结构用集成材自动上下料装置真空吸附系统设计与试验

高锐，张伟，王勇

(1.国家林业和草原局北京林业机械研究所,北京 100029；2.福建省林业科学研究院，福州 350012;3.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091)

现代木结构建筑具有绿色低碳、节能环保和可持续发展的特性[1-2]，同时装配式建筑可预制化、工业化生产和现场安装的优势，能很好地满足人们对于高品质住房的物质和精神的双重要求，未来有着巨大的发展潜力和市场前景[3-6]。结构用集成材是现代木结构建筑主要结构材，被广泛应用。但结构用集成材生产环节中，产品加工前后上、下料还是以人工为主，效率低下，很大程度上影响了整条自动化生产线的生产效率。近年来，国外真空吸盘被广泛用于结构用集成材的自动上下料作业，自动化程度高，作业高效。德国威力公司(WEINIG)和豪迈公司(HOMAG)开发了以工业机器人为载体，海绵吸盘为抓取工具的结构用集成材自动化上下料系统；丹麦 SYSTEM TM 公司采用龙门架搭载真空多头吸盘或海绵吸盘进行结构用集成材的自动上下料作业。目前，国内学者主要集中对以金属零件为作业对象的自动上下料装备的研究，而对结构用集成材为加工对象的上下料装置研究较少。郑天池等[7]采用三菱FX3GA系列PLC(programmable logic controller)设计了电容器铝壳自动上料-定量灌胶控制系统，实现了电容器铝壳自动上料和高精度定量灌胶。张铁等[8]设计了一种用于冲床生产时金属冲压件的上下料机械手，并通过自适应遗传算法对机械手电机伺服系统控制参数进行优化整定。曾文萱等[9]开展了磨齿机自动上下料机械手控制系统研究，实现磨齿机生产作业时齿轮上下料循环过程的全自动化。朱华炳等[10]在分析了不锈钢薄板抛光工艺特点和生产要求的基础上，研发了基于PLC 控制的上料机械手，实现了不锈钢薄板的自动上下料与自动堆垛。李平等[11]通过分析板材加工的工艺特点,重新对设备的布局方式及工业机器人的运行轨迹进行规划,并运用机器视觉快速识别板材位姿,构建了木工加工中心板材自动上下料系统。该系统实现了木工加工中心与工业机器人的组合,是一种小型柔性制造系统在木工加工中的具体应用。

笔者设计一种龙门机械手，通过真空海绵吸盘对结构用集成材进行自动上下料的装置，通过试验对海绵吸盘真空吸附系统设计的合理性、可靠性和抓取能力进行验证，并分析抓取力、海绵吸盘真空的影响因素，为采用海绵吸盘结构用集成材自动上下料的设计提供参考。

1 整体结构与原理

结构用集成材自动上下料装置整体结构如图1所示，主要由支架、升降机构、平移机构、真空系统等四部分组成。支架起到支撑装置整体的作用。升降系统由电机、减速箱、卷筒、升降带、四连杆机构等零部件组成，为上下料装置主要升降工作执行部分。小车平移系统主要由小车、导轨、滑块、伺服电机、同步带轮、同步带、传动轴、直齿轮、齿条等零部件组成，为上下料装置左右移动的工作部分。根据结构用集成材自动上下料装置控制系统设计程序，控制升降机构和平移机构带动海绵吸盘进行上下与左右运动、海绵吸盘对结构用集成材的抓取与释放作业，最终完成结构用集成材的自动上下料作业。

1.支架；2.电机；3.减速机；4.卷筒；5.同步轮；6.同步带；7.伺服电机；8.传动轴；9.滑块；10.导轨；11.直齿轮；12.齿条；13.海绵吸盘；14.升降带；15.四连杆机构。图1 上下料装置结构图Fig.1 Schematic diagram of uploading and downloading equipment

