面向牙刷姿態(tài)柔性調(diào)節(jié)的工裝設(shè)計(jì)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究

張良安，劉 俊，李鵬飛，張守明

（安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 234000）

0 前言

隨著國(guó)家政策的指引、控制技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能制造成為未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。中國(guó)具有龐大的人口基數(shù)，隨著農(nóng)村地區(qū)消費(fèi)市場(chǎng)不斷發(fā)展和城鎮(zhèn)化推進(jìn)，中國(guó)的牙刷需求在快速增長(zhǎng)[1]。牙刷需求量的增加促進(jìn)了牙刷發(fā)展，牙刷生產(chǎn)已經(jīng)由全手工制作的小作坊，逐步升級(jí)到機(jī)械化、規(guī)?；牧魉€生產(chǎn)。批量化的生產(chǎn)促使牙刷成本降低，低成本的牙刷加速了牙刷的普及。正循環(huán)地促進(jìn)了牙刷的發(fā)展。近年來，隨著牙刷市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，促使企業(yè)不斷改革創(chuàng)新，牙刷制造開始朝著智能化生產(chǎn)升級(jí)，牙刷生產(chǎn)智能化是牙刷未來發(fā)展的方向[2]。

隨著中國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，牙刷工業(yè)開始向著規(guī)?；a(chǎn)業(yè)集聚化發(fā)展。牙刷生產(chǎn)通常包括注塑、注膠、植毛、磨毛、包裝等工序。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于注塑和植毛兩個(gè)工序研究較多，其自動(dòng)化程度相對(duì)于包裝工序也高很多。牙刷為口腔衛(wèi)生用品，其他行業(yè)的現(xiàn)有包裝設(shè)備對(duì)牙刷的自動(dòng)化流程適應(yīng)性較低。國(guó)內(nèi)的自主牙刷品牌生產(chǎn)企業(yè)相比于合資企業(yè)、國(guó)外企業(yè)的自動(dòng)化程度較低，隨著中國(guó)人口紅利的日益弱化，國(guó)內(nèi)的自主品牌牙刷生產(chǎn)企業(yè)對(duì)牙刷自動(dòng)化生產(chǎn)線的需求逐漸迫切。以中國(guó)目前需求量最大的手動(dòng)牙刷為例，設(shè)計(jì)面對(duì)牙刷姿態(tài)柔性調(diào)節(jié)的工裝，該工裝能夠在包裝工序中實(shí)現(xiàn)牙刷姿態(tài)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)牙刷姿態(tài)一致，為牙刷自動(dòng)化包裝提供技術(shù)支持。

1 牙刷姿態(tài)調(diào)節(jié)的工裝設(shè)計(jì)

1.1 工裝設(shè)計(jì)需求分析

吸塑罩殼包裝因其美觀性和保護(hù)性、包裝成本、生產(chǎn)普及性和便利性、包裝工藝的自動(dòng)化程度等各方面的表現(xiàn)廣泛應(yīng)用于中低端牙刷包裝中[3]。牙刷裝入吸塑罩殼前為適應(yīng)自動(dòng)化包裝的需求，第一步要調(diào)整牙刷不堆疊地隨輸送線運(yùn)動(dòng)，牙刷在輸送線上的常見8種姿態(tài)：刷毛部位于輸送線的前端或者后端：刷毛部朝上、朝下、朝向左側(cè)和朝向右側(cè)；如圖1中圖中箭頭所示為輸送線的運(yùn)動(dòng)方向，圖1左側(cè)所示，刷毛部均位于輸送線的后端，一個(gè)刷毛部側(cè)向設(shè)置，另一個(gè)刷毛部朝下設(shè)置。如圖1右側(cè)所示，刷毛部均側(cè)向設(shè)置，兩個(gè)刷毛部分別位于輸送線的前端、后端。

圖1 牙刷在輸送線上的常見姿態(tài)

