□ 唐 虹 □ 徐 超 □ 胡 鵬 □ 王小龍

西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 西安 710072

在測力傳感器生產(chǎn)領(lǐng)域中，大量使用電阻式應(yīng)變片作為測力敏感器件。將應(yīng)變片粘貼在金屬彈性體應(yīng)變場表面，當(dāng)彈性體受力變形時(shí)，電阻式應(yīng)變片將變形情況以電阻值的形式來反映所受載荷大小。

根據(jù)力傳感器的不同型號和功能要求，應(yīng)變片的粘貼方式分為平面粘貼和孔內(nèi)粘貼兩種，如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片粘貼的自動(dòng)化，已經(jīng)研制成功了基于機(jī)器人的彈性體平面貼片設(shè)備，并已投入工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際使用［1］。應(yīng)變片孔內(nèi)粘貼不同于平面粘貼，需要使用透明膠帶作為輔助材料，以確保應(yīng)變片在彈性體變形孔內(nèi)與膠液接觸后不發(fā)生位置偏移，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片的準(zhǔn)確、牢固粘貼。目前，國內(nèi)力傳感器生產(chǎn)領(lǐng)域中尚未實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片的孔內(nèi)自動(dòng)化粘貼技術(shù)，因此，為解決孔內(nèi)自動(dòng)貼片技術(shù)中輔助膠帶的自動(dòng)輸送問題，本文提出一種基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的膠帶自動(dòng)纏繞裝置，該裝置采用PLC控制，通過伺服電機(jī)和氣動(dòng)元件實(shí)現(xiàn)透明膠帶的自動(dòng)抓取、拉送和定尺寸裁剪工作，將為自動(dòng)化孔內(nèi)貼片的實(shí)現(xiàn)提供可靠的硬件功能保證。

▲圖1 平面貼片和孔內(nèi)貼片效果圖對比

根據(jù)實(shí)際功能需要，該裝置需要實(shí)現(xiàn)以下功能：首先，自動(dòng)運(yùn)動(dòng)至工作區(qū)域；其次，自動(dòng)抓取膠帶并拉送至目標(biāo)位置；第三，自動(dòng)裁剪膠帶，使定尺寸的輔助膠帶準(zhǔn)確放置于送片執(zhí)行器表面；第四，可靠抓取膠帶裁剪后的剩余部分，并自動(dòng)退回待機(jī)區(qū)域。

1 總體方案設(shè)計(jì)

膠帶自動(dòng)纏繞裝置由執(zhí)行單元、控制單元和人機(jī)交互單元3部分組成，其組成和功能關(guān)系如圖2所示。執(zhí)行單元中，運(yùn)動(dòng)板推送氣缸將整個(gè)執(zhí)行裝置適時(shí)推至工作位置；曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將膠帶夾具送至膠帶起始夾持位置；膠帶夾具在微動(dòng)氣缸作用下夾緊膠帶，并在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下將膠帶拉送至送片執(zhí)行器表面；膠帶裁剪裝置將膠帶裁剪至規(guī)定尺寸?？刂茊卧蒔LC和工控機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)膠帶拉送裁剪過程中的操作處理、運(yùn)動(dòng)控制、信號傳輸和信息處理等功能。人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)操作人員對裝置單步和自動(dòng)操作、運(yùn)行狀態(tài)顯示以及程序修改等功能。

▲圖2 裝置組成及功能關(guān)系

▲圖3 裝置工作流程示意圖

裝置的工作流程如圖3所示。第一，運(yùn)動(dòng)板推送氣缸，將整個(gè)執(zhí)行裝置推至工作區(qū)域；第二，伺服電機(jī)將膠帶夾具送至膠帶夾持位置；第三，膠帶夾具夾緊膠帶，在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下將膠帶拉送至送片執(zhí)行器表面；第四，裁剪裝置動(dòng)作將膠帶裁剪至規(guī)定尺寸；第五，膠帶夾具打開，然后運(yùn)動(dòng)至膠帶初始夾持位置，夾緊剩余膠帶；最后，推送氣缸將執(zhí)行裝置拉回待機(jī)位置。

2 執(zhí)行單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該膠帶自動(dòng)纏繞裝置為伺服電機(jī)和氣動(dòng)元件共同驅(qū)動(dòng)下的復(fù)合型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，既包括平面直線運(yùn)動(dòng)，也含有空間曲線運(yùn)動(dòng)。裝置主要由4個(gè)執(zhí)行單元組成，分別為運(yùn)動(dòng)板推送單元、曲柄搖桿單元、膠帶夾持單元和裁剪單元，裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1 運(yùn)動(dòng)板推送單元

推送單元由推送氣缸和導(dǎo)軌滑塊運(yùn)動(dòng)副組成，分別選用德國FESTO公司的DMM緊湊型單作用氣缸和日本THK公司SR15V型直線導(dǎo)軌滑塊系統(tǒng)，設(shè)計(jì)推送氣缸連接器（圖4所示），連接氣缸軸與運(yùn)動(dòng)板，實(shí)現(xiàn)裝置的可靠就位及歸位。