2 真空吸附系统设计

2.1 真空吸附系统

结构用集成材具有规格尺寸较大、硬度较金属低、表面存在节子和透气等特点，采用机械夹持的上下料方式易造成集成材表面损伤；传统真空吸盘无法有效地集成表面形成密闭空间，上下料作业时易脱料，均无法很好地适应集成材的自动上下料工作。根据结构用集成材的特点，综合分析各种真空吸盘的原理、性能与真空系统控制方法[12-15]，选用真空发生器内置节流阀式海绵吸盘作为结构用集成材上下料的执行机构。真空吸附系统主要由空压机、储气罐、真空发生器、海绵吸盘、两位两通电磁转向阀 A1、A2、A3、气压传感器 P1、P2、P3 组成，原理如图 2 所示。真空发生器体积小，无运动部件，可以直接搭载在海绵吸盘上，负压产生及解除速度更快且易于灵活控制。结构用集成材料为实木构件，表面有细微纹路，具有孔隙，与一般的盘式吸盘不易形成密封腔，因此采用海绵吸盘作为抓取工件的执行部件。真空吸附系统由空压机产生高压气体并由储气罐进行储存以保证流量供给。

图2 真空吸附系统原理图Fig.2 Schematic diagram of vacuum system

2.2 控制系统设计

海绵吸盘吸附真空控制系统是自动上下料装置控制系统的一部分。控制器是控制系统核心部件，要求具有精确的逻辑和位置控制能力、高可靠性和抗干扰性，以适应工业自动化和智能化生产的需求。本控制系统采用三菱 FX3U-80MT/ES PLC 作为控制器，将 MT8102IP 触摸屏作为上位机，实现人机交互操作。操作人员通过触摸屏可方便地对系统进行设置与操作，获取空压机气压、真空发生器进口处气压、海绵吸盘内负压、海绵吸盘位置等信息，以及故障与故障原因等生产信息。控制系统硬件主要包括可编程控制器 PLC、触摸屏、数据采集模块、控制输出模块等组成。控制系统组成结构框图如图3所示。

图3 控制系统组成结构框图Fig.3 Structure block diagram of control system

数据采集模块完成海绵吸盘位置、空压机内气压、海绵吸盘内气压等相应传感器信号的实时采集，并将其转变为 PLC 控制器所能识别的数字信号。PLC 控制器根据数据采集模块的输入信号，进行数据处理，并根据加工工艺要求运算相应的输出指令。控制输出模块则根据 PLC 控制器输出指令通过电磁继电器、电磁转向阀等对升降电机、空压机真空发生器等进行控制来完成真空装置对结构用集成材工件抓取与释放工作。

3 真空吸附系统性能试验与分析

为验证结构用集成材自动上下料装置的真空吸附系统设计的合理性、可靠性和抓取结构用集成材的能力，分析抓取力、海绵吸盘负压的影响因素，开展了有供气压力与负压关系试验和海绵吸盘负压与拉脱力关系试验。真空吸附系统性能试验现场如图4所示。

1.海绵吸盘;2.工件；3.拉力传感器；4.智能数显控制仪；5.气压传感器P2;6.气压传感器P3。图4 真空吸附系统性能试验现场Fig.4 Test site of vacuum system performance test

3.1 供气压力与负压关系试验

3.1.1 试验方法与材料

将气压传感器 P2、P3 分别安装在海绵吸盘进口和负压检测口。打开真空发生器吸气电磁阀 A3和供气电磁阀 A2，保持真空发生器气路畅通状态。启动空气压缩机，在海绵吸盘在吸持工件和吸气口敞口两种状态下，利用数码相机记录供气压力由零到储气罐达到最大压力全过程中，海绵真空发生器进口处的气压传感器 P2 显示压力与海绵吸盘处气压传感器 P3 对应的显示数字的变化。通过播放视频文件，记录每间隔3 s时间点上两个表的数值。实验采用的是真空发生器内置的节流阀式海绵吸盘，空气消耗量 875 L/min,最大真空度 60%，长度为 1 234 mm，宽度为 130 mm ，3 行排 198 个吸气孔，吸气孔排列如图 5 所示。空压机排气量 1.5 m3/min，排气压力 0.8 MPa，贮气罐容量250 L。

图5 海绵吸盘吸气孔排列Fig.5 Arrangement of holes in sponge vacuum sucker

3.1.2 试验结果与分析

根据试验结果做出负压随供气压力变化图，如图6所示。

图6 负压随供气压力的变化曲线Fig.6 Influence of the inlet-pressure on the pressure at the vacuum port

从图6可以看出，当供气压力为 0～630.0 kPa 时，供气压力与海绵吸盘负压有明显的相关性，应符合一定的函数关系。设供气压力为xi,负压为yj，所测得数据为{(xi,yj),i=0,1,2…m}，供气压力与负压关系函数为yi=f(xi),利用最小二乘法对测得数据进行曲线拟合。设拟合曲线函数为y=s*(x)，记误差为：

