面向服裝面料的柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器吸附性能

劉漢邦， 李新榮， 馮文倩， 吳柳波， 袁汝旺

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)服裝衣物的需求與日俱增，而服裝面料自動(dòng)抓取轉(zhuǎn)移對(duì)服裝衣物的加工生產(chǎn)具有重要意義。為減少勞動(dòng)力成本，提高服裝面料夾持器的抓取效率則顯得尤為重要。目前面料自動(dòng)抓取轉(zhuǎn)移的主要方法有機(jī)械手抓取[1]、負(fù)壓吸附、靜電吸附[2-3]、低溫黏附和非接觸式吸附[4-5]等，他們對(duì)抓取服裝面料具有不同工作原理。其中：Moriya等[6-7]使用機(jī)械手抓取柔軟的毛巾；文獻(xiàn)[8-9]用負(fù)壓吸附的方式成功抓取了皮革和少孔的PES2非織造材料；Zhang等[10]介紹了一種用于航空航天應(yīng)用中物料搬運(yùn)任務(wù)的靜電吸附抓取裝置，可以有效抓取大型織物；Stephan等[11]開發(fā)了一種低溫黏附的冷凍抓手，通過(guò)迅速凍結(jié)冷凍抓手上的水蒸氣來(lái)實(shí)現(xiàn)服裝面料抓取。但上述相關(guān)研究還存在不足之處，例如機(jī)械手容易對(duì)服裝面料產(chǎn)生表面劃痕缺陷，負(fù)壓吸附無(wú)法吸附高透氣性面料，靜電吸附易擊穿面料，低溫粘附的抓取方式也容易對(duì)服裝面料產(chǎn)生“結(jié)構(gòu)凍傷”，均存在一定不可彌補(bǔ)的缺陷。所以為彌補(bǔ)當(dāng)前服裝面料抓取方式的不足之處，Dini等和Ozcelik等[12-13]制造了可以吸附服裝面料的非接觸夾持器，且抓取完成后的服裝面料表面不會(huì)產(chǎn)生任何痕跡。Liu等[14]將非接觸夾持器和Coanda噴嘴結(jié)合，提出了具有更強(qiáng)吸附能力的柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器。綜上，非接觸式吸附以低成本、高效率且無(wú)損害等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為最適合抓取服裝面料的方式[15]。

本文首先對(duì)柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹；然后提出了吸附間隙、抓取效果和提升力3種性能指標(biāo)來(lái)評(píng)估分析服裝面料夾持器的吸附性能；最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了該服裝面料夾持器對(duì)不同織物參數(shù)服裝面料的吸附性能，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論分析

1.1 夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器的基本結(jié)構(gòu)包括Coanda噴嘴和非接觸夾持器，如圖1(a)所示，圖1(b) 示出其工作原理。壓縮空氣(初級(jí)氣流)從節(jié)能裝置入口進(jìn)入儲(chǔ)氣腔，然后經(jīng)過(guò)環(huán)形噴嘴高速流出形成射流，并沿著擴(kuò)散管的內(nèi)壁繼續(xù)流動(dòng)，由于壓縮空氣從環(huán)形噴嘴以超音速射出并沿著附壁曲面擴(kuò)散，會(huì)在喉部直徑出形成低壓區(qū)，以帶動(dòng)周圍氣體進(jìn)入節(jié)能裝置，引導(dǎo)次級(jí)氣流進(jìn)入擴(kuò)散管，且次級(jí)氣流是初級(jí)氣流的2～10倍，最后次級(jí)氣流與初級(jí)氣流混合后一起進(jìn)入非接觸夾持器。由于混合后氣體流量增加，從非接觸夾持器噴出的氣體流速也大幅提升，因此會(huì)在非接觸夾持器底部產(chǎn)生更強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)，以抓取非接觸夾持器底部的服裝面料。與傳統(tǒng)非接觸夾持器相比，柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器可以在相同供給流量的情況下，產(chǎn)生更大的吸附力，并節(jié)省能量消耗。表1示出文中使用的字符所代表的參數(shù)含義。

