紙質(zhì)板材運輸及訂制機器人的設(shè)計與研究

馬 宏 池小宇 侯滿哲 王月亭 孫冰心

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省張家口市宣化第一中學(xué)，河北 張家口 075000)

紙質(zhì)板材運輸及訂制機器人的設(shè)計與研究

馬 宏1池小宇2侯滿哲1王月亭1孫冰心1

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省張家口市宣化第一中學(xué)，河北 張家口 075000)

紙質(zhì)板材作為一種生產(chǎn)資料，在生產(chǎn)和生活中具有大量應(yīng)用.因其材質(zhì)柔軟，力學(xué)特性復(fù)雜，難以進行自動化作業(yè).本文針對紙質(zhì)板材中用量最大的紙張，設(shè)計了一套用于紙張自動運輸及訂制的設(shè)備及其控制系統(tǒng)，旨在克服目前各大院校大量純手工訂制試卷費時費力的問題.本設(shè)計采用了機電一體化的設(shè)計思想，對試卷訂制機器人的整體功能、驅(qū)動裝置、傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行了分析和設(shè)計，從而設(shè)計一款經(jīng)濟、實用、高可靠性的設(shè)計方案.該機結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、具備一定的自動化程度，具備極高的安全性，能夠?qū)崿F(xiàn)試卷訂制過程的自動化訂制，增加了試卷訂制作業(yè)的效率，省去了大量的重復(fù)性勞動.也為紙質(zhì)板材自動化作業(yè)提供了一定的參考方案.

紙質(zhì)板材；機器人；自動化

0 引 言

紙質(zhì)板材在生產(chǎn)和生活中具有大量應(yīng)用，但是因其材質(zhì)柔軟，力學(xué)特性復(fù)雜，難以進行自動化作業(yè)，特別是在零散的小批量作業(yè)過程中，基本全是由手工完成.紙張是該類板材中最具代表性的，其力學(xué)性質(zhì)最為復(fù)雜，自動化作業(yè)程度也最困難.其中尤以將紙張訂制為試卷的過程為典型，因為試卷不僅訂制困難而且用量巨大且作業(yè)零散.從1999年，我國開始高等教育改革以后，我國的在校大學(xué)生考試逐步增加，到2004年的時候，已經(jīng)增加至2468.1萬人，近兩年來這個人數(shù)保持了繼續(xù)的增長.面對這樣的龐大的在校人數(shù)，按照每生每學(xué)年參加10項試卷考試來計算，我國每年需要訂制的試卷數(shù)量將達到2.47億份.然而這項工作幾乎都是由手工作業(yè)完成的，特別是訂制試卷的過程，大多數(shù)情況都是由人工按照順序?qū)⒏黜撛嚲碚砗煤笥闷胀ǖ挠啎麽斨贫?這種重復(fù)性勞動往往需要多人配合，分別負責(zé)整理、訂制、計數(shù)、排序等工作，特別是負責(zé)訂制的人，在連續(xù)訂制幾十份以后就會出現(xiàn)疲勞，肌肉發(fā)酸等不適狀態(tài)，這種作業(yè)消耗了大量的人力.為解決此類問題，需要有一種適用于紙質(zhì)板材小批量作業(yè)的自動化設(shè)備.

1 整機設(shè)計參數(shù)

(1)人工成批將試卷按照順序整理好，置于訂制區(qū)，訂制機器人能自動完成試卷訂制并做計數(shù).

(2)訂制機器人在訂制作業(yè)前進行性安全監(jiān)測，保證絕對安全的情況下進行作業(yè)，保證相關(guān)人員的安全.

(3)試卷訂制過程不能對試卷造成額外傷害.

(4)自動訂制循環(huán)節(jié)拍：不超過10秒鐘.

2 整機結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

2.1 整體設(shè)計的基本原則

(1)功能要求

要求機器人可完成試卷的訂制作業(yè)，整機使用便捷、存放容易、操作使用方便、工作安全可靠、重量輕、效率高、噪聲低，滿足辦公室的日常使用.