戴亦宗[4]提出了一種對(duì)牙刷柄精確姿態(tài)調(diào)整的機(jī)械機(jī)構(gòu)和與其配合的控制方法，但是對(duì)于牙刷柄在植毛后，因其刷毛部容易磨損變形，上述植毛工序的刷柄送料方式不適用于包裝工序的牙刷送料和姿態(tài)調(diào)整。沈偉[5]提出需要先建立牙刷產(chǎn)品特征庫(kù)，根據(jù)不同牙刷品種的特點(diǎn)選擇合適的特征組合作為支持向量機(jī)的輸入特征，利用機(jī)器視覺姿態(tài)識(shí)別過程復(fù)雜。由此可見，采用機(jī)器視覺和機(jī)器人組合對(duì)于上述姿態(tài)進(jìn)行精確識(shí)別較為困難且采用機(jī)器人對(duì)上述姿態(tài)進(jìn)行直接調(diào)節(jié)至姿態(tài)一致會(huì)導(dǎo)致其末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。因此需要一種柔性的定位工裝設(shè)計(jì)，利用牙刷自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常見牙刷的形狀類似長(zhǎng)方體，質(zhì)量分布：刷毛部質(zhì)量小，刷柄握持端質(zhì)量大，實(shí)現(xiàn)牙刷姿態(tài)的柔性調(diào)整。

1.2 定位工裝設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，牙刷定位工裝有底部基板和三個(gè)平行設(shè)置的端部限位板、刷毛端卡板和刷柄卡板，刷毛端卡板設(shè)置在端部限位板和刷柄端卡板之間，刷毛端卡板中開有間隔均勻的第一矩形通槽，第一矩形通槽的口徑略大于牙刷對(duì)應(yīng)刷柄處的寬度，第二矩形通槽的口徑大于牙刷對(duì)應(yīng)刷柄處的寬度，牙刷刷毛部位于刷毛端卡板與端部限位板之間，牙刷能夠在外力的作用繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)以調(diào)整刷毛部的朝向。矩形通槽的底部為平面，牙刷以刷毛部朝向兩側(cè)、朝上或者朝下穩(wěn)定在刷毛端卡板與刷柄卡板中。

圖2 牙刷定位工裝

當(dāng)牙刷的刷柄兩端分別與第一矩形通槽、第二矩形通槽相接觸時(shí)，如圖3上方所示，刷毛部朝下的牙刷上邊緣高度大于刷毛部朝下設(shè)置的牙刷上邊緣高度，如圖3下方所示，刷毛部朝向左側(cè)或者右側(cè)的牙刷上邊緣的高度大于刷毛部朝下設(shè)置的牙刷上邊緣高度。利用牙刷朝下設(shè)置時(shí)，牙刷刷毛部上邊緣的高度低于來進(jìn)行后續(xù)的牙刷姿態(tài)調(diào)整。

圖3 牙刷在牙刷定位工裝中不同姿態(tài)

2 牙刷姿態(tài)調(diào)整的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.1 牙刷姿態(tài)調(diào)整的原理

配置牙刷端部推送機(jī)構(gòu)，保證牙刷刷毛部所在的一端與端部限位板相接觸，保證牙刷端部平齊。基于刷毛部朝向不同的牙刷在定位工裝中的高度不同，設(shè)置牙刷姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)。

2.2 刷毛部朝向兩側(cè)的牙刷姿態(tài)調(diào)整

如圖4所示，與牙刷定位工裝配合使用的第一執(zhí)行機(jī)構(gòu)，牙刷調(diào)整機(jī)構(gòu)包括齒形壓板和限位壓板，齒形壓板和限位壓板同步豎直運(yùn)動(dòng)，齒形壓板中開有間隔均勻的第三矩形齒槽，第三矩形齒槽的寬度大于刷毛部對(duì)應(yīng)刷柄的寬度且小于牙刷刷毛的高度，限位壓板和齒形壓板豎直向下運(yùn)動(dòng)，牙刷刷毛部相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入齒形壓板的第三矩形齒槽內(nèi)部，刷毛部朝向兩側(cè)的牙刷與第三矩形齒槽接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)迫使牙刷刷毛部朝下轉(zhuǎn)動(dòng)，限位壓板與遠(yuǎn)離刷毛部的刷柄一端接觸，限制牙刷繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的幅度。

