面向牙刷姿态柔性调节的工装设计和执行机构的研究

张良安，刘 俊，李鹏飞，张守明

（安徽工业大学，安徽 马鞍山 234000）

0 前言

随着国家政策的指引、控制技术和机器视觉技术的不断进步，智能制造成为未来制造业的发展趋势。中国具有庞大的人口基数，随着农村地区消费市场不断发展和城镇化推进，中国的牙刷需求在快速增长[1]。牙刷需求量的增加促进了牙刷发展，牙刷生产已经由全手工制作的小作坊，逐步升级到机械化、规模化的流水线生产。批量化的生产促使牙刷成本降低，低成本的牙刷加速了牙刷的普及。正循环地促进了牙刷的发展。近年来，随着牙刷市场竞争越来越激烈，促使企业不断改革创新，牙刷制造开始朝着智能化生产升级，牙刷生产智能化是牙刷未来发展的方向[2]。

随着中国制造业的发展，牙刷工业开始向着规模化、产业集聚化发展。牙刷生产通常包括注塑、注胶、植毛、磨毛、包装等工序。目前国内对于注塑和植毛两个工序研究较多，其自动化程度相对于包装工序也高很多。牙刷为口腔卫生用品，其他行业的现有包装设备对牙刷的自动化流程适应性较低。国内的自主牙刷品牌生产企业相比于合资企业、国外企业的自动化程度较低，随着中国人口红利的日益弱化，国内的自主品牌牙刷生产企业对牙刷自动化生产线的需求逐渐迫切。以中国目前需求量最大的手动牙刷为例，设计面对牙刷姿态柔性调节的工装，该工装能够在包装工序中实现牙刷姿态调整，从而实现牙刷姿态一致，为牙刷自动化包装提供技术支持。

1 牙刷姿态调节的工装设计

1.1 工装设计需求分析

吸塑罩壳包装因其美观性和保护性、包装成本、生产普及性和便利性、包装工艺的自动化程度等各方面的表现广泛应用于中低端牙刷包装中[3]。牙刷装入吸塑罩壳前为适应自动化包装的需求，第一步要调整牙刷不堆叠地随输送线运动，牙刷在输送线上的常见8种姿态：刷毛部位于输送线的前端或者后端：刷毛部朝上、朝下、朝向左侧和朝向右侧；如图1中图中箭头所示为输送线的运动方向，图1左侧所示，刷毛部均位于输送线的后端，一个刷毛部侧向设置，另一个刷毛部朝下设置。如图1右侧所示，刷毛部均侧向设置，两个刷毛部分别位于输送线的前端、后端。

图1 牙刷在输送线上的常见姿态

戴亦宗[4]提出了一种对牙刷柄精确姿态调整的机械机构和与其配合的控制方法，但是对于牙刷柄在植毛后，因其刷毛部容易磨损变形，上述植毛工序的刷柄送料方式不适用于包装工序的牙刷送料和姿态调整。沈伟[5]提出需要先建立牙刷产品特征库，根据不同牙刷品种的特点选择合适的特征组合作为支持向量机的输入特征，利用机器视觉姿态识别过程复杂。由此可见，采用机器视觉和机器人组合对于上述姿态进行精确识别较为困难且采用机器人对上述姿态进行直接调节至姿态一致会导致其末端执行机构较为复杂。因此需要一种柔性的定位工装设计，利用牙刷自身的结构特点，常见牙刷的形状类似长方体，质量分布：刷毛部质量小，刷柄握持端质量大，实现牙刷姿态的柔性调整。

1.2 定位工装设计的具体结构

如图2所示，牙刷定位工装有底部基板和三个平行设置的端部限位板、刷毛端卡板和刷柄卡板，刷毛端卡板设置在端部限位板和刷柄端卡板之间，刷毛端卡板中开有间隔均匀的第一矩形通槽，第一矩形通槽的口径略大于牙刷对应刷柄处的宽度，第二矩形通槽的口径大于牙刷对应刷柄处的宽度，牙刷刷毛部位于刷毛端卡板与端部限位板之间，牙刷能够在外力的作用绕其轴线转动以调整刷毛部的朝向。矩形通槽的底部为平面，牙刷以刷毛部朝向两侧、朝上或者朝下稳定在刷毛端卡板与刷柄卡板中。