2.2 曲柄搖桿單元

曲柄搖桿單元由伺服電機(jī)、曲柄、搖桿和相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈組成，是整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心。由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄凸輪旋轉(zhuǎn)，通過鉸鏈帶動(dòng)搖桿作空間曲線運(yùn)動(dòng)，使安裝于搖桿末端的膠帶夾具到達(dá)要求的工作位置。曲柄搖桿單元需要根據(jù)工作區(qū)域要求的空間位置詳細(xì)計(jì)算出運(yùn)動(dòng)軌跡和相關(guān)尺寸 （尺寸及軌跡計(jì)算見后文），以滿足工作區(qū)域精確的位置要求。

2.3 膠帶夾持單元

膠帶夾持單元由上夾鉗、柔性鉸鏈、夾具氣缸和下底板4部分組成，如圖5所示。下底板焊接在曲柄搖桿單元的搖桿末端，一端為膠帶夾持部分，另一端為氣缸安裝板，中間部分為安裝上夾鉗的雙耳；上夾鉗安裝在下底板的雙耳上，能夠繞雙耳旋轉(zhuǎn)，上下夾鉗接觸面刻有增加摩擦力的凹槽；上夾鉗通過柔性連接鉸鏈與氣缸輸出桿連接，當(dāng)夾具氣缸動(dòng)作時(shí)，可實(shí)現(xiàn)上夾鉗的夾緊與松開，完成透明膠帶的夾緊、拉送、松開和再次夾緊的工作流程。

▲圖4 裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖5 膠帶夾持單元結(jié)構(gòu)圖

▲圖6 PLC控制結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 裁剪單元

裁剪單元由裁剪直線氣缸、支架、刀座和刀片組成，當(dāng)膠帶夾具將透明膠帶拉至送片執(zhí)行器表面并張緊時(shí)，裁剪氣缸動(dòng)作，推動(dòng)刀片直線運(yùn)動(dòng)，將膠帶可靠裁剪，裁剪尺寸由刀片間距確定。裁剪完成后，裁剪氣缸帶動(dòng)刀片復(fù)位，剩余膠帶粘貼于膠帶支撐架表面，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)膠帶夾具再次運(yùn)動(dòng)至起始位置，夾緊剩余膠帶。

3 控制單元設(shè)計(jì)

3.1 PLC運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

該膠帶自動(dòng)纏繞裝置共包括1個(gè)伺服電機(jī)和3個(gè)單作用直線運(yùn)動(dòng)氣缸，PLC需準(zhǔn)確控制4個(gè)自由度的空間運(yùn)動(dòng)，同時(shí)應(yīng)精確協(xié)調(diào)伺服電機(jī)和膠帶夾具氣缸的運(yùn)動(dòng)時(shí)序。PLC主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)字量輸入輸出信號的管理，包括裝置急停信號、各種按鈕的開關(guān)量識別信號、時(shí)序脈沖信號、電磁閥控制信號等，同時(shí)還完成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指示和故障報(bào)警燈控制等功能。PLC控制伺服電機(jī)采用位置控制模式，通過發(fā)送定頻率脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器，設(shè)置規(guī)定的電子齒輪比，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的定速運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，PLC通過控制3個(gè)氣動(dòng)電磁閥的開關(guān)量信號來實(shí)現(xiàn)對3個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)控制。該裝置選用三菱FX2N-24MR-001型PLC，提供24個(gè)I/O端口，通過RS232串口與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。控制單元結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.2 上位軟件設(shè)計(jì)

通過在工控機(jī)上運(yùn)行上位軟件完成對PLC的程序輸入和功能控制。上位軟件由C#高級語言編制，包含于孔貼片設(shè)備的總體控制程序之中。主要功能包括人機(jī)信息交互、單步/自動(dòng)程序切換、操作權(quán)限管理、運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、PLC信息處理和編寫運(yùn)動(dòng)控制程序等。裝置運(yùn)行時(shí)，上位軟件接收人機(jī)界面的控制命令，選擇單步運(yùn)行或自動(dòng)運(yùn)行，通過RS232接口與PLC進(jìn)行信息交互，控制PLC發(fā)出脈沖信號或開關(guān)量信號，進(jìn)而控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作，實(shí)現(xiàn)透明膠帶的可靠拉送和裁剪。

4 動(dòng)力學(xué)分析及計(jì)算

曲柄搖桿單元最合理的運(yùn)動(dòng)軌跡是實(shí)現(xiàn)膠帶夾緊、拉送、裁剪和歸位等功能的關(guān)鍵要素，因此，曲柄搖桿單元的相關(guān)尺寸和運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。本文使用MATLAB軟件對曲柄搖桿單元的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行計(jì)算，使用ADAMS軟件對運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真。