圖4 第一執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.3 刷毛部朝上的牙刷姿態(tài)調(diào)整

在第一執(zhí)行機(jī)構(gòu)的下游設(shè)置第二執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)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，如圖5所示，第二執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括均布的撥板，撥板位于刷毛部的正上方，撥板豎直向下運(yùn)動(dòng)，撥板位于間隔的牙刷刷毛部之間，撥板沿水平方向運(yùn)動(dòng)，撥板最低位的下邊緣高于刷毛部朝下設(shè)置的牙刷柄高度且低于牙刷刷毛部朝上設(shè)置的刷毛部的高度，從而實(shí)現(xiàn)僅對(duì)刷毛部朝上的牙刷進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)以調(diào)整其姿態(tài)。

圖5 第二執(zhí)行機(jī)構(gòu)

經(jīng)第二執(zhí)行機(jī)構(gòu)撥動(dòng)后，牙刷姿態(tài)基本統(tǒng)一，沿輸送方向可以配置多個(gè)間隔設(shè)置的調(diào)整機(jī)構(gòu)和第二調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)牙刷的姿態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步精細(xì)調(diào)整。

2.4 牙刷刷毛部姿態(tài)的多次調(diào)整

在調(diào)整機(jī)構(gòu)和第二調(diào)整機(jī)構(gòu)之間均設(shè)置端部調(diào)整機(jī)構(gòu)，用于調(diào)整牙刷柄在牙刷定位工裝中端部平齊，精確定位牙刷刷毛部的位置。

第一執(zhí)行機(jī)構(gòu)和第二執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其之間的牙刷端部推輸送機(jī)構(gòu)存在一組牙刷刷毛部姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以設(shè)置經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用效果，設(shè)置多組刷毛部姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)牙刷刷毛部姿態(tài)進(jìn)行多次調(diào)整。一般經(jīng)過兩組刷毛部姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整后牙刷姿態(tài)基本穩(wěn)定，下游配置視覺檢測(cè)機(jī)構(gòu)，牙刷定位工裝中如果存在刷毛部非朝下姿態(tài)的牙刷，則為定位工裝中的全部牙刷進(jìn)行剔除。

3 實(shí)驗(yàn)效果

產(chǎn)品的樣機(jī)已經(jīng)做出，以國(guó)內(nèi)某知名牙刷的暢銷型牙刷進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了為期兩周的測(cè)試，牙刷姿態(tài)調(diào)整效果達(dá)到預(yù)期要求，姿態(tài)調(diào)整合格率達(dá)到95%，配合視覺檢測(cè)機(jī)構(gòu)和剔除機(jī)構(gòu)，非刷毛部朝下的牙刷姿態(tài)檢出率100%，能夠達(dá)到食品級(jí)工業(yè)應(yīng)用的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

該定位工裝和對(duì)應(yīng)的調(diào)整機(jī)構(gòu)是基于牙刷能夠不堆疊有序來料的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于刷毛部為軟毛牙刷，傳統(tǒng)的理料機(jī)或者送料方式，例如振動(dòng)盤、離心盤或者提升機(jī)在高速送料時(shí)，對(duì)于刷毛部都存在一定的磨損。牙刷為入口的清潔用品，刷毛部存在磨損的牙刷是不能讓步接收的，因此目前還在探尋一種可行經(jīng)濟(jì)且高效的牙刷來料方式，以實(shí)現(xiàn)具有明顯經(jīng)濟(jì)效益的工業(yè)應(yīng)用。