1—初級(jí)氣流；2—次級(jí)氣流；3—儲(chǔ)氣腔中的氣流；4—非接觸夾持器。

表1 字符命名

1.2 提升力的理論分析

為確定供給氣體流量和提升力之間的關(guān)系，需要作如下假設(shè)：紗線在織物中均勻分布，且紗線內(nèi)纖維緊密結(jié)合；織物中紗線間的孔隙截面為矩形；壓縮空氣在流體通道管內(nèi)得到有效擴(kuò)散，氣流從噴嘴出來(lái)后沿半徑方向向外射出，而沒有在垂直于半徑的方向上發(fā)生氣流交換，且徑向間隔的速度分布是均勻的。

為計(jì)算柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器吸附面上的壓強(qiáng)大小，建立如圖2所示的弧形分析模型。氣體從左端進(jìn)入該弧形體積的速度為，v壓力為p，并以壓力p+dp和速度v+dv從右端離開該弧形體積，其徑向范圍是r+dr，方位角取δ，間隙厚度為h1，氣體以dm(kg/s) 的速度從左到右流經(jīng)弧形。經(jīng)過(guò)理論分析后得到該點(diǎn)處的壓力方程式。

圖2 壓強(qiáng)分析理論模型

(1)

式中：p1為考慮空氣可壓縮性的情況下的壓力分布；p2為在不考慮空氣可壓縮性的情況下的壓力分布。

因此作用在服裝面料上的提升力可以由以下方程得到：

F=P·s

(2)

最后將式(1)和(2)代入式(3)可得：

(3)

式中：f1為考慮空氣可壓縮性情況下的提升力；f2為在不考慮空氣可壓縮性的情況下的提升力。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文研究主要通過(guò)抓取效果測(cè)量實(shí)驗(yàn)、吸附間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)和提升力實(shí)驗(yàn)來(lái)闡釋柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器的吸附性能，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比討論。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

本文使用如圖3所示的設(shè)備來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。用于測(cè)量和抓取的設(shè)備主要包括：機(jī)械手，柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器；空氣壓縮機(jī)(95 L/min)，江蘇東成機(jī)電工具有限公司；I級(jí)電子天平，上海佑科儀器儀表有限公司；YG141型織物厚度測(cè)量?jī)x，萊州市電子儀器有限公司；YG(B)461 D-Ⅱ型數(shù)字織物透氣測(cè)試儀，溫州大榮紡織儀器有限公司；流量調(diào)節(jié)裝置(PFM711 S, 2～100 L/min)，ISE30A-01型氣壓傳感器, SMC(中國(guó))有限公司；LC-2320型測(cè)距儀，基恩士(中國(guó))有限公司；NTJL-1型高精度拉力傳感器，南京天光電氣科技有限公司。本文實(shí)驗(yàn)中使用的柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器的詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表2 參數(shù)設(shè)定值

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

在實(shí)驗(yàn)中主要根據(jù)服裝面料的質(zhì)量、厚度和透氣性3種指標(biāo)來(lái)選擇12種具有不同織物參數(shù)的試樣服裝面料[16]，12種服裝面料試樣的尺寸均為100 mm×100 mm的規(guī)則正方形，且質(zhì)地比較柔軟，服裝面料的其他具體參數(shù)如表3所示。

表3 服裝面料具體參數(shù)

2.2 抓取效果測(cè)量實(shí)驗(yàn)

抓取效果測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示?？露鬟_(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器安裝在機(jī)械手的下方，使用橡膠管將柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器與空氣壓縮機(jī)相連，打開空氣壓縮機(jī)的開關(guān)，使用流量調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)供給氣體流量為設(shè)定值(25、30 、35、40、45 和50 L/min)， 然后調(diào)節(jié)機(jī)械手向下移動(dòng)，使其剛好可抓住服裝面料。

