手套自动脱模机机械手部分设计及电气部分设计

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1、1 引言11 胶乳手套行业的前景 20 世纪 80 年代以来随着人类免疫缺陷性病毒HIV的出现和对血液疾病传播途径的了解 以及各种传染病的传播越来越猖狂，医护人员戴手套的人数大大增加。目前，天然乳胶手套已不仅仅应用于医疗人员在生产生活的各个方面乳胶手套都得到了广泛的应用。现在全世界乳胶手套每年的需求量在 300 亿只左右而这一数字仍将不断的增长。近几年内每年的递增量可望在 510，个别产品会更多些，可望翻番；10 年后的增长率也将保持在 4左右1。 10 年内发展中国家对胶乳制品的需求量的增长速 近度明显地高于发达国家，我国对胶乳制品的需求量也呈快速上升的趋势，一些产品的需求量有了较大幅度增长

2、。例如，检查手套就由前几年的 3000 万只增长到 1999 年 1.75亿只，成为增长最快的一个品种2。1.2 我国胶乳制品技术水平状况 我国胶乳制品工业是建国后发展起来的加工工业，主要产品有医疗器具、计划生育器具、劳动和日常生活防护用品、玩具及军工配套用品等 5 大类，70 多个品种。40 多年来，我国已发展成为全球第三大胶乳制品生产国。产品除满足国内需求外，还有 1/3出口，是我国国民经济不可缺少的一个行业4。经过几年的整顿，在市场经济中优胜劣汰，全国尚有胶乳制品生产企业 100 来家，年产值 16 亿元左右，年耗胶量约 5.5 万吨，居世界第三位5 我国胶乳制品的生产历史虽然不短，生产

3、总量也不少，但是生产技术和管理进步的步伐始终不大，生产装备水平、产品质量、包装质量、新产品开发、名牌意识等等方面都不尽人意。1.2.1 生产装备水平较差，生产效率低 我国胶乳制品中很多产品的装备技术都比较落后。以胶乳手套为例，我国的生产线一般为 5070 米长，还是人工控制联动机、人工脱模、人工包装，每只都要吹气检查，劳动生产率比较低。而国外的生产线都达 80-120 米长，微机控制、 自动脱模、自动包装，无须每只都吹气检查，只需抽检。因此，我国单位产品的人工耗用量是国外先进水平的 6 倍，能耗也比国外先进水平高 50左右。总体说来，我国乳胶制品生产工艺技术并不落后，如新鲜胶乳低温长时间硫化技

4、术是我国的创举，电脑控制的 24 头漏水检测仪也是我国首创。但装备水平却有明显差距，化工辅料、原料胶乳也比国外先进水平低一个档次。1.2.2. 产品质量参差不齐，不稳定 我国的一些生产企业都比较重视技术进步和管理，加大了技术投入，采用新技术，都获得了产品质量认证证书。产品质量稳定，某些质量指标也达到国际先进水平，近几年来不断地在国际市场上中标。而医用手套、检查手套等产品因各企业的重视程度不同，技术投入和管理水平的差距，而使质量差异较大。玩具气球的生产也比较稳定，但花色品种还不够多样化，颜色也不够鲜艳，因此也影响了销售量的进一步提高，仍然进不了国外超级市场。1.2.3 新产品开发速度慢，跟不上发

5、展的需要 国外除了专门的研究机构进行基础研究外，各企业都有自己的研究机构，着重进行应用研究，而且很能抓住使用者的心态，进行预见性的开发，新产品层出不穷。自 90年代以来，医用手套有照明、杀菌、报警、聚氨酯等类型；还有无粉、无尘、表面有滑爽剂等等；家用手套有多彩型、耐穿刺型、耐油型等等；气球则有多色印花、云彩型、特异型、自动密闭型。我国却缺乏抓住市场信息及时开发引导市场消费的开拓精神，往往落后 5 年左右，得不到前期市场的高额回报。1.2.4 包装质量还未全面上档次，影响市场形象。 我国企业的生产大多为出口，而定单式的需求也只是单一的品种，有的更是贴标生产，所以只在个别产品系列上注重包装。国内的

