平板显示行业是我国新兴产业千亿体育官方网站千亿体育官方网站，基板玻璃是生产平板显示屏的基础材料千亿体育官方网站千亿体育官方网站，需要经过切割、罐液千亿体育官方网站千亿体育官方网站、贴片、清洗等工艺工程来实现液晶显示屏的生产[1]千亿体育官方网站。玻璃原料在切割加工前千亿体育官方网站，会有纸夹在两块玻璃之间千亿体育官方网站，取走玻璃后须将纸也取走。国内已有文献对取纸机构进行了分析与研究，包括对偏心上摆式递纸机构进行设计和分析[2]千亿体育官方网站，但大多都是用凸轮将纸分离；张晓玲[3]根据单张纸印刷机下摆式递纸机构的工艺要求千亿体育官方网站，对其采用的凸轮四连杆机构进行运动分析千亿体育官方网站千亿体育官方网站，计算出凸轮轮廓曲线。而现有下摆式递纸机构速度多小于等于300 张/min千亿体育官方网站，且仅适用于大幅面纸张[4]千亿体育官方网站千亿体育官方网站。一般的自动取纸机结构复杂千亿体育官方网站，成本高千亿体育官方网站千亿体育官方网站，效率低，且对纸张要求高[5]千亿体育官方网站。文中设计的自动取纸机是玻璃切割裂片清洗生产线中的第一台设备，主要分离方式为吸纸千亿体育官方网站千亿体育官方网站，运行简单，适应性强，成本低。

1 自动取纸机结构设计

1.1 总体方案设计

为了使自动取纸机能够更好地应用于实际生产中千亿体育官方网站，根据玻璃加工厂生产线的生产速度千亿体育官方网站、纸张厚度大小等具体要求千亿体育官方网站，设计了一种自动取纸机千亿体育官方网站。

总体模型如图1所示，装置主要由4个部分组成千亿体育官方网站，分别为:①压纸装置：为了防止在取玻璃过程中纸张滑落而设计的千亿体育官方网站，在取玻璃时对纸张进行压紧。②取纸装置：通过真空吸盘吸取纸张千亿体育官方网站千亿体育官方网站，按生产速度控制取纸千亿体育官方网站。③抬升装置：为了适应不同规格的纸而设计的，可以对设备进行高度的调节千亿体育官方网站千亿体育官方网站。④移送装置：该机构是整套设备的基础，用于设备的支撑与移动千亿体育官方网站。

1.2 部件设计

(1)压纸装置是为防止纸张在无压力的情况下滑落而设计的，并无严格的要求?千亿体育官方网站？悸堑匠杀疚侍馇б谔逵俜酵?，压纸选用双轴气缸千亿体育官方网站，气缸行程不小于40 mm千亿体育官方网站。

(2)取纸装置是整套设备上非常重要的一个部分千亿体育官方网站千亿体育官方网站。取纸的提取装置为末端执行装置，选用真空吸盘千亿体育官方网站，通过所吸附物体的重量来选择真空吸盘的型号千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站。

考虑到吸盘的不稳定性，故在两端设计了夹纸的装置千亿体育官方网站。由于夹紧力不需要很大千亿体育官方网站，故选用小型气爪气缸千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站，吸纸前千亿体育官方网站，气爪气缸打开，当吸盘将纸吸住时千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站，气爪合上千亿体育官方网站，将纸夹住。吸盘与夹纸气缸安装在方通上千亿体育官方网站千亿体育官方网站，方通安装在中间连接板下方。

(3)因设备无须频繁地调整高度千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站，故抬升装置一部分为手动千亿体育官方网站千亿体育官方网站，另一部分为气动。气动部分为三轴气缸，在装置运行时不做运动千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站，当取纸结束更换玻璃架时千亿体育官方网站，气缸上升千亿体育官方网站，留出更换的空间，更换完毕后千亿体育官方网站，气缸下压，使横杆达到指定位置。手动抬升部分利用丝杠作为传动装置千亿体育官方网站千亿体育官方网站，如图2所示,滚珠丝杠副广泛应用于机械产品的进给系统千亿体育官方网站，具有低耗能千亿体育官方网站千亿体育官方网站、高精度千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站、高承载的优点千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站，接触静刚度满足功能要求[6-7]千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站。