4.1 建立模型

使用SolidWorks軟件建立曲柄搖桿單元的三維模型，如圖7（a）所示，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的功能要求暫定各零件尺寸，配合各運(yùn)動(dòng)副之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。將文件轉(zhuǎn)換為Parasolid格式，導(dǎo)入ADAMS軟件中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，如圖 7（b）所示。

4.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

在曲柄搖桿單元中，影響其運(yùn)動(dòng)軌跡的參數(shù)有曲柄的偏心距a、搖桿長度l、支撐點(diǎn)B距曲柄旋轉(zhuǎn)軸線的水平距離x、豎直距離y，如圖8所示，對這些參數(shù)的優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)膠帶夾持單元（Q點(diǎn)）的最佳運(yùn)動(dòng)軌跡。

根據(jù)膠帶自動(dòng)纏繞裝置在孔貼片設(shè)備工作臺面上的位置布局和尺寸要求，對曲柄偏心距a和搖桿長度l初始賦值為40 mm和290 mm，設(shè)未知參數(shù)為支撐點(diǎn)B距曲柄旋轉(zhuǎn)軸線的水平距離x和垂直距離y。為了保證膠帶夾持單元在空間運(yùn)動(dòng)過程中與送片執(zhí)行器C及膠帶支撐架之間不發(fā)生干涉，設(shè)Q點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡需要滿足的約束條件為：以YZ平面上20 mm×27 mm的矩形模擬膠帶夾持單元，圍繞C點(diǎn)作空間回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，矩形在回轉(zhuǎn)曲線上運(yùn)動(dòng)時(shí)任意一點(diǎn)與C點(diǎn)的距離大于9 mm。將此約束條件在MATLAB軟件中，按照幾何關(guān)系編程，計(jì)算出滿足此約束條件的x、y的取值范圍，并在相交區(qū)域確定適宜的x、y值。計(jì)算結(jié)果如圖9所示，橫線區(qū)域表示滿足條件的取值范圍，x取值范圍為40～190 mm，y取值范圍為0～30 mm。根據(jù)交叉線表示的最優(yōu)解，取 x=160 mm，y=18 mm。

▲圖7 曲柄搖桿單元三維模型圖

▲圖8 曲柄搖桿單元尺寸分析示意圖

▲圖9 MATLAB計(jì)算x、y取值結(jié)果

4.3 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

▲圖10 仿真結(jié)果示意圖

▲圖11 曲柄搖桿運(yùn)動(dòng)過程受力分析

根據(jù)計(jì)算出的參數(shù)值x和y可以確定支撐點(diǎn)B的準(zhǔn)確空間位置，進(jìn)而確定模型的最終位置尺寸。在ADAMS軟件中對模型施加各種約束和驅(qū)動(dòng)力，完成運(yùn)動(dòng)仿真前的條件設(shè)置并得到最終運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，如圖10所示，該曲線能滿足膠帶夾持單元的軌跡要求。

根據(jù)仿真結(jié)果，可求出機(jī)構(gòu)的位移、速度、力、力矩等動(dòng)力學(xué)特性曲線。

4.4 機(jī)構(gòu)受力分析及電機(jī)校核

曲柄搖桿單元在工作中的受力狀態(tài)分為兩種，一種是未帶負(fù)載空轉(zhuǎn)的過程，另一種是夾緊膠帶拉送的過程。第二種過程中機(jī)構(gòu)負(fù)載較大，曲柄搖桿所受力為運(yùn)動(dòng)部件的重力在運(yùn)動(dòng)方向上的分力、摩擦力及膠帶粘貼力之和，機(jī)構(gòu)受力情況如圖11所示。

運(yùn)動(dòng)部件和滑塊之間使用THK直線軸承，摩擦因數(shù)μ=0.006，忽略摩擦力；G為運(yùn)動(dòng)部件所受重力，N；G1為其在運(yùn)動(dòng)方向上的分量；F為膠帶粘貼力，N；θ為重力方向與運(yùn)動(dòng)方向的夾角，（°）。根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡和幾何分析，θ 的取值范圍為 69°≤θ≤99°，G1=Gcosθ，當(dāng) θ=69°時(shí)，cosθ取最大值，因此G1也取最大值。曲柄搖桿單元的總質(zhì)量m為0.53 kg，膠帶粘貼力F為4.21 N，取安全系數(shù)f為1.4，運(yùn)動(dòng)方向的最大載荷Fa為：

最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的力臂即為曲柄偏心距a。伺服電機(jī)需要克服的最大轉(zhuǎn)矩：

電機(jī)轉(zhuǎn)速n=60 r/min，則輸出功率：

因此選擇松下50 W伺服電機(jī)即能夠滿足要求。

5 結(jié)論

綜上所述，該套基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的膠帶自動(dòng)纏繞裝置能夠?qū)崿F(xiàn)孔貼片設(shè)備中輔助膠帶拉送、放置和定尺寸裁剪的功能要求，可應(yīng)用于自動(dòng)化孔貼片設(shè)備的整體設(shè)計(jì)和研制中，并具有一定的設(shè)計(jì)參考價(jià)值。

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