6、市场需求还比较少，同时生产设备的自动化程度不高，质量不稳定。因此不可能带动自主品牌意识的增强。 综上所述，我国胶乳制品业在综合技术水平方面与国外先进水平相比还存在着差距，在企业逐步做大做强理念的驱动下，产品品种多样化、多元化、销售网络化、管理现代化、企业规模化，管理机制和理念不断转变同时，更应该加大技术投入，提高工业生产的自动化程度，才能使我国乳胶制品企业早日跨入世界先进行列。1.3 未来胶乳技术的发展方向 我国虽然是胶乳制品生产大国，但却还不是生产强国，随着科技进步的推动，人们生活水平的提高，加上胶乳制品本身固有的特性和不可替代性，国内外对胶乳制品的需求量都在不断增长，其市场容量将会越来越大

7、。 本次设计题目即是应某胶乳企业的要求，对该厂的乳胶手套自动生产线中的脱模工艺流程进行自动脱模设计，进一步提高其自动化程度。实现工业自动化，不仅能提高产品的数量和质量，减少原材料和能量的消耗，降低生产成本，而且可以改善劳动条件，保证生产安全，增强企业的竞争力和市场适应性，取得良好的经济效益和社会效益。工业生产自动化已经成为现代工业技术发展的主要趋势之一。工业自动化（又称工厂自动化，简称FAFactory Automation）对于许多企业来说，已不仅仅是一个单纯提高劳动生产率的问题，发动国家的企业家把它作为决定企业未来前途的长远战略来考虑。自动化作为一项企业生产和经营管理模式是科学技术与生产力

8、水平发展到一定规模的产物。在竞争空前激烈的市场经济中，自动化对于一个具有一定规模的企业来说是生死攸关的7。美国著名的麦道制造和工程公司总裁克莱西说： “现代企业面临两种选择：要么自动化，要么破产。”2 设计任务和方案拟定 本次设计题目是设计一套手套自动脱模机机械手部分的机械设计及脱模机电气控制部分设计（机架及同步传动部分的机械部分设计由张飞同学完成），查阅资料并进行方案论证，确定总体设计方案，包括绘制机械部分的总装配图并进行机身结构，导轨及传动部分结构、机械手结构、超程保护、电器驱动部分的安装结构的计算及设计，同时绘制相应的部装图及零件图。另外绘制出电器系统的主要模块硬件电路图，并设计出相应的

9、程序框图。要求能实现对运动的手模同步跟踪。同步最大跟踪速度 28 米/分。脱模，脱膜行程 190 毫米。设计装置不能对产品产生破坏性的积压和撕扯不能阻挠和碰撞生产设备。使用过程中抓取失误率不能高于 0.05。要求能实现对半脱模的手套实现自动抓取，整理、输送和计数。2.1 手套产品介绍 自动脱模系统的主要脱模对象为：PVC聚氯乙烯手套和丁睛手套，它们具有相似的化学和物理性能，其图样如图2-1所示。 下面就PVC材料的化学和物理性能进行简单介绍。PVC（聚氯乙烯树脂）：由氯乙烯单体（CH 2 ClCH 2 C1）经聚合而成的高分子化合物，平均分子量50000150000，结构呈线性高分子聚合物。根

10、据聚合工艺不同分为悬浮聚合树脂和乳液聚合树脂（糊树脂）。生产PVC手套选用糊树脂，其平均聚合度12001800，粒子直径小于50微米，工业品为白 色或浅黄色粉末，相对密度1.4，含氯量5658，低分子量的易溶于酮类、酯类和 4 氯代烃类溶剂 。有极好的耐化学腐蚀性。 手掌 PVC树脂本身热稳定性较差，110以上开 始热分解，颜色变黄，同时释放出氯化氢。 手腕 PVC树脂加入增塑剂，稳定剂等助剂配制成 糊，具有粘度低、稳定性好，脱泡性能优 良等特点，是生产PVC手套的主要原料。PVC 袖口 手套具有耐化学腐蚀性、阻燃性、强度高 且易于加工等优点 因而在手套业中占有 卷唇 一席之地。但是PVC手套

11、表面发涩、发粘 不能脱模且使用时难以脱戴 要达到手感 光滑的要求就必须加入润滑脱膜剂。产品 PVC手套广泛用于日常生活，具有卫生防护 图 2-1 手套图样 作用，使用方便，防护性能好，安全无毒，深受用户欢迎。产品在发达国家及地区拥有广阔的市场。产品从种类上分为有粉手套（工艺中，在手套表面附着少量玉米粉，以保持手套的滑爽性）和无粉手套（工艺中，以PU处理剂替代玉米粉，起到相同的作用）；从级别上分，主要有医疗级手套和工业级手套（区分指标主要是针眼率的大小）；从型号上分为XS号、S号、M号、L号、XL号，加长型、加厚型、加长加厚型等。经调研，产品主要分布在有粉工业级和无粉医疗级的S号、M号、L号、X