(2)經(jīng)濟性的要求

機器的經(jīng)濟性是機械設(shè)計的一個重要方面，體現(xiàn)在設(shè)計、制造等多個環(huán)節(jié).本機器人要求適應(yīng)一般辦公室使用，屬于便攜式的小型設(shè)備，在實現(xiàn)功能要求的前提下，必須保證結(jié)構(gòu)接單，運行穩(wěn)定，維護方便.

2.2 整機設(shè)計方案

整機設(shè)計方案包括：機架、C形壓桿、彈簧、凸輪、接近開關(guān)A、螺釘、電機、普通訂書器、螺釘、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、擋塊、接近開關(guān)B、安全按鈕和控制系統(tǒng)，其中機架的下部右側(cè)安裝有擋塊，接近開關(guān)B安裝在機架下部的中間位于擋塊的左側(cè)，安全開關(guān)安裝在機架的下部左側(cè)面，普通訂書器安裝在機架下部的上表面，位于機架下部的右側(cè)且位于擋塊的后面，普通訂書器的下板通過螺釘安裝在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上部，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的下部與機架固定連接，C形壓桿安裝在機架的中部，位于普通訂書器的正上方，C形壓桿上端與機架中部之間安裝有彈簧，彈簧處于壓縮狀態(tài)，C形壓桿的上面與凸輪接觸，凸輪連接在電機的輸出軸上，電機通過螺釘安裝在機架的上部，接近開關(guān)A安裝在機架的上部位于凸輪的右側(cè)，接近開關(guān)A的安裝高度低于凸輪旋轉(zhuǎn)一周的最高高度，接近開關(guān)A的安裝高度高于凸輪旋轉(zhuǎn)一周的最低高度，控制系統(tǒng)為智能控制系統(tǒng)，其控制程序由后文詳述.

2.3 設(shè)計示意圖

設(shè)計示意圖如圖1，圖中1.整理好的試卷，2.機架，3.C形壓桿，4.彈簧，5.凸輪，6.接近開關(guān)A，7.螺釘，8.電機，9.普通訂書器，10.螺釘，11.旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，12.擋塊，13.接近開關(guān)B，14.安全按鈕.

圖1

2.4 控制程序

本機操作控制程序描述如下：開始→檢測安全按鈕是否按下，否，返回開始處；是，檢測是否有試卷放置在接近開關(guān)A處，否，返回上一步，是，電機工作，帶動凸輪旋轉(zhuǎn)→延時0.5秒→繼續(xù)旋轉(zhuǎn)→接近開關(guān)B檢測凸輪是否旋轉(zhuǎn)一周，否，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，是，停止電機→結(jié)束，如圖2.本機動作節(jié)拍如表1所示.

圖2

2.5 整機動作節(jié)拍

本機動作節(jié)拍如表1所示.

表1 系統(tǒng)動作節(jié)拍

2.6 整機操作過程

下面以多頁試卷訂制過程為例，展示本機操作過程：

(1)人工整理試卷.

操作者預(yù)先安裝多頁的試卷的順序?qū)⒏黜撛嚲戆错樞蛘碚R.

(2)試卷釘制.

操作者將整理好的多頁試卷放在機架下部的上表面上，向右推動試卷并將使得試卷裝訂側(cè)的邊界靠在擋塊的左側(cè)，然后按下安全按鈕.這時接近開關(guān)B檢測到有試卷，電機帶動凸輪開始旋轉(zhuǎn)，凸輪的凸出一側(cè)逐步靠近C形壓桿的上表面，并開始擠壓C形壓桿，使得C形壓桿向下移動，C形壓桿的下端壓在普通訂書器的上端，使普通訂書器的上部向下運動，訂制多頁試卷，電機繼續(xù)工作，凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，凸輪的凸出一側(cè)遠離C形壓桿的上表面，使得C形壓桿失去壓力，由于彈簧處于壓縮狀態(tài)，C形壓桿收到彈簧向上的彈力而向上移動，普通訂書器的上部由于自身的彈力向上運動，此試卷自動滑落存儲區(qū)，機器人并自動記錄數(shù)量，為后續(xù)整理做準備.當(dāng)凸輪的凸出一側(cè)轉(zhuǎn)動到最上面的時候，觸發(fā)接近開關(guān)A，單片機控制電機定制轉(zhuǎn)動，完成一次循環(huán).