抓取效果測(cè)量實(shí)驗(yàn)的目的是模擬柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器抓取、轉(zhuǎn)移和釋放服裝面料的過(guò)程，在機(jī)械手上的柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器在抓取服裝面料以后會(huì)沿著軌跡運(yùn)動(dòng)(見圖4)，整個(gè)過(guò)程中機(jī)械手的速度設(shè)定為0.1 m/s，先向上移動(dòng)100 mm，然后水平移動(dòng)1 000 mm，最后再向下移動(dòng)100 mm。完成以上操作后，用以下方式評(píng)估抓取效果，圖4中標(biāo)有A、B和C 3段移動(dòng)距離，觀察柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器在A、B和C 3個(gè)位置中服裝面料的掉落情況來(lái)闡釋抓取效果，掉落位置越靠后，抓取效果越好。為保證表2中的1～12號(hào)服裝面料每次抓取、轉(zhuǎn)移和釋放的速度和移動(dòng)距離保持一致性，實(shí)驗(yàn)通過(guò)軟件編程完成上述操作。

1—面料； 2—測(cè)試平臺(tái)。

2.3 吸附間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)

在吸附間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，吸附間隙指的是在測(cè)試平臺(tái)上服裝面料可被柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器提升起來(lái)的間隙高度h，首先將柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器安裝在機(jī)械手上，然后將要測(cè)量的1號(hào)服裝面料放置在機(jī)械手下方的工作平臺(tái)上，供給氣體流量25、30 、35、40 、45和50 L/min分別抓取1號(hào)服裝面料，供給氣體流量的大小通過(guò)流量調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而測(cè)得在不同供給氣體流量下服裝面料和夾持器之間的吸附間隙h，二者的間隙h通過(guò)測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)量并記錄，吸附間隙示意圖如圖5所示。其余表2中的2～12號(hào)服裝面料按照上述1號(hào)服裝面料的測(cè)試方法依次進(jìn)行，最后所有試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量完成后進(jìn)行對(duì)比整理。測(cè)量吸附間隙h是為獲得在穩(wěn)定狀態(tài)下每種服裝面料的最佳供給空氣流量。

1—非接觸末端執(zhí)行器；2—面料；3—測(cè)試平臺(tái)。

2.4 提升力測(cè)量實(shí)驗(yàn)

用于測(cè)量提升力的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 提升力測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)的目的是在不同供給氣體流量下，測(cè)量柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器抓取服裝面料的提升力。拉力傳感器使用的是S型高精度拉力傳感器(NTJL-1)，拉力傳感器通過(guò)導(dǎo)柱連接面料固定裝置，被測(cè)服裝面料固定在面料固定裝置上，該非接觸夾持器的提升力可通過(guò)拉力傳感器測(cè)量出來(lái)。該型號(hào)拉力傳感器的顯示儀表具有清零功能，所以該非接觸夾持器抓取服裝面料的提升力F可通過(guò)顯示儀表直接顯示。最后，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量與計(jì)算，得到在不同供給氣體流量下，柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器抓取服裝面料的提升力實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)果與討論

柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器的抓取性能需要通過(guò)抓取效果測(cè)量實(shí)驗(yàn)、吸附間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)和提升力實(shí)驗(yàn)來(lái)闡明，所以本節(jié)主要對(duì)上述3種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和分析。

3.1 抓取效果測(cè)量實(shí)驗(yàn)分析

表4示出對(duì)表3中12種服裝面料進(jìn)行抓取效果測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可看出，在相同的供給氣體流量下，服裝面料的質(zhì)量越輕越不易掉落，表明對(duì)輕質(zhì)面料有較好的抓取效果，而服裝面料的質(zhì)量越大，其掉落的過(guò)程越靠前；從透氣量來(lái)看，在相同的質(zhì)量下，服裝面料的透氣量越低，抓取效果越好，而服裝面料的厚度對(duì)其抓取效果影響較??；從供給氣體流量來(lái)看，隨著供給氣體流量的增加，其抓取效果越好。

表4 不同氣體流量下的抓取效果測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 吸附間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)分析