12、L号上，其中M号，L号为主要产品。PVC手套主要型号检验标准见表2-1。 表2-1 PVC手套检验标准2.2 产品工艺流程的了解 为了保证 PVC 手套的使用性能，在生产过程中对生产工艺要求特别严格。首先将主要原料及助剂在专用容器中按一定比例搅拌混合成乳液，经过滤、抽真空、静置等环节后，用泵将混合料送入生产流水线中的浸渍槽中。在正常生产状况下，流水线上的手模自动进入浸渍槽，粘附乳液的手模依次从浸渍槽中出来，行进中不断转动，以使手模表面上的乳液均匀，并使多余的乳液垂滴下来。垂滴下来的液体经收集槽返回浸渍槽中。垂滴完多余乳液后的手模随生产线移动进入烘箱，烘箱温度控制在 230250 摄氏度，在此条

13、件下，手摸上的乳液熟化成型。从烘箱出来的手模经过自然冷却、卷唇、沾粉等工序，人工将手套从手模上卸下，手模连续向浸渍槽行进。卸下的手套经除粉后即为成品入库。为了更深刻的了解手套生产过程，我们记录了其中两道工艺流程，如下： 有粉手套工艺流程： 配料搅拌过滤静置脱泡粘料垂滴烘烤冷却卷唇沾粉（玉米粉）脱模脱粉质检包装入库 无粉手套工艺流程： 配料搅拌过滤静置脱泡粘料垂滴烘烤冷却PU 水处理烘烤冷却卷唇脱模质检包装入库2.3 机械手工作方案的确立2.3.1 现有生产线情况 我国在80年代已引进这种手套的生产线数十条目前已发展到数百条。这些生产线基本都是从东南亚国家及台湾引进所以生产线的型式基本一样且生产

14、线的自动化程度较高但最明显的不足之处是成品手套的人工脱模。目前国内外塑料手套生产线的基本型式为封闭链条传动式手套模悬挂在链条上随其连续运动所以在成品手套脱模过程中脱模机械手必须有与生产线链条运动相同的同步运动。因此在自动脱膜系统中必须根据本道工序的特点、生产类型，以及手模的形状，运行的速度以及周围空间的大小进行方案设计。2.3.2 提出具体方案 采用与链条同步运动的轮盘带动的导轨驱动斜楔张合式机械手。并行移动的机械手和手模同步运行，运行到相应位置滚轮和导轨接触，受到压力使得斜楔向下移动，机械手的两个摆动杆在弹簧的作用下闭合，使摆动杆上的活动爪靠紧在手模的腕部。将手套边缘吹到活动爪上，在向前移动

15、的过程中斜楔再次上移使摆动杆张开到掌部宽度。同时支架在滚轮的作用下横向移动，将手套脱下，在前方再次使摆动杆闭合，在风力的作用下吹入料箱内。该方案拟采用43个挂在链条上循环转动的推拉机械手，每个机械手上分别有斜楔机构，可分别脱模手套。只要实现机械手和手模的同步，在合适位置放置开合摆杆，完全可实现对手套的脱取和放置。2.3.3 机械手具体动作（如图2-3所示） 1 到位 脱模机械手设计成往复运动，机械手在完成脱模工作时必须夹紧在下一个脱模循环开始又必须张开到位使机械手与手模同步到达脱模位置。 （2）夹紧 运行到相应位置滚轮和导轨接触，受到压力使得斜楔向下移动，机械手的两个摆动杆在弹簧的作用下闭合，

16、使摆动杆上的活动爪靠紧在手模的腕部。 3 吹气 传感器测试到机械手与手模同步后立即用真空泵吹气使已脱下的部分紧紧吹附在机械手的左、右手上 产生脱模的撑力。 3 张开 由于模具的掌部宽度大于腕部所以机械手在撑住手套已脱下的腕部后要张开以便进行右移的脱模动作。 4 右移 在与手摸同步前进的过程中，机械手紧紧贴着腕部向右移动成品手套便从模具上被翻着脱下来。 5 缩紧 手套脱模后需将机械手缩紧。这样手套便落于机械手拖板上。 6 吹放 机械手前移到定点时通过风机产生的风力便将脱下模的手套吹入料箱内。 上述方案对半脱模的手套实现了自动抓取，整理、输送和计数等功能，并且机构简单、检测方便、定位准确、容易控制

