及安全的问题。同时设计了纸浆磨片搬运机构的末端夹持器结构，具有通用性，并对夹持机构夹持板进行了有限元分析。分析与试验结果表明，设计的纸浆磨片搬运机构具备移动、升降、夹持、旋转等功能，且运行稳定可靠，能够满足纸浆磨片质量质心自动检测过程中磨片的搬运要求。