(3)加放訂書器釘.

當(dāng)普通訂書器中存放的訂書器釘使用完了，操作者手動松開旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的鎖緊裝置，然后利用旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)功能將普通訂書器順時針水平旋轉(zhuǎn)90°，打開普通訂書器的上部，裝好釘，閉合普通訂書器的上部，再利用旋轉(zhuǎn)機構(gòu)11的旋轉(zhuǎn)功能將普通訂書器逆時針水平回轉(zhuǎn)90°，然后手動擰緊轉(zhuǎn)機構(gòu)的鎖緊裝置，完成加放訂書器釘.

系統(tǒng)具備預(yù)設(shè)計數(shù)功能，使用前輸入預(yù)支試卷數(shù)量，如30，當(dāng)定制完成第30份試卷的時候，系統(tǒng)停止作業(yè)，以示提示.待再次啟動后，可以繼續(xù)作業(yè).

3 結(jié) 論

本設(shè)計在滿足設(shè)計功能的要求下，對各種可行的結(jié)構(gòu)方案和電氣元件進行分析，從中選出符合經(jīng)濟性、適用性的技術(shù)方案，力爭在最大范圍內(nèi)降低了整機成本，并具備安裝簡單、運行可靠等特點，具體如下：

(1)本機自動控制技術(shù)實現(xiàn)了試卷的半自動訂制，提高了訂制效率，減輕了工作人員的勞動強度.

(2)本機設(shè)置了安全按鈕，作業(yè)時，一只手持試卷另一只手按壓安全按鈕，避免了作業(yè)過程中操作人員誤將另一只手伸入訂制區(qū)造成傷害的風(fēng)險.

(3)本機體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，使用便攜，可以“隨用隨取，用完收起”，特別適用于辦公室小批量試卷的訂制.

(4)本機利用市面上普通的訂書器作為執(zhí)行末端，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，成本低廉，同時如遇斷電等意外情況，可將普通訂書器拆出繼續(xù)手動作業(yè)，保證完定制任務(wù).

[1]殷言言,苗蘊慧,段麗妮.在校大學(xué)生旅游消費費用的指數(shù)分析[J].經(jīng)濟師,2016(1):236～238

[2]Fang Tea Hyun.Deteetion and diagnosis of sensor and actuator failures using perception net.Proeeedings of the SICE Annual Conferenee,1999,7:893～896

[3]馬宏,侯滿哲,郭全花,等.建筑板材安裝機器人自動供料系統(tǒng)的研究設(shè)計[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報,2015(4)

[4]侯滿哲,馬宏,王立坤,等.某糕點切片機機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報,2015(3)

Research on Robot of Paper Board Transport and Custom

MAHong1,CHIXiao-yu2,HOUMan-zhe1,WANGYue-ting1,SUNBin-xin1

(1.Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering，Zhangjiakou 075000；2.The first high school in Xuanhua of Hebei Zhangjiakou,Zhangjiakou 075000)

As a kind of production material,paper board has a large number of applications in production and life.Because of its soft material and complex mechanical properties,it is difficult to carry out automatic operation.According to the amount of paper paper sheet in the largest,one set for the automatic paper transport and custom equipment and control system design,to overcome the present universities a number of pure handmade paper time-consuming problem.This design adopts the design of electromechanical integration,the overall function,test drive,custom robot drive system and control system analysis and design,so that the design of the system of economy,practicality and high reliability. The machine has the advantages of compact structure,simple operation,with a certain degree of automation,has high security,can realize the process automation test custom custom,custom paper increases the efficiency of operation,save a lot of repetitive work.It also provides a certain reference technical scheme for the automatic operation of paper board.

Paper Board;Robot;Automation

2016-11-23

2016河北省科技廳科技計劃項目(項目編號：16211820)；2016河北建筑工程學(xué)院校級科研基金青年基金項目(項目編號：2016XJJQN04);2016河北建筑工程學(xué)院青年基金項目(項目編號：項目編號：2016XJJQN06)

馬宏(1987-)，講師，主要從事機器人技術(shù)、自動化設(shè)備、儀器儀表等方向的研究.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.026

TV 213

A