17、，完全可以满足脱模要求。2.4 机械手的循环图设计 在间歇作用型的自动机械中 产品在机器中周期性地承受加工 其顺序给出两相邻产品之间的时间间隔称为“工作循环”。机械手的工作循环图如图2-3 所示。 斜楔在开始时位置上升，作用在滚轮上使两摆动杆张开，避免与手模接触碰撞，于手模同步一段距离后，斜楔下降，摆动杆闭合，活动爪贴合在手模上，高压吹气使手套吹到活动爪上，行进一段，斜楔再次上升摆动杆连同活动爪撑开手套，同时横向导轨带动底架上滚轮横向移动，这样手套被脱下。此时，斜楔再次落下，摆动杆闭合，手套落于托架上，被风机吹入料箱。之后横向导轨再次引导底架回到手模下方，完成一个工作循环，进行下一次循环。2.

18、5 建立三维设计思想 随着 CAD 基础理论和应用技术的不断发展，以及 CAD 系统的功能也越来越高。设计人员不再仅仅满足于借助 CAD 系统来达到“甩图版”的目的。而是希望它能从本质上减轻大量简单烦琐的工作量，使他们能集中精力于那些富有创造性的高层次思维活动中。由于三维 CAD 系统具有可视化好、形象直观、设计效率高、以及能为企业数字化的各类应用环节提供完整的设计、工艺、制造信息等优势，使其取代传统的纯二维 CAD 系统已成为历史发展的必然。 本方案从设计思路的提出到产品成型，整个过程大量应用了 Solidworks 三维设计软件。在提出初步方案后，利用 Solidworks 强大和简单易用

19、的建模功能，建立了直观的三维模型。通过对立体模型的性能分析，进一步掌握了方案的各项性能及存在缺点。然后针对具体问题进行具体分析，并做出完善措施。并且 Solidworks 提供动态分析功能，使得在设计过程中可以检查产品应用过程中会产生的碰撞和超载。在完成对整个方案的建模和动态分析后，可以结合 CAE 直接进行零件加工。但是，由于当前加工技术的局限，只能根据传统方法转换成二维工程图。Solidworks 提供三维实体转化成二维工程图的插件，从而节省了大量的时间，并且提高了绘图质量。完成二维工程图后，可以由二维转换为三维实体来检测一些未知的错误，更是避免了资金的浪费。此次设计过程中，充分体现了三维

20、 CAD 技术在机械设计过程中的便捷和高效率。3 机械手各结构（零件）的设计 机械零件设计的基本要求是工作可靠、工艺性好和成本低廉。设计计算是根据零件的工作情况和工作能力准则确定安全条件，用计算法求得零件的主要几何尺寸，然后再按工艺要求和尺寸调节进行结构设计。校核计算是先参考已有实物，图样或经验数据，初步拟定零件的结构布局和主要几何尺寸，然后根据工作能力基准进行效和经验，无论是设计计算还是校核计算，一般均应对某些复杂的物理现象作适当的简化，如以集中里代替实际的分布力，以支撑点代替支撑面等.所以机械零件计算总带有一定的条件性。为使计算结果更符合实际应多参考已有的成功设计和在实际应用中积累的统计资

21、料，设计工作是一个综合的反复实践过程要经过多次循环修改设计方案和设计参数，才能获得比较合理的结果，这个过程实质上也是一个逐步的宏观优化过程1。3.1.1 机械手机构分析 在进行机械结构设计前，为了改善构件的受力情况应合理选择和配置运动副的类型，尽量消除各种约束的数目。绘出机械手的机构简图如图 3-1 所示。 图 3-1 机械手机构简图 在实际机械中，为了增加机构的刚度，保证机械顺利通过某些特殊位置需要适当的增加其运动副。所以在方案中，机械手夹取部分加入一活动铰链D。当夹取手套时，活动爪可以绕D旋转，一方面保证了与手模的接触，同时保证了手套的撑开时的有效最大受力。设滚轮支架B与竖直方向的夹角为a

22、，斜楔的速度为V，即V A V，那么滚轮B的速度V B V/sina。又活动抓杆BC上C点速度是以C点为圆心以CD长为半径的圆周运动。 由此可知处速度： V D V B BD/CD （3-1） 所以为了保证有效的夹取力和夹取速度，V、a、BD、CD等因素必须考虑。3.2 机械手机构设计 1.夹取机械手手部设计 为实现机械手快速准确的与手模同步贴合，同时获得一定的开合的张力。本方案采取一个对称的活动摆杆，摆杆上部有一个活动爪，活动爪内装轴承可以绕紧固螺钉有一定的摆动，当活动爪靠近手模时，由于设计的活动爪内弧度与手模一致，在弹簧的作用下活动爪可以自然贴合于手模上。同时考虑到，PVC 手套较为柔软顺

