手套自動脫模機機械手部分設計及電氣部分設計

1、1 引言11 膠乳手套行業(yè)的前景 20 世紀 80 年代以來隨著人類免疫缺陷性病毒hiv的出現(xiàn)和對血液疾病傳播途徑的了解 以及各種傳染病的傳播越來越猖狂，醫(yī)護人員戴手套的人數(shù)大大增加。目前，天然乳膠手套已不僅僅應用于醫(yī)療人員在生產(chǎn)生活的各個方面乳膠手套都得到了廣泛的應用。現(xiàn)在全世界乳膠手套每年的需求量在 300 億只左右而這一數(shù)字仍將不斷的增長。近幾年內(nèi)每年的遞增量可望在 510，個別產(chǎn)品會更多些，可望翻番；10 年后的增長率也將保持在 4左右1。 10 年內(nèi)發(fā)展中國家對膠乳制品的需求量的增長速 近度明顯地高于發(fā)達國家，我國對膠乳制品的需求量也呈快速上升的趨勢，一些產(chǎn)品的需求量有了較大幅度增長

2、。例如，檢查手套就由前幾年的 3000 萬只增長到 1999 年 1.75億只，成為增長最快的一個品種2。1.2 我國膠乳制品技術水平狀況 我國膠乳制品工業(yè)是建國后發(fā)展起來的加工工業(yè)，主要產(chǎn)品有醫(yī)療器具、計劃生育器具、勞動和日常生活防護用品、玩具及軍工配套用品等 5 大類，70 多個品種。40 多年來，我國已發(fā)展成為全球第三大膠乳制品生產(chǎn)國。產(chǎn)品除滿足國內(nèi)需求外，還有 1/3出口，是我國國民經(jīng)濟不可缺少的一個行業(yè)4。經(jīng)過幾年的整頓，在市場經(jīng)濟中優(yōu)勝劣汰，全國尚有膠乳制品生產(chǎn)企業(yè) 100 來家，年產(chǎn)值 16 億元左右，年耗膠量約 5.5 萬噸，居世界第三位5 我國膠乳制品的生產(chǎn)歷史雖然不短，生產(chǎn)

3、總量也不少，但是生產(chǎn)技術和管理進步的步伐始終不大，生產(chǎn)裝備水平、產(chǎn)品質(zhì)量、包裝質(zhì)量、新產(chǎn)品開發(fā)、名牌意識等等方面都不盡人意。1.2.1 生產(chǎn)裝備水平較差，生產(chǎn)效率低 我國膠乳制品中很多產(chǎn)品的裝備技術都比較落后。以膠乳手套為例，我國的生產(chǎn)線一般為 5070 米長，還是人工控制聯(lián)動機、人工脫模、人工包裝，每只都要吹氣檢查，勞動生產(chǎn)率比較低。而國外的生產(chǎn)線都達 80-120 米長，微機控制、 自動脫模、自動包裝，無須每只都吹氣檢查，只需抽檢。因此，我國單位產(chǎn)品的人工耗用量是國外先進水平的 6 倍，能耗也比國外先進水平高 50左右?？傮w說來，我國乳膠制品生產(chǎn)工藝技術并不落后，如新鮮膠乳低溫長時間硫化技

4、術是我國的創(chuàng)舉，電腦控制的 24 頭漏水檢測儀也是我國首創(chuàng)。但裝備水平卻有明顯差距，化工輔料、原料膠乳也比國外先進水平低一個檔次。1.2.2. 產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，不穩(wěn)定 我國的一些生產(chǎn)企業(yè)都比較重視技術進步和管理，加大了技術投入，采用新技術，都獲得了產(chǎn)品質(zhì)量認證證書。產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，某些質(zhì)量指標也達到國際先進水平，近幾年來不斷地在國際市場上中標。而醫(yī)用手套、檢查手套等產(chǎn)品因各企業(yè)的重視程度不同，技術投入和管理水平的差距，而使質(zhì)量差異較大。玩具氣球的生產(chǎn)也比較穩(wěn)定，但花色品種還不夠多樣化，顏色也不夠鮮艷，因此也影響了銷售量的進一步提高，仍然進不了國外超級市場。1.2.3 新產(chǎn)品開發(fā)速度慢，跟不上發(fā)

