面向服装面料的柯恩达效应式非接触夹持器吸附性能

刘汉邦， 李新荣， 冯文倩， 吴柳波， 袁汝旺

(1. 天津工业大学 机械工程学院， 天津 300387； 2. 天津市现代机电装备技术重点实验室， 天津 300387)

随着社会的不断发展，人们对服装衣物的需求与日俱增，而服装面料自动抓取转移对服装衣物的加工生产具有重要意义。为减少劳动力成本，提高服装面料夹持器的抓取效率则显得尤为重要。目前面料自动抓取转移的主要方法有机械手抓取[1]、负压吸附、静电吸附[2-3]、低温黏附和非接触式吸附[4-5]等，他们对抓取服装面料具有不同工作原理。其中：Moriya等[6-7]使用机械手抓取柔软的毛巾；文献[8-9]用负压吸附的方式成功抓取了皮革和少孔的PES2非织造材料；Zhang等[10]介绍了一种用于航空航天应用中物料搬运任务的静电吸附抓取装置，可以有效抓取大型织物；Stephan等[11]开发了一种低温黏附的冷冻抓手，通过迅速冻结冷冻抓手上的水蒸气来实现服装面料抓取。但上述相关研究还存在不足之处，例如机械手容易对服装面料产生表面划痕缺陷，负压吸附无法吸附高透气性面料，静电吸附易击穿面料，低温粘附的抓取方式也容易对服装面料产生“结构冻伤”，均存在一定不可弥补的缺陷。所以为弥补当前服装面料抓取方式的不足之处，Dini等和Ozcelik等[12-13]制造了可以吸附服装面料的非接触夹持器，且抓取完成后的服装面料表面不会产生任何痕迹。Liu等[14]将非接触夹持器和Coanda喷嘴结合，提出了具有更强吸附能力的柯恩达效应式非接触夹持器。综上，非接触式吸附以低成本、高效率且无损害等独特的优点成为最适合抓取服装面料的方式[15]。

本文首先对柯恩达效应式非接触夹持器的结构和工作原理进行介绍；然后提出了吸附间隙、抓取效果和提升力3种性能指标来评估分析服装面料夹持器的吸附性能；最后通过实验测量了该服装面料夹持器对不同织物参数服装面料的吸附性能，并对实验结果进行比较分析。

1 结构设计及理论分析

1.1 夹持器的结构设计

柯恩达效应式非接触夹持器的基本结构包括Coanda喷嘴和非接触夹持器，如图1(a)所示，图1(b) 示出其工作原理。压缩空气(初级气流)从节能装置入口进入储气腔，然后经过环形喷嘴高速流出形成射流，并沿着扩散管的内壁继续流动，由于压缩空气从环形喷嘴以超音速射出并沿着附壁曲面扩散，会在喉部直径出形成低压区，以带动周围气体进入节能装置，引导次级气流进入扩散管，且次级气流是初级气流的2～10倍，最后次级气流与初级气流混合后一起进入非接触夹持器。由于混合后气体流量增加，从非接触夹持器喷出的气体流速也大幅提升，因此会在非接触夹持器底部产生更强的负压区，以抓取非接触夹持器底部的服装面料。与传统非接触夹持器相比，柯恩达效应式非接触夹持器可以在相同供给流量的情况下，产生更大的吸附力，并节省能量消耗。表1示出文中使用的字符所代表的参数含义。

1—初级气流；2—次级气流；3—储气腔中的气流；4—非接触夹持器。

表1 字符命名

1.2 提升力的理论分析

为确定供给气体流量和提升力之间的关系，需要作如下假设：纱线在织物中均匀分布，且纱线内纤维紧密结合；织物中纱线间的孔隙截面为矩形；压缩空气在流体通道管内得到有效扩散，气流从喷嘴出来后沿半径方向向外射出，而没有在垂直于半径的方向上发生气流交换，且径向间隔的速度分布是均匀的。

为计算柯恩达效应式非接触夹持器吸附面上的压强大小，建立如图2所示的弧形分析模型。气体从左端进入该弧形体积的速度为，v压力为p，并以压力p+dp和速度v+dv从右端离开该弧形体积，其径向范围是r+dr，方位角取δ，间隙厚度为h1，气体以dm(kg/s) 的速度从左到右流经弧形。经过理论分析后得到该点处的压力方程式。

图2 压强分析理论模型

(1)

式中：p1为考虑空气可压缩性的情况下的压力分布；p2为在不考虑空气可压缩性的情况下的压力分布。

因此作用在服装面料上的提升力可以由以下方程得到：

F=P·s

(2)