23、滑，弹性很好，在高压气体的作用下将手套边缘吹到活动爪上，可能产生到位后又回弹的现象，特此在活动爪上留有一个沟槽，以及两排防滑的凸点。为了保证产品质量，活动爪的所有边角在铸造是做成圆角，铸造后都需要打磨抛光。 图 3-2 夹取机械手手部 2.摆动杆设计 摆动杆作为活动部件需要有很好位置精度，同时降低使用轴承成本，因此在设计固定轴的时候，设计成一个螺母轴的形式，将轴表面和摆动杆内空精磨加工，螺母轴内攻螺纹，利用螺栓固定，螺母轴与摆杆配合，即可实现精度要求。同时摆动杆上应可以固定弹簧和滚轮支架。摆杆上要留有一定的空间，可以使活动爪自由转动，又不能有太大的转动空间。 3 .夹紧驱动机构设计 为了实现摆

24、动杆的张开，闭合、再闭合、再张开，同时满足输送链的行进需要。因此设计成一个随导轨运动的斜楔，导轨固定在机架上，按照斜楔所需要的位置变化设计导轨的的高度（如图 3-3）。再利用拟合曲线将各高度连成一条光滑的曲面，以期减少运动的噪音和磨损。使用一个轴承与曲面接触，轴承又与斜楔固连在一起。随导轨上下位置变化的斜楔与固定在摆动杆上的滚轮接触，同时在弹簧的作用下，即可实现摆杆的动作要求。 图 3-3 夹紧驱动部件 4.横向推拉机构设计 为了实现同步脱离和节省动力源，采用导轨推拉机构实现对手套的脱离，机构采用固定在底座下的滚动轴承作为推拉滚轮，直接和导轨接触并横向移动。对于底架的水平移动，因考虑选用直线导

25、轨较贵，一般导轨又不能保证移动的精度，所以底座通过两对压紧的轴承与固定在链条上的滑竿形成移动关系，当滚轮随着导轨移动时，底架即可沿着滑竿平稳移动（如图 3-4 ），实现手套的脱去，之后又回到待脱模状态。 图 3-4 横向推拉机构 5.底架的设计 方案中脱模机械手的底架如图 3-5 所示。 由于采用了推拉杆式运动形式，必须在底架上安装横向滚轮和滑竿夹紧部件，同时还要安装摆动部件，要考虑摆动杆的活动空间，和受力情况。相应要安排斜楔的在固定滑槽内运动。最后因为手套的原料有一定的酸碱性，为了防止原料的污染和保证系统的刚性宜选用不锈钢作为材料。 图 3-5 底架3.3 轴承的选择和校核 轴承是机械中广泛

26、应用的支撑件，工作时依靠主要元件间的滚动或滑动接触来支撑零件。最常用的轴承有滚动轴承、滑动轴承和直线轴承。 滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。通常内圈装配在轴上并与轴一起旋转；外圈与轴承座孔装配在一起，起支撑作用。也有轴承外圈旋转，内圈固定的2。少数情况下还有内、外圈分别按不同转速的使用情况。滚动轴承的内圈、外圈和滚动体用强度高、耐磨性好的轴承钢（铬锰合金钢）制造，常用牌号有GCr15、GCr15SiMn等。滚动轴承与滑动轴承相比，其特点如下： 滚动轴承具有滚动摩擦的特点，因此它的优点有：摩擦阻力小，启动级运转力矩小，启动灵敏，功率损耗小且轴承单位宽度承载能力较大，润滑、安装及维修方便等。与滑动轴承相比，滚动轴承的缺点是径向轮廓尺寸大，接触应力高，高速重载下轴承寿命较低且噪声较大，抗冲击能力较差。 滚动轴承有多种分类方法。按滚动轴承所能承受的载荷方向或接触角的不同可将轴承分为向心轴承和推力轴承。按滚动题形状不同又可将轴承分为球轴承、滚子轴承。根据滚子形状不同又有圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承、球面滚子轴承、螺旋滚子轴承、调心滚子轴承等7。 1.滚动轴承的选择和校核 选择轴承时，应考虑多种因素，载荷的大小、方向、性质是选择轴承类型的主要依据。载荷较大时，一般选用线接触的滚子轴承，反之选择点接触球轴承；轴承受纯径.