纸质板材运输及订制机器人的设计与研究

马 宏 池小宇 侯满哲 王月亭 孙冰心

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省张家口市宣化第一中学，河北 张家口 075000)

纸质板材运输及订制机器人的设计与研究

马 宏1池小宇2侯满哲1王月亭1孙冰心1

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省张家口市宣化第一中学，河北 张家口 075000)

纸质板材作为一种生产资料，在生产和生活中具有大量应用.因其材质柔软，力学特性复杂，难以进行自动化作业.本文针对纸质板材中用量最大的纸张，设计了一套用于纸张自动运输及订制的设备及其控制系统，旨在克服目前各大院校大量纯手工订制试卷费时费力的问题.本设计采用了机电一体化的设计思想，对试卷订制机器人的整体功能、驱动装置、传动系统及控制系统进行了分析和设计，从而设计一款经济、实用、高可靠性的设计方案.该机结构紧凑、操作简单、具备一定的自动化程度，具备极高的安全性，能够实现试卷订制过程的自动化订制，增加了试卷订制作业的效率，省去了大量的重复性劳动.也为纸质板材自动化作业提供了一定的参考方案.

纸质板材；机器人；自动化

0 引 言

纸质板材在生产和生活中具有大量应用，但是因其材质柔软，力学特性复杂，难以进行自动化作业，特别是在零散的小批量作业过程中，基本全是由手工完成.纸张是该类板材中最具代表性的，其力学性质最为复杂，自动化作业程度也最困难.其中尤以将纸张订制为试卷的过程为典型，因为试卷不仅订制困难而且用量巨大且作业零散.从1999年，我国开始高等教育改革以后，我国的在校大学生考试逐步增加，到2004年的时候，已经增加至2468.1万人，近两年来这个人数保持了继续的增长.面对这样的庞大的在校人数，按照每生每学年参加10项试卷考试来计算，我国每年需要订制的试卷数量将达到2.47亿份.然而这项工作几乎都是由手工作业完成的，特别是订制试卷的过程，大多数情况都是由人工按照顺序将各页试卷整理好后用普通的订书器钉制而成.这种重复性劳动往往需要多人配合，分别负责整理、订制、计数、排序等工作，特别是负责订制的人，在连续订制几十份以后就会出现疲劳，肌肉发酸等不适状态，这种作业消耗了大量的人力.为解决此类问题，需要有一种适用于纸质板材小批量作业的自动化设备.

1 整机设计参数

(1)人工成批将试卷按照顺序整理好，置于订制区，订制机器人能自动完成试卷订制并做计数.

(2)订制机器人在订制作业前进行性安全监测，保证绝对安全的情况下进行作业，保证相关人员的安全.

(3)试卷订制过程不能对试卷造成额外伤害.

(4)自动订制循环节拍：不超过10秒钟.

2 整机结构方案设计

2.1 整体设计的基本原则

(1)功能要求

要求机器人可完成试卷的订制作业，整机使用便捷、存放容易、操作使用方便、工作安全可靠、重量轻、效率高、噪声低，满足办公室的日常使用.

(2)经济性的要求

机器的经济性是机械设计的一个重要方面，体现在设计、制造等多个环节.本机器人要求适应一般办公室使用，属于便携式的小型设备，在实现功能要求的前提下，必须保证结构接单，运行稳定，维护方便.

2.2 整机设计方案

整机设计方案包括：机架、C形压杆、弹簧、凸轮、接近开关A、螺钉、电机、普通订书器、螺钉、旋转机构、挡块、接近开关B、安全按钮和控制系统，其中机架的下部右侧安装有挡块，接近开关B安装在机架下部的中间位于挡块的左侧，安全开关安装在机架的下部左侧面，普通订书器安装在机架下部的上表面，位于机架下部的右侧且位于挡块的后面，普通订书器的下板通过螺钉安装在旋转机构上部，旋转机构的下部与机架固定连接，C形压杆安装在机架的中部，位于普通订书器的正上方，C形压杆上端与机架中部之间安装有弹簧，弹簧处于压缩状态，C形压杆的上面与凸轮接触，凸轮连接在电机的输出轴上，电机通过螺钉安装在机架的上部，接近开关A安装在机架的上部位于凸轮的右侧，接近开关A的安装高度低于凸轮旋转一周的最高高度，接近开关A的安装高度高于凸轮旋转一周的最低高度，控制系统为智能控制系统，其控制程序由后文详述.