最后将式(1)和(2)代入式(3)可得：

(3)

式中：f1为考虑空气可压缩性情况下的提升力；f2为在不考虑空气可压缩性的情况下的提升力。

2 实验过程

本文研究主要通过抓取效果测量实验、吸附间隙测量实验和提升力实验来阐释柯恩达效应式非接触夹持器的吸附性能，并对实验结果进行对比讨论。

2.1 实验设备和材料

本文使用如图3所示的设备来进行实验验证。用于测量和抓取的设备主要包括：机械手，柯恩达效应式非接触夹持器；空气压缩机(95 L/min)，江苏东成机电工具有限公司；I级电子天平，上海佑科仪器仪表有限公司；YG141型织物厚度测量仪，莱州市电子仪器有限公司；YG(B)461 D-Ⅱ型数字织物透气测试仪，温州大荣纺织仪器有限公司；流量调节装置(PFM711 S, 2～100 L/min)，ISE30A-01型气压传感器, SMC(中国)有限公司；LC-2320型测距仪，基恩士(中国)有限公司；NTJL-1型高精度拉力传感器，南京天光电气科技有限公司。本文实验中使用的柯恩达效应式非接触夹持器的详细参数如表2所示。

表2 参数设定值

图3 实验装置图

在实验中主要根据服装面料的质量、厚度和透气性3种指标来选择12种具有不同织物参数的试样服装面料[16]，12种服装面料试样的尺寸均为100 mm×100 mm的规则正方形，且质地比较柔软，服装面料的其他具体参数如表3所示。

表3 服装面料具体参数

2.2 抓取效果测量实验

抓取效果测量实验装置如图3所示。柯恩达效应式非接触夹持器安装在机械手的下方，使用橡胶管将柯恩达效应式非接触夹持器与空气压缩机相连，打开空气压缩机的开关，使用流量调节装置调节供给气体流量为设定值(25、30 、35、40、45 和50 L/min)， 然后调节机械手向下移动，使其刚好可抓住服装面料。

抓取效果测量实验的目的是模拟柯恩达效应式非接触夹持器抓取、转移和释放服装面料的过程，在机械手上的柯恩达效应式非接触夹持器在抓取服装面料以后会沿着轨迹运动(见图4)，整个过程中机械手的速度设定为0.1 m/s，先向上移动100 mm，然后水平移动1 000 mm，最后再向下移动100 mm。完成以上操作后，用以下方式评估抓取效果，图4中标有A、B和C 3段移动距离，观察柯恩达效应式非接触夹持器在A、B和C 3个位置中服装面料的掉落情况来阐释抓取效果，掉落位置越靠后，抓取效果越好。为保证表2中的1～12号服装面料每次抓取、转移和释放的速度和移动距离保持一致性，实验通过软件编程完成上述操作。

1—面料； 2—测试平台。

2.3 吸附间隙测量实验

在吸附间隙测量实验过程中，吸附间隙指的是在测试平台上服装面料可被柯恩达效应式非接触夹持器提升起来的间隙高度h，首先将柯恩达效应式非接触夹持器安装在机械手上，然后将要测量的1号服装面料放置在机械手下方的工作平台上，供给气体流量25、30 、35、40 、45和50 L/min分别抓取1号服装面料，供给气体流量的大小通过流量调节装置进行调节，从而测得在不同供给气体流量下服装面料和夹持器之间的吸附间隙h，二者的间隙h通过测距仪进行测量并记录，吸附间隙示意图如图5所示。其余表2中的2～12号服装面料按照上述1号服装面料的测试方法依次进行，最后所有试验结果测量完成后进行对比整理。测量吸附间隙h是为获得在稳定状态下每种服装面料的最佳供给空气流量。

1—非接触末端执行器；2—面料；3—测试平台。

2.4 提升力测量实验

用于测量提升力的实验装置如图6所示。

图6 提升力测量实验装置

该实验的目的是在不同供给气体流量下，测量柯恩达效应式非接触夹持器抓取服装面料的提升力。拉力传感器使用的是S型高精度拉力传感器(NTJL-1)，拉力传感器通过导柱连接面料固定装置，被测服装面料固定在面料固定装置上，该非接触夹持器的提升力可通过拉力传感器测量出来。该型号拉力传感器的显示仪表具有清零功能，所以该非接触夹持器抓取服装面料的提升力F可通过显示仪表直接显示。最后，经多次实验测量与计算，得到在不同供给气体流量下，柯恩达效应式非接触夹持器抓取服装面料的提升力实验结果。