图2 牙刷定位工装

当牙刷的刷柄两端分别与第一矩形通槽、第二矩形通槽相接触时，如图3上方所示，刷毛部朝下的牙刷上边缘高度大于刷毛部朝下设置的牙刷上边缘高度，如图3下方所示，刷毛部朝向左侧或者右侧的牙刷上边缘的高度大于刷毛部朝下设置的牙刷上边缘高度。利用牙刷朝下设置时，牙刷刷毛部上边缘的高度低于来进行后续的牙刷姿态调整。

图3 牙刷在牙刷定位工装中不同姿态

2 牙刷姿态调整的执行机构

2.1 牙刷姿态调整的原理

配置牙刷端部推送机构，保证牙刷刷毛部所在的一端与端部限位板相接触，保证牙刷端部平齐。基于刷毛部朝向不同的牙刷在定位工装中的高度不同，设置牙刷姿态调整机构。

2.2 刷毛部朝向两侧的牙刷姿态调整

如图4所示，与牙刷定位工装配合使用的第一执行机构，牙刷调整机构包括齿形压板和限位压板，齿形压板和限位压板同步竖直运动，齿形压板中开有间隔均匀的第三矩形齿槽，第三矩形齿槽的宽度大于刷毛部对应刷柄的宽度且小于牙刷刷毛的高度，限位压板和齿形压板竖直向下运动，牙刷刷毛部相对运动进入齿形压板的第三矩形齿槽内部，刷毛部朝向两侧的牙刷与第三矩形齿槽接触，转动迫使牙刷刷毛部朝下转动，限位压板与远离刷毛部的刷柄一端接触，限制牙刷绕其轴线转动的幅度。

图4 第一执行机构

2.3 刷毛部朝上的牙刷姿态调整

在第一执行机构的下游设置第二执行机构，对于刷毛部朝上的牙刷，利用其上端高度高于刷毛部朝下的牙刷，如图5所示，第二执行机构包括均布的拨板，拨板位于刷毛部的正上方，拨板竖直向下运动，拨板位于间隔的牙刷刷毛部之间，拨板沿水平方向运动，拨板最低位的下边缘高于刷毛部朝下设置的牙刷柄高度且低于牙刷刷毛部朝上设置的刷毛部的高度，从而实现仅对刷毛部朝上的牙刷进行转动以调整其姿态。

图5 第二执行机构

经第二执行机构拨动后，牙刷姿态基本统一，沿输送方向可以配置多个间隔设置的调整机构和第二调整机构对牙刷的姿态进行进一步精细调整。

2.4 牙刷刷毛部姿态的多次调整

在调整机构和第二调整机构之间均设置端部调整机构，用于调整牙刷柄在牙刷定位工装中端部平齐，精确定位牙刷刷毛部的位置。

第一执行机构和第二执行机构及其之间的牙刷端部推输送机构存在一组牙刷刷毛部姿态调整机构，可以设置经过实际应用效果，设置多组刷毛部姿态调整机构对牙刷刷毛部姿态进行多次调整。一般经过两组刷毛部姿态调整机构调整后牙刷姿态基本稳定，下游配置视觉检测机构，牙刷定位工装中如果存在刷毛部非朝下姿态的牙刷，则为定位工装中的全部牙刷进行剔除。

3 实验效果

产品的样机已经做出，以国内某知名牙刷的畅销型牙刷进行试验，对样机进行了为期两周的测试，牙刷姿态调整效果达到预期要求，姿态调整合格率达到95%，配合视觉检测机构和剔除机构，非刷毛部朝下的牙刷姿态检出率100%，能够达到食品级工业应用的要求。

4 结语

该定位工装和对应的调整机构是基于牙刷能够不堆叠有序来料的前提下进行设计，对于刷毛部为软毛牙刷，传统的理料机或者送料方式，例如振动盘、离心盘或者提升机在高速送料时，对于刷毛部都存在一定的磨损。牙刷为入口的清洁用品，刷毛部存在磨损的牙刷是不能让步接收的，因此目前还在探寻一种可行经济且高效的牙刷来料方式，以实现具有明显经济效益的工业应用。