5、展的需要 國外除了專門的研究機構進行基礎研究外，各企業(yè)都有自己的研究機構，著重進行應用研究，而且很能抓住使用者的心態(tài)，進行預見性的開發(fā)，新產(chǎn)品層出不窮。自 90年代以來，醫(yī)用手套有照明、殺菌、報警、聚氨酯等類型；還有無粉、無塵、表面有滑爽劑等等；家用手套有多彩型、耐穿刺型、耐油型等等；氣球則有多色印花、云彩型、特異型、自動密閉型。我國卻缺乏抓住市場信息及時開發(fā)引導市場消費的開拓精神，往往落后 5 年左右，得不到前期市場的高額回報。1.2.4 包裝質(zhì)量還未全面上檔次，影響市場形象。 我國企業(yè)的生產(chǎn)大多為出口，而定單式的需求也只是單一的品種，有的更是貼標生產(chǎn)，所以只在個別產(chǎn)品系列上注重包裝。國內(nèi)的

6、市場需求還比較少，同時生產(chǎn)設備的自動化程度不高，質(zhì)量不穩(wěn)定。因此不可能帶動自主品牌意識的增強。 綜上所述，我國膠乳制品業(yè)在綜合技術水平方面與國外先進水平相比還存在著差距，在企業(yè)逐步做大做強理念的驅(qū)動下，產(chǎn)品品種多樣化、多元化、銷售網(wǎng)絡化、管理現(xiàn)代化、企業(yè)規(guī)?；芾頇C制和理念不斷轉(zhuǎn)變同時，更應該加大技術投入，提高工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度，才能使我國乳膠制品企業(yè)早日跨入世界先進行列。1.3 未來膠乳技術的發(fā)展方向 我國雖然是膠乳制品生產(chǎn)大國，但卻還不是生產(chǎn)強國，隨著科技進步的推動，人們生活水平的提高，加上膠乳制品本身固有的特性和不可替代性，國內(nèi)外對膠乳制品的需求量都在不斷增長，其市場容量將會越來越大

7、。 本次設計題目即是應某膠乳企業(yè)的要求，對該廠的乳膠手套自動生產(chǎn)線中的脫模工藝流程進行自動脫模設計，進一步提高其自動化程度。實現(xiàn)工業(yè)自動化，不僅能提高產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，減少原材料和能量的消耗，降低生產(chǎn)成本，而且可以改善勞動條件，保證生產(chǎn)安全，增強企業(yè)的競爭力和市場適應性，取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。工業(yè)生產(chǎn)自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)技術發(fā)展的主要趨勢之一。工業(yè)自動化（又稱工廠自動化，簡稱fafactory automation）對于許多企業(yè)來說，已不僅僅是一個單純提高勞動生產(chǎn)率的問題，發(fā)動國家的企業(yè)家把它作為決定企業(yè)未來前途的長遠戰(zhàn)略來考慮。自動化作為一項企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營管理模式是科學技術與生產(chǎn)力

8、水平發(fā)展到一定規(guī)模的產(chǎn)物。在競爭空前激烈的市場經(jīng)濟中，自動化對于一個具有一定規(guī)模的企業(yè)來說是生死攸關的7。美國著名的麥道制造和工程公司總裁克萊西說： “現(xiàn)代企業(yè)面臨兩種選擇：要么自動化，要么破產(chǎn)?！? 設計任務和方案擬定 本次設計題目是設計一套手套自動脫模機機械手部分的機械設計及脫模機電氣控制部分設計（機架及同步傳動部分的機械部分設計由張飛同學完成），查閱資料并進行方案論證，確定總體設計方案，包括繪制機械部分的總裝配圖并進行機身結構，導軌及傳動部分結構、機械手結構、超程保護、電器驅(qū)動部分的安裝結構的計算及設計，同時繪制相應的部裝圖及零件圖。另外繪制出電器系統(tǒng)的主要模塊硬件電路圖，并設計出相應的