3 结果与讨论

柯恩达效应式非接触夹持器的抓取性能需要通过抓取效果测量实验、吸附间隙测量实验和提升力实验来阐明，所以本节主要对上述3种实验的结果进行总结和分析。

3.1 抓取效果测量实验分析

表4示出对表3中12种服装面料进行抓取效果测量的实验结果。可看出，在相同的供给气体流量下，服装面料的质量越轻越不易掉落，表明对轻质面料有较好的抓取效果，而服装面料的质量越大，其掉落的过程越靠前；从透气量来看，在相同的质量下，服装面料的透气量越低，抓取效果越好，而服装面料的厚度对其抓取效果影响较小；从供给气体流量来看，随着供给气体流量的增加，其抓取效果越好。

表4 不同气体流量下的抓取效果测量实验结果

3.2 吸附间隙测量实验分析

为获得在稳定状态下每种服装面料的最佳供给气体流量，对表3中12种不同类型的服装面料进行了吸附间隙实验，图7示出在不同供给气体流量下12种服装面料的吸附间隙测量情况。从服装面料的质量来看，质量越轻吸附间隙高度越大，质量越大吸附间隙越小，这表明在相同的供给气体流量下，越轻质的面料越容易被抓取；从服装面料的透气量来看，在质量几乎相同的面料中，透气量越小吸附间隙越大，透气量越大吸附间隙越小，这表明在相同的供给气体流量下，若不考虑质量因素，透气量越小的织物越容易被抓取；从服装面料的厚度来看，厚度对其吸附间隙高度的影响较小。从供给气体流量的大小来看，随着供给气体流量的增大，1～12号试样服装面料的吸附间隙均明显增加。

图7 吸附间隙测量结果

3.3 提升力测量实验分析

实验中主要探讨提升力和供给气体流量的关系，所以为排除服装面料质量和透气率的影响，在本文实验中仅选取1种服装面料进行实验验证，并在MatLab中绘制了不同供给气体流量下的提升力变化规律，图8示了出号服装面料在不同供给气体流量下实验和数值模拟的对比结果。

图8 供给气体流量与提升力的关系

为了获得供给气体流量和提升力之间的关系，在间隙高度为2 mm时，测量了供给气体流量为25、30、35、40、45和50 L/min与提升力之间的关系。从实验结果来看，随着供给气体流量的增大，柯恩达效应式非接触夹持器的吸附能力不断提高，但供给气流超过40 L/min以后，提升力曲线的斜率开始降低，提升能力开始放缓。

3.4 对比与讨论

从吸附间隙测量实验和抓取效果测量实验来看，吸附间隙高度和抓取效果主要与服装面料的质量和透气率有关，服装面料的质量越轻吸附效果越好，透气量越低吸附效果越好；从提升力测量实验中可以看出，随着供给气体流量的增大，柯恩达效应式非接触夹持器的提升力明显增加，但与仿真模拟结果相比，实验测量值较小，分析误差产生的原因主要是由于数值模拟采用的是理想数学模型，而在实验过程中会存在系统误差，并且供给气流的稳定性以及测试过程中的装配误差都会影响柯恩达效应式非接触夹持器的吸附效果。通过对比分析，可以得到，在相同的供给气体流量下，对抓取效果影响最大的因素是织物质量，其次是透气率，最后是织物厚度。

4 结 论

本文研究系统地分析了柯恩达效应式非接触夹持器的结构设计及吸附原理,并建立抓取服装面料的提升力理论模型，提出了抓取效果测量、吸附间隙测量和提升力测量3个因素来评估分析服装面料夹持器的吸附性能，并对实验结果进行对比讨论，得出以下结论。

1)从吸附间隙测量实验和抓取效果测量实验中可以得到，在相同的供给气体流量下，服装面料的质量越轻吸附效果越好，服装面料的透气率越低吸附效果越好。

2)从提升力测量实验中可知，随着供给气体流量的增加，柯恩达效应式非接触夹持器抓取服装面料的提升力也不断增加，但受制于非接触夹持器内部参数的影响，当供给气体流量达到40 L/min以后，提升能力开始变缓。

3)对柯恩达效应式非接触夹持器抓取服装面料吸附性能影响最大的因素是服装面料的质量和供给气体流量，其次是透气率，最后是织物厚度。

研究结果表明，柯恩达效应式非接触夹持器能够抓取服装面料，满足服装自动化的使用要求。本文研究内容为解决服装面料自动抓取和转移的行业难题提供了新的解决方法，为提高服装行业的自动化提供了技术支撑。