δ=s*(x)-yii=0,1,…,m

δ=(δ0,δ1,…,δm)T

(1)

设φ0φ1…φn为线性无关函数簇，在φ=span{φ0(x),φ1(x),…φn(x)}中找一个s*(x)，使误差平方和最小为:

(2)

利用MATLAB对数据进行曲线拟合，分别得到海绵吸盘敞口与吸附工件两种状态下在供气压力为0～630.0 kPa 时，供气压力与负压函数yo、yc分别为:

(3)

(4)

式中：x为供气压力，kPa；yc为吸附工件时的海绵吸盘内负压，kPa；yo为敞口时的海绵吸盘内负压，kPa。

负压随供气压力变化拟合曲线如图如7所示。

图7 负压随供气压力变化拟合曲线Fig.7 Influence of the inlet-pressure on the pressure at the vacuum port

试验结果说明，供气压力为 0～630.0 kPa 时，供气压力与海绵吸盘负压呈良好的三阶函数关系，当供气压力约为 630 kPa 时，吸附工件时负压达到 -50.3 kPa，而后随着供气压力的增加，海绵吸盘的真空度基本维持不变且略有减少。由此得到该真空吸附系统的最优供气压力值为 630.0 kPa，最小负压为 -50.3 kPa。真空吸附系统控制程序设计时将真空发生器进口气压传感器 P2 触发压力设为 630.0 kPa，海绵吸盘处气压传感器压力设定为 -50.3 kPa。

同时，在海绵吸盘敞口与吸附工件两种情况，相同的供气压力下产生的负压存在明显的压力差。在供气为 0～630.0 kPa 时，压力差近似线性增加，最后在 620.0～630.0 kPa 时，敞口时负压为稳定在 -27.0 kPa 左右，压力差稳定在 22.9～23.8 kPa 。这一特征对于判断上下料装置在进行上下料作业时吸附工件的稳定性，以及判断工作在转运过程是否脱落，保证上下料作业过程的成功率至关重要。

3.2 海绵吸盘拉脱力试验

3.2.1 试验方法与材料

试验在自动上下料设备上进行。试验工件为杉木结构用集成材，材面质量等级达到国家标准GB/T 26899—2011《结构用集成材》中 2 级要求，规格如表 1 所示。试件由夹具固定后平置于支架上。电子测力计一端与夹具连接，另一端与固定在地面上的地脚螺栓连接。海绵吸盘安装在试件正上方的升降机构上，保持海绵吸盘、试件重心、电子测力计在一条直线上，拉脱力即为工件与夹具的重力和加上电子测力计测定的拉脱力峰值。分别进行不同大小试件拉脱力试验和拉脱力与负压关系的试验。

表1 杉木结构用集成材试件规格Table 1 Table of test design method

1) 负压与拉脱力关系的试验:将表 1 中试件 1 固定在夹具上，与 1 个海绵吸盘平行。启动空气压缩机，打开电磁转向阀 A2、A3，海绵吸盘覆盖在试件达到稳定数值产负压后，上升机构带动海绵吸盘向上运动直至试件与海绵吸盘脱离。由数码相机进行摄影，实时记录并逐帧播放，以确定试件与海绵吸盘脱开时刻的真空压力传感器和电子测力计示值。

2) 不同长度试件拉脱力试验：将试件固定在夹具上。启动空气压缩机，打开电磁转向阀 A3、A2，海绵吸盘覆盖在试件负压达到稳定值后，上升机构带动海绵吸盘与试件均速度向上运动直至试件与海绵吸盘脱离，由电子测力计测定并记录拉脱力的峰值。试件每种规格试件重复试验30次。

3.2.2 试验结果与分析

负压与拉脱力关系的试验结果如图8所示。从图8可知，在负压在 -13.0～-50.0 kPa 范围内，负压与拉脱力有着良好的线性关系且实测拉脱力比理论值平均小 250 N。由于结构用集成材表面存在节子、不平整和透气等特点，使得海绵吸盘有效吸附面积小于理论面积，导致拉脱力小于理论吸附力，因此拉脱力会因结构用集成材的表面质量不同而不同。

海绵吸盘的理论吸附力计算公式为：

Ft=n×(πr2+2rl)×P

(5)