9、程序框圖。要求能實現(xiàn)對運動的手模同步跟蹤。同步最大跟蹤速度 28 米/分。脫模，脫膜行程 190 毫米。設計裝置不能對產(chǎn)品產(chǎn)生破壞性的積壓和撕扯不能阻撓和碰撞生產(chǎn)設備。使用過程中抓取失誤率不能高于 0.05。要求能實現(xiàn)對半脫模的手套實現(xiàn)自動抓取，整理、輸送和計數(shù)。2.1 手套產(chǎn)品介紹 自動脫模系統(tǒng)的主要脫模對象為：pvc聚氯乙烯手套和丁睛手套，它們具有相似的化學和物理性能，其圖樣如圖2-1所示。 下面就pvc材料的化學和物理性能進行簡單介紹。pvc（聚氯乙烯樹脂）：由氯乙烯單體（ch 2 clch 2 c1）經(jīng)聚合而成的高分子化合物，平均分子量50000150000，結構呈線性高分子聚合物。根

10、據(jù)聚合工藝不同分為懸浮聚合樹脂和乳液聚合樹脂（糊樹脂）。生產(chǎn)pvc手套選用糊樹脂，其平均聚合度12001800，粒子直徑小于50微米，工業(yè)品為白 色或淺黃色粉末，相對密度1.4，含氯量5658，低分子量的易溶于酮類、酯類和 4 氯代烴類溶劑 。有極好的耐化學腐蝕性。 手掌 pvc樹脂本身熱穩(wěn)定性較差，110以上開 始熱分解，顏色變黃，同時釋放出氯化氫。 手腕 pvc樹脂加入增塑劑，穩(wěn)定劑等助劑配制成 糊，具有粘度低、穩(wěn)定性好，脫泡性能優(yōu) 良等特點，是生產(chǎn)pvc手套的主要原料。pvc 袖口 手套具有耐化學腐蝕性、阻燃性、強度高 且易于加工等優(yōu)點 因而在手套業(yè)中占有 卷唇 一席之地。但是pvc手套

11、表面發(fā)澀、發(fā)粘 不能脫模且使用時難以脫戴 要達到手感 光滑的要求就必須加入潤滑脫膜劑。產(chǎn)品 pvc手套廣泛用于日常生活，具有衛(wèi)生防護 圖 2-1 手套圖樣 作用，使用方便，防護性能好，安全無毒，深受用戶歡迎。產(chǎn)品在發(fā)達國家及地區(qū)擁有廣闊的市場。產(chǎn)品從種類上分為有粉手套（工藝中，在手套表面附著少量玉米粉，以保持手套的滑爽性）和無粉手套（工藝中，以pu處理劑替代玉米粉，起到相同的作用）；從級別上分，主要有醫(yī)療級手套和工業(yè)級手套（區(qū)分指標主要是針眼率的大?。?；從型號上分為xs號、s號、m號、l號、xl號，加長型、加厚型、加長加厚型等。經(jīng)調(diào)研，產(chǎn)品主要分布在有粉工業(yè)級和無粉醫(yī)療級的s號、m號、l號、x

12、l號上，其中m號，l號為主要產(chǎn)品。pvc手套主要型號檢驗標準見表2-1。 表2-1 pvc手套檢驗標準2.2 產(chǎn)品工藝流程的了解 為了保證 pvc 手套的使用性能，在生產(chǎn)過程中對生產(chǎn)工藝要求特別嚴格。首先將主要原料及助劑在專用容器中按一定比例攪拌混合成乳液，經(jīng)過濾、抽真空、靜置等環(huán)節(jié)后，用泵將混合料送入生產(chǎn)流水線中的浸漬槽中。在正常生產(chǎn)狀況下，流水線上的手模自動進入浸漬槽，粘附乳液的手模依次從浸漬槽中出來，行進中不斷轉(zhuǎn)動，以使手模表面上的乳液均勻，并使多余的乳液垂滴下來。垂滴下來的液體經(jīng)收集槽返回浸漬槽中。垂滴完多余乳液后的手模隨生產(chǎn)線移動進入烘箱，烘箱溫度控制在 230250 攝氏度，在此條