2.3 设计示意图

设计示意图如图1，图中1.整理好的试卷，2.机架，3.C形压杆，4.弹簧，5.凸轮，6.接近开关A，7.螺钉，8.电机，9.普通订书器，10.螺钉，11.旋转机构，12.挡块，13.接近开关B，14.安全按钮.

图1

2.4 控制程序

本机操作控制程序描述如下：开始→检测安全按钮是否按下，否，返回开始处；是，检测是否有试卷放置在接近开关A处，否，返回上一步，是，电机工作，带动凸轮旋转→延时0.5秒→继续旋转→接近开关B检测凸轮是否旋转一周，否，继续旋转，是，停止电机→结束，如图2.本机动作节拍如表1所示.

图2

2.5 整机动作节拍

本机动作节拍如表1所示.

表1 系统动作节拍

2.6 整机操作过程

下面以多页试卷订制过程为例，展示本机操作过程：

(1)人工整理试卷.

操作者预先安装多页的试卷的顺序将各页试卷按顺序整理整齐.

(2)试卷钉制.

操作者将整理好的多页试卷放在机架下部的上表面上，向右推动试卷并将使得试卷装订侧的边界靠在挡块的左侧，然后按下安全按钮.这时接近开关B检测到有试卷，电机带动凸轮开始旋转，凸轮的凸出一侧逐步靠近C形压杆的上表面，并开始挤压C形压杆，使得C形压杆向下移动，C形压杆的下端压在普通订书器的上端，使普通订书器的上部向下运动，订制多页试卷，电机继续工作，凸轮继续旋转，凸轮的凸出一侧远离C形压杆的上表面，使得C形压杆失去压力，由于弹簧处于压缩状态，C形压杆收到弹簧向上的弹力而向上移动，普通订书器的上部由于自身的弹力向上运动，此试卷自动滑落存储区，机器人并自动记录数量，为后续整理做准备.当凸轮的凸出一侧转动到最上面的时候，触发接近开关A，单片机控制电机定制转动，完成一次循环.

(3)加放订书器钉.

当普通订书器中存放的订书器钉使用完了，操作者手动松开旋转机构的锁紧装置，然后利用旋转机构的旋转功能将普通订书器顺时针水平旋转90°，打开普通订书器的上部，装好钉，闭合普通订书器的上部，再利用旋转机构11的旋转功能将普通订书器逆时针水平回转90°，然后手动拧紧转机构的锁紧装置，完成加放订书器钉.

系统具备预设计数功能，使用前输入预支试卷数量，如30，当定制完成第30份试卷的时候，系统停止作业，以示提示.待再次启动后，可以继续作业.

3 结 论

本设计在满足设计功能的要求下，对各种可行的结构方案和电气元件进行分析，从中选出符合经济性、适用性的技术方案，力争在最大范围内降低了整机成本，并具备安装简单、运行可靠等特点，具体如下：

(1)本机自动控制技术实现了试卷的半自动订制，提高了订制效率，减轻了工作人员的劳动强度.

(2)本机设置了安全按钮，作业时，一只手持试卷另一只手按压安全按钮，避免了作业过程中操作人员误将另一只手伸入订制区造成伤害的风险.

(3)本机体积小，重量轻，结构简单，使用便携，可以“随用随取，用完收起”，特别适用于办公室小批量试卷的订制.

(4)本机利用市面上普通的订书器作为执行末端，结构稳定，成本低廉，同时如遇断电等意外情况，可将普通订书器拆出继续手动作业，保证完定制任务.

[1]殷言言,苗蕴慧,段丽妮.在校大学生旅游消费费用的指数分析[J].经济师,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]马宏,侯满哲,郭全花,等.建筑板材安装机器人自动供料系统的研究设计[J].河北建筑工程学院学报,2015(4)

[4]侯满哲,马宏,王立坤,等.某糕点切片机机构结构设计[J].河北建筑工程学院学报,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河北省科技厅科技计划项目(项目编号：16211820)；2016河北建筑工程学院校级科研基金青年基金项目(项目编号：2016XJJQN04);2016河北建筑工程学院青年基金项目(项目编号：项目编号：2016XJJQN06)

马宏(1987-)，讲师，主要从事机器人技术、自动化设备、仪器仪表等方向的研究.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.026

TV 213

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