為獲得在穩(wěn)定狀態(tài)下每種服裝面料的最佳供給氣體流量，對(duì)表3中12種不同類型的服裝面料進(jìn)行了吸附間隙實(shí)驗(yàn)，圖7示出在不同供給氣體流量下12種服裝面料的吸附間隙測(cè)量情況。從服裝面料的質(zhì)量來(lái)看，質(zhì)量越輕吸附間隙高度越大，質(zhì)量越大吸附間隙越小，這表明在相同的供給氣體流量下，越輕質(zhì)的面料越容易被抓??；從服裝面料的透氣量來(lái)看，在質(zhì)量幾乎相同的面料中，透氣量越小吸附間隙越大，透氣量越大吸附間隙越小，這表明在相同的供給氣體流量下，若不考慮質(zhì)量因素，透氣量越小的織物越容易被抓??；從服裝面料的厚度來(lái)看，厚度對(duì)其吸附間隙高度的影響較小。從供給氣體流量的大小來(lái)看，隨著供給氣體流量的增大，1～12號(hào)試樣服裝面料的吸附間隙均明顯增加。

圖7 吸附間隙測(cè)量結(jié)果

3.3 提升力測(cè)量實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)中主要探討提升力和供給氣體流量的關(guān)系，所以為排除服裝面料質(zhì)量和透氣率的影響，在本文實(shí)驗(yàn)中僅選取1種服裝面料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并在MatLab中繪制了不同供給氣體流量下的提升力變化規(guī)律，圖8示了出號(hào)服裝面料在不同供給氣體流量下實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的對(duì)比結(jié)果。

圖8 供給氣體流量與提升力的關(guān)系

為了獲得供給氣體流量和提升力之間的關(guān)系，在間隙高度為2 mm時(shí)，測(cè)量了供給氣體流量為25、30、35、40、45和50 L/min與提升力之間的關(guān)系。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，隨著供給氣體流量的增大，柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器的吸附能力不斷提高，但供給氣流超過(guò)40 L/min以后，提升力曲線的斜率開始降低，提升能力開始放緩。

3.4 對(duì)比與討論

從吸附間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)和抓取效果測(cè)量實(shí)驗(yàn)來(lái)看，吸附間隙高度和抓取效果主要與服裝面料的質(zhì)量和透氣率有關(guān)，服裝面料的質(zhì)量越輕吸附效果越好，透氣量越低吸附效果越好；從提升力測(cè)量實(shí)驗(yàn)中可以看出，隨著供給氣體流量的增大，柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器的提升力明顯增加，但與仿真模擬結(jié)果相比，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值較小，分析誤差產(chǎn)生的原因主要是由于數(shù)值模擬采用的是理想數(shù)學(xué)模型，而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)存在系統(tǒng)誤差，并且供給氣流的穩(wěn)定性以及測(cè)試過(guò)程中的裝配誤差都會(huì)影響柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器的吸附效果。通過(guò)對(duì)比分析，可以得到，在相同的供給氣體流量下，對(duì)抓取效果影響最大的因素是織物質(zhì)量，其次是透氣率，最后是織物厚度。

4 結(jié) 論

本文研究系統(tǒng)地分析了柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及吸附原理,并建立抓取服裝面料的提升力理論模型，提出了抓取效果測(cè)量、吸附間隙測(cè)量和提升力測(cè)量3個(gè)因素來(lái)評(píng)估分析服裝面料夾持器的吸附性能，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比討論，得出以下結(jié)論。

1)從吸附間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)和抓取效果測(cè)量實(shí)驗(yàn)中可以得到，在相同的供給氣體流量下，服裝面料的質(zhì)量越輕吸附效果越好，服裝面料的透氣率越低吸附效果越好。

2)從提升力測(cè)量實(shí)驗(yàn)中可知，隨著供給氣體流量的增加，柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器抓取服裝面料的提升力也不斷增加，但受制于非接觸夾持器內(nèi)部參數(shù)的影響，當(dāng)供給氣體流量達(dá)到40 L/min以后，提升能力開始變緩。

3)對(duì)柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器抓取服裝面料吸附性能影響最大的因素是服裝面料的質(zhì)量和供給氣體流量，其次是透氣率，最后是織物厚度。

研究結(jié)果表明，柯恩達(dá)效應(yīng)式非接觸夾持器能夠抓取服裝面料，滿足服裝自動(dòng)化的使用要求。本文研究?jī)?nèi)容為解決服裝面料自動(dòng)抓取和轉(zhuǎn)移的行業(yè)難題提供了新的解決方法，為提高服裝行業(yè)的自動(dòng)化提供了技術(shù)支撐。