13、件下，手摸上的乳液熟化成型。從烘箱出來的手模經(jīng)過自然冷卻、卷唇、沾粉等工序，人工將手套從手模上卸下，手模連續(xù)向浸漬槽行進。卸下的手套經(jīng)除粉后即為成品入庫。為了更深刻的了解手套生產(chǎn)過程，我們記錄了其中兩道工藝流程，如下： 有粉手套工藝流程： 配料攪拌過濾靜置脫泡粘料垂滴烘烤冷卻卷唇沾粉（玉米粉）脫模脫粉質(zhì)檢包裝入庫 無粉手套工藝流程： 配料攪拌過濾靜置脫泡粘料垂滴烘烤冷卻pu 水處理烘烤冷卻卷唇脫模質(zhì)檢包裝入庫2.3 機械手工作方案的確立2.3.1 現(xiàn)有生產(chǎn)線情況 我國在80年代已引進這種手套的生產(chǎn)線數(shù)十條目前已發(fā)展到數(shù)百條。這些生產(chǎn)線基本都是從東南亞國家及臺灣引進所以生產(chǎn)線的型式基本一樣且生產(chǎn)

14、線的自動化程度較高但最明顯的不足之處是成品手套的人工脫模。目前國內(nèi)外塑料手套生產(chǎn)線的基本型式為封閉鏈條傳動式手套模懸掛在鏈條上隨其連續(xù)運動所以在成品手套脫模過程中脫模機械手必須有與生產(chǎn)線鏈條運動相同的同步運動。因此在自動脫膜系統(tǒng)中必須根據(jù)本道工序的特點、生產(chǎn)類型，以及手模的形狀，運行的速度以及周圍空間的大小進行方案設計。2.3.2 提出具體方案 采用與鏈條同步運動的輪盤帶動的導軌驅(qū)動斜楔張合式機械手。并行移動的機械手和手模同步運行，運行到相應位置滾輪和導軌接觸，受到壓力使得斜楔向下移動，機械手的兩個擺動桿在彈簧的作用下閉合，使擺動桿上的活動爪靠緊在手模的腕部。將手套邊緣吹到活動爪上，在向前移動

15、的過程中斜楔再次上移使擺動桿張開到掌部寬度。同時支架在滾輪的作用下橫向移動，將手套脫下，在前方再次使擺動桿閉合，在風力的作用下吹入料箱內(nèi)。該方案擬采用43個掛在鏈條上循環(huán)轉(zhuǎn)動的推拉機械手，每個機械手上分別有斜楔機構，可分別脫模手套。只要實現(xiàn)機械手和手模的同步，在合適位置放置開合擺桿，完全可實現(xiàn)對手套的脫取和放置。2.3.3 機械手具體動作（如圖2-3所示） 1 到位 脫模機械手設計成往復運動，機械手在完成脫模工作時必須夾緊在下一個脫模循環(huán)開始又必須張開到位使機械手與手模同步到達脫模位置。 （2）夾緊 運行到相應位置滾輪和導軌接觸，受到壓力使得斜楔向下移動，機械手的兩個擺動桿在彈簧的作用下閉合，

16、使擺動桿上的活動爪靠緊在手模的腕部。 3 吹氣 傳感器測試到機械手與手模同步后立即用真空泵吹氣使已脫下的部分緊緊吹附在機械手的左、右手上 產(chǎn)生脫模的撐力。 3 張開 由于模具的掌部寬度大于腕部所以機械手在撐住手套已脫下的腕部后要張開以便進行右移的脫模動作。 4 右移 在與手摸同步前進的過程中，機械手緊緊貼著腕部向右移動成品手套便從模具上被翻著脫下來。 5 縮緊 手套脫模后需將機械手縮緊。這樣手套便落于機械手拖板上。 6 吹放 機械手前移到定點時通過風機產(chǎn)生的風力便將脫下模的手套吹入料箱內(nèi)。 上述方案對半脫模的手套實現(xiàn)了自動抓取，整理、輸送和計數(shù)等功能，并且機構簡單、檢測方便、定位準確、容易控制