在丝杠副四周安装两组直线轴承用作支撑千亿体育官方网站千亿体育官方网站。底部为蜗轮蜗杆机构千亿体育官方网站，摇动手柄使蜗杆转动带动蜗轮旋转千亿体育官方网站，并带动丝杠转动使得上部装置可以上下移动千亿体育官方网站。原料中的纸张规格大小为：1 m×1.2 m千亿体育官方网站、1.2 m×1.4 m千亿体育官方网站千亿体育官方网站、1.4 m×1.6 m，盛放玻璃的架子底座高度大约为0.2 m，所以吸盘所安装的方通离地高度一定要小于1.8 m千亿体育官方网站，考虑到装置下方放置电箱的焊接架的高度千亿体育官方网站，所选丝杠的行程小于0.5 m千亿体育官方网站。

图1 整体模型 图2 手动抬升装置

(4)移送装置是取纸与抬升装置的基础底座部分，根据盛纸架的安放位置，运动设计为：将纸吸取住后千亿体育官方网站，吸盘所在的方通旋转至跟纸架平行位置千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站，后平移至纸架上方千亿体育官方网站千亿体育官方网站，接着松开纸，让纸的中间可以刚好落于纸架杆上千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站。

旋转装置直接选用RV蜗轮蜗杆减速机千亿体育官方网站，传动比大千亿体育官方网站，输出转矩大[8]千亿体育官方网站，传动平稳千亿体育官方网站千亿体育官方网站，具有自锁功能千亿体育官方网站。根据现场取纸机与盛纸架的摆放位置来调整电机设定旋转角度千亿体育官方网站千亿体育官方网站。手动抬升装置直接安装在旋转连接平台上，连接台与减速机用键连接。旋转装置选用直线导轨，起支撑与引导作用千亿体育官方网站，减速机通过后期加工的垫块安装在直线导轨滑块面上，平移时利用气缸来提供动力。

2 参数选择

2.1 电机的计算选择

电机要能带动旋转台实现转动千亿体育官方网站，负载转动惯量计算公式如式(1)千亿体育官方网站、式(2)所示：

(1)

(2)

式中,J为转动惯量;m为物体质量千亿体育官方网站。

再根据如式(3)所示转矩公式千亿体育官方网站千亿体育官方网站，求出负载所需的转矩千亿体育官方网站。

T=Jα,

(3)

式中,T为转矩;α为角加速度千亿体育官方网站。

得出转矩T=1.95 N·m千亿体育官方网站千亿体育官方网站。电机转速为3 000 r/min千亿体育官方网站，再根据电机功率公式，如式(4)所示：

(4)

式中,P为功率;n为电机转速千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站。所需功率为P=0.6 kw千亿体育官方网站千亿体育官方网站，确定永坤电机100ST-M003230可满足设计要求，额定功率为1 kw千亿体育官方网站，额定转速3 000 r/min千亿体育官方网站，最大扭矩为9.6 N·m千亿体育官方网站千亿体育官方网站。

2.2 气动元件的计算选择

双作用气缸，输出推力如式(5)所示千亿体育官方网站千亿体育官方网站，输出拉力如式(6)所示，并按照标准缸径系列[9]进行圆整：

(5)

(6)

式中,p为气缸工作压力；η为气缸机械效率千亿体育官方网站，常为0.8千亿体育官方网站千亿体育官方网站。

取纸和抬升装置安装在直线导轨上千亿体育官方网站，气缸是推动导轨滑块来实现平移千亿体育官方网站千亿体育官方网站，负载约为70 kg千亿体育官方网站，钢珠型系列现行滑轨的摩擦系数为0.002[10]千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站，则气缸推出时其负载为1.4 N千亿体育官方网站。结合标准气缸系列千亿体育官方网站，选用缸径为16 mm的气缸千亿体育官方网站，根据所需气缸行程千亿体育官方网站，查表确定为QGX16×250-MF1小型气缸，此种型号气缸最小推力大于2 kgf千亿体育官方网站千亿体育官方网站，可满足使用要求。

3 有限元分析

有限元分析选用SolidWorks软件中的simulation。SolidWorks软件是一款用于三维机械设计千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站、仿真千亿体育官方网站、模具创建和设计交流的软件，其功能全面千亿体育官方网站、使用灵活[11]。

3.1 压纸横杆有限元分析

振动分析如图3所示，求解出前5节模式形态。对横杆进行强度计算千亿体育官方网站，根据中华人民共和国机械行业标准JB/T9022-2012振动筛设计规范可知，横杆受力由动载(惯性力)和静载(自重力)组成千亿体育官方网站千亿体育官方网站，将横杆简化为受均匀载荷的简支梁千亿体育官方网站，做静态计算千亿体育官方网站千亿体育官方网站。横杆均布载荷如式(7)所示千亿体育官方网站。

(7)

式中,W1为杆及其附件质量;l为杆的长度;Smax为杆的最大惯性力，如式(8)所示千亿体育官方网站。

图3 横杆前5阶模式形态

(8)