式中：Ft为海绵吸盘的理论吸附力，N；n为海绵吸盘吸气孔的个数，个；r为海绵吸孔半圆半径，3.5 mm ；l为海绵吸盘吸气孔两半圆中心距，20 mm；P为海绵气孔内的负压，MPa。

图8 负压与拉脱力/理论吸附力关系图Fig.8 Relationship curve between vacuum pressure and supplied air pressure

由公式5可以得出，海绵吸盘的理论吸附力取决于海绵吸盘的负压与被工件所覆盖吸气孔的个数。工件所覆盖不同个数吸气孔时海绵吸盘理论吸附力与试验值如表2所示。

表2 不同个数吸气孔时拉脱力性能比较Table 2 Specification of glue-laminated timber test piece

试验发现：将工件把海绵吸盘上的吸气孔全部覆盖时，海绵吸盘内负压为 -50.3 kPa，拉脱力比理论吸附力约小 250.0 N，且保持稳定。

吸气孔被工件 100%，66.7% 和 33.3%被覆盖时，海绵吸盘内的负压分别是 -50.3，-40.0 和 -35.0 kPa，拉脱力分别为 2 125.0，1 041.9 和 453.7 N，海绵吸盘内真空度随未被覆盖的吸气孔的增多而减小，未被覆盖的吸气孔越多，实测拉脱力减小得越多，海绵真空系统能量损失越大。因此在设计用节流阀式海绵吸盘作为抓取执行机构时，海绵吸盘上的吸气孔应全部被工件覆盖，此时在相同进气压力条件下真空度最大，抓取力最大，工作效率最高。

4 海绵吸盘真空吸附系统控制策略

根据负压与供气压力关系试验和拉脱力试验基础数据与真空吸附系统原理，制定海绵吸盘真空吸附系统控制策略(图9)。如图9所示，空压机工作对贮气罐充气，并保持气压大于630.0 kPa；海绵吸盘接触工件，电磁阀A2、A3通电后气路导通，真空发生器工作产生负压，当负压小于-50.0 kPa 时电磁阀A2、A3关闭保压，海绵吸盘开始运动；当压力传感器P3检测到真空度突然减小，从-28.0到 -26.0 kPa时，说明工件已脱落，海绵吸盘停止运动，并发出警报；当压力传感器P3检测到负压大于-50.0 kPa时，重复A3、A2断电气路导通，真空发生器工作，增加海绵吸盘中的真空度；当到达所需位置时海绵吸盘停止运动，A1通电气路导通释放工件。

图9 海绵吸盘真空吸附系统控制流程图Fig.9 Flow diagram of sponge vacuum suction device control

试验结果表明，海绵吸盘真空吸附系统对尺寸为2 387.6 mm×228.6 mm×152.4 mm(长×宽×高)、质量为 26 kg 集成材进行上下料作业时，以 0.4 m/s 速度上升、下降运行和 0.6 m/s 速度水平移动时，该控制策略可保证上下料装置运行平稳。

5 结 论

1)设计一种采用龙门机械手通过真空海绵吸盘进行结构用集成材自动上下料的自动真空上下料装置，可以实现结构用集成材自动化上下料作业，试验证明作业运行平稳、可靠。

2)供气压力为 0～630.0 kPa 时，供气压力与海绵吸盘负压呈三阶函数关系，当供应压缩空气约为 630.0 kPa 时，吸附工件时负压达到 -50.3 kPa，而后随着供气压力的增加海绵吸盘内的真空度基本维持不变且略有减小。

3)在负压在 -13.0～-50.0 kPa 范围内，负压与拉脱力有着良好的线性关系且实测拉脱力比理论值平均小 250.0 N。由于结构用集成材表面存在节子、不平整和透气等特点，使得海绵吸盘有效吸附面积小于理论面积，导致拉脱力小于理论吸附力，因此拉脱力会因结构用集成材的表面质量不同而不同。

4)当海绵吸盘上的吸气孔未被完全覆盖时，海绵吸盘内真空度随未被覆盖的吸气孔的增多而减小，未被覆盖的吸气孔越多，实测拉脱力减小得越多，海绵真空吸附系统能量损失越大。因此在设计用节流阀式海绵吸盘作为抓取执行部件时，海绵吸盘上的吸气孔应全部被工件覆盖，此时相同进气压力条件下，真空度最大，抓取力最大，工作效率最高。