17、，完全可以滿足脫模要求。2.4 機械手的循環(huán)圖設計 在間歇作用型的自動機械中 產(chǎn)品在機器中周期性地承受加工 其順序給出兩相鄰產(chǎn)品之間的時間間隔稱為“工作循環(huán)”。機械手的工作循環(huán)圖如圖2-3 所示。 斜楔在開始時位置上升，作用在滾輪上使兩擺動桿張開，避免與手模接觸碰撞，于手模同步一段距離后，斜楔下降，擺動桿閉合，活動爪貼合在手模上，高壓吹氣使手套吹到活動爪上，行進一段，斜楔再次上升擺動桿連同活動爪撐開手套，同時橫向?qū)к墡拥准苌蠞L輪橫向移動，這樣手套被脫下。此時，斜楔再次落下，擺動桿閉合，手套落于托架上，被風機吹入料箱。之后橫向?qū)к壴俅我龑У准芑氐绞帜Ｏ路剑瓿梢粋€工作循環(huán)，進行下一次循環(huán)。2.

18、5 建立三維設計思想 隨著 cad 基礎理論和應用技術的不斷發(fā)展，以及 cad 系統(tǒng)的功能也越來越高。設計人員不再僅僅滿足于借助 cad 系統(tǒng)來達到“甩圖版”的目的。而是希望它能從本質(zhì)上減輕大量簡單煩瑣的工作量，使他們能集中精力于那些富有創(chuàng)造性的高層次思維活動中。由于三維 cad 系統(tǒng)具有可視化好、形象直觀、設計效率高、以及能為企業(yè)數(shù)字化的各類應用環(huán)節(jié)提供完整的設計、工藝、制造信息等優(yōu)勢，使其取代傳統(tǒng)的純二維 cad 系統(tǒng)已成為歷史發(fā)展的必然。 本方案從設計思路的提出到產(chǎn)品成型，整個過程大量應用了 solidworks 三維設計軟件。在提出初步方案后，利用 solidworks 強大和簡單易用

19、的建模功能，建立了直觀的三維模型。通過對立體模型的性能分析，進一步掌握了方案的各項性能及存在缺點。然后針對具體問題進行具體分析，并做出完善措施。并且 solidworks 提供動態(tài)分析功能，使得在設計過程中可以檢查產(chǎn)品應用過程中會產(chǎn)生的碰撞和超載。在完成對整個方案的建模和動態(tài)分析后，可以結合 cae 直接進行零件加工。但是，由于當前加工技術的局限，只能根據(jù)傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)換成二維工程圖。solidworks 提供三維實體轉(zhuǎn)化成二維工程圖的插件，從而節(jié)省了大量的時間，并且提高了繪圖質(zhì)量。完成二維工程圖后，可以由二維轉(zhuǎn)換為三維實體來檢測一些未知的錯誤，更是避免了資金的浪費。此次設計過程中，充分體現(xiàn)了三維

20、 cad 技術在機械設計過程中的便捷和高效率。3 機械手各結構（零件）的設計 機械零件設計的基本要求是工作可靠、工藝性好和成本低廉。設計計算是根據(jù)零件的工作情況和工作能力準則確定安全條件，用計算法求得零件的主要幾何尺寸，然后再按工藝要求和尺寸調(diào)節(jié)進行結構設計。校核計算是先參考已有實物，圖樣或經(jīng)驗數(shù)據(jù)，初步擬定零件的結構布局和主要幾何尺寸，然后根據(jù)工作能力基準進行效和經(jīng)驗，無論是設計計算還是校核計算，一般均應對某些復雜的物理現(xiàn)象作適當?shù)暮喕缫约欣锎鎸嶋H的分布力，以支撐點代替支撐面等.所以機械零件計算總帶有一定的條件性。為使計算結果更符合實際應多參考已有的成功設計和在實際應用中積累的統(tǒng)計資

21、料，設計工作是一個綜合的反復實踐過程要經(jīng)過多次循環(huán)修改設計方案和設計參數(shù)，才能獲得比較合理的結果，這個過程實質(zhì)上也是一個逐步的宏觀優(yōu)化過程1。3.1.1 機械手機構分析 在進行機械結構設計前，為了改善構件的受力情況應合理選擇和配置運動副的類型，盡量消除各種約束的數(shù)目。繪出機械手的機構簡圖如圖 3-1 所示。 圖 3-1 機械手機構簡圖 在實際機械中，為了增加機構的剛度，保證機械順利通過某些特殊位置需要適當?shù)脑黾悠溥\動副。所以在方案中，機械手夾取部分加入一活動鉸鏈d。當夾取手套時，活動爪可以繞d旋轉(zhuǎn)，一方面保證了與手模的接觸，同時保證了手套的撐開時的有效最大受力。設滾輪支架b與豎直方向的夾角為a

22、，斜楔的速度為v，即v a v，那么滾輪b的速度v b v/sina。又活動抓桿bc上c點速度是以c點為圓心以cd長為半徑的圓周運動。 由此可知處速度： v d v b bd/cd （3-1） 所以為了保證有效的夾取力和夾取速度，v、a、bd、cd等因素必須考慮。3.2 機械手機構設計 1.夾取機械手手部設計 為實現(xiàn)機械手快速準確的與手模同步貼合，同時獲得一定的開合的張力。本方案采取一個對稱的活動擺桿，擺桿上部有一個活動爪，活動爪內(nèi)裝軸承可以繞緊固螺釘有一定的擺動，當活動爪靠近手模時，由于設計的活動爪內(nèi)弧度與手模一致，在彈簧的作用下活動爪可以自然貼合于手模上。同時考慮到，pvc 手套較為柔軟順

23、滑，彈性很好，在高壓氣體的作用下將手套邊緣吹到活動爪上，可能產(chǎn)生到位后又回彈的現(xiàn)象，特此在活動爪上留有一個溝槽，以及兩排防滑的凸點。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，活動爪的所有邊角在鑄造是做成圓角，鑄造后都需要打磨拋光。 圖 3-2 夾取機械手手部 2.擺動桿設計 擺動桿作為活動部件需要有很好位置精度，同時降低使用軸承成本，因此在設計固定軸的時候，設計成一個螺母軸的形式，將軸表面和擺動桿內(nèi)空精磨加工，螺母軸內(nèi)攻螺紋，利用螺栓固定，螺母軸與擺桿配合，即可實現(xiàn)精度要求。同時擺動桿上應可以固定彈簧和滾輪支架。擺桿上要留有一定的空間，可以使活動爪自由轉(zhuǎn)動，又不能有太大的轉(zhuǎn)動空間。 3 .夾緊驅(qū)動機構設計 為了實現(xiàn)擺

24、動桿的張開，閉合、再閉合、再張開，同時滿足輸送鏈的行進需要。因此設計成一個隨導軌運動的斜楔，導軌固定在機架上，按照斜楔所需要的位置變化設計導軌的的高度（如圖 3-3）。再利用擬合曲線將各高度連成一條光滑的曲面，以期減少運動的噪音和磨損。使用一個軸承與曲面接觸，軸承又與斜楔固連在一起。隨導軌上下位置變化的斜楔與固定在擺動桿上的滾輪接觸，同時在彈簧的作用下，即可實現(xiàn)擺桿的動作要求。 圖 3-3 夾緊驅(qū)動部件 4.橫向推拉機構設計 為了實現(xiàn)同步脫離和節(jié)省動力源，采用導軌推拉機構實現(xiàn)對手套的脫離，機構采用固定在底座下的滾動軸承作為推拉滾輪，直接和導軌接觸并橫向移動。對于底架的水平移動，因考慮選用直線導軌較貴，一般導軌又不能保證移動的精度，所以底座通過兩對壓緊的軸承與固定在鏈條上的滑竿形成移動關系，當滾輪隨著導軌移動時，底架即可沿著