式中千亿体育官方网站，A为振幅千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站；ωj为振动圆频率千亿体育官方网站。

杆的弯曲应力计算如式(9)千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站、式(10)所示千亿体育官方网站。

(9)

(10)

式中,M为杆的弯矩;Z为横杆抗弯截面系数[12]。

计算得横杆弯曲应力为：

σw=23.7 MPa≤[σw]=24.5 MPa,

式中千亿体育官方网站，[σw]为杆的许用弯曲应力千亿体育官方网站。

3.2 旋转连接台与台面有限元分析

连接平台在装置中属于重要的连接部件千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站，其受力主要在于台面所受的压力与中间过渡段所受的扭矩千亿体育官方网站千亿体育官方网站，强度必须要高千亿体育官方网站，需要进行详细的有限元分析。要求台面承受负载不会发生形变千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站，轴在设备运行时有足够的强度承受扭矩千亿体育官方网站。连接平台的有限元分析如图4千亿体育官方网站、图5所示千亿体育官方网站千亿体育官方网站。由图4a可知千亿体育官方网站，施加在平台平面上的最大应力为σ=1.806 MPa，而45号钢的屈服力为530 MPa千亿体育官方网站，故零件所受最大应力远小于材料的屈服力千亿体育官方网站千亿体育官方网站；由图4b可知千亿体育官方网站，平台的最大位移量为5.772×10-4 mm，这在移动中是允许的，因此装置不会发生非弹性形变；由图4c可知千亿体育官方网站千亿体育官方网站，零件的安全系数即零件所受力与屈服力之比千亿体育官方网站千亿体育官方网站，最小值远大于1千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站，故此零件强度符合要求千亿体育官方网站。由图5a千亿体育官方网站、图5b可知，施加在过渡段轴上的最大应力为σ=1.4 MPa，远小于材料屈服力千亿体育官方网站，过渡轴的最大位移为4.842×10-5 mm千亿体育官方网站，在允许的范围之内，不会发生非弹性形变千亿体育官方网站千亿体育官方网站；由图5c可知千亿体育官方网站，零件的最小安全系数远大于1千亿体育官方网站，零件结构强度高千亿体育官方网站千亿体育官方网站，符合设计要求。

图4 旋转连接平台受力云图

台面的有限元分析如图6所示。由图6可知千亿体育官方网站，施加在平台平面上的最大应力为σ=119.2 MPa千亿体育官方网站，故零件所受最大应力远小于材料的屈服力千亿体育官方网站；由图6b可知，平台的最大位移量为0.34 mm，因此装置不会发生非弹性形变；由图6c可知，零件的安全系数分布中最小值为4.4千亿体育官方网站千亿体育官方网站，大于1，故此零件强度符合要求。

图5 旋转连接平台轴受力云图

图6 台面有限元分析

4 控制流程设计

4.1 单片机与控制

目前大多数的伺服系统均采用电力驱动方式，驱动器的内部通常含有电机位置反馈装置千亿体育官方网站千亿体育官方网站，利用光电编码器或者旋转变压器反馈位置信息，从而达到位置控制的闭环控制。现有的伺服电机的控制方式有脉冲控制、模拟信号控制两种比较常用的控制方式。由于模拟信号控制方式对于速度变化不确定千亿体育官方网站，而且在精度很高的场合缺乏灵活性，故通常采用脉冲控制的方式千亿体育官方网站，通过改变单位时间内PWM的导通时间，来控制伺服电机的转速千亿体育官方网站，以此控制单位时间内装置行进的距离[13-15]。

设计采用的C8051F020单片机可以通过内部的捕捉比较寄存器产生PWM信号。与标准8051的定时器/计数器相比，C8051F020内部的PCA提供了增强定时器功能千亿体育官方网站，因此它所需的CPU干预更少[16]千亿体育官方网站千亿体育官方网站。同时配合外部编码电路千亿体育官方网站，可以根据实际需求实现不同PWM波的输出千亿体育官方网站，因此适用于不同距离传输要求的场合千亿体育官方网站，具有较为广泛的适用性千亿体育官方网站。

4.2 流程设计

软件系统采用那б谔逵俜酵厩б谔逵俜酵?？榛喑痰乃枷肭б谔逵俜酵?，将系统分成若干个相互独立的?？?千亿体育官方网站，集中管理，分散控制，根据需求依次调用千亿体育官方网站千亿体育官方网站。这种结构可以对各个功能?千亿体育官方网站？榉直鸨喑?，分别调试千亿体育官方网站，具有良好的维护性和清晰的结构千亿体育官方网站，也利于后续的查错千亿体育官方网站千亿体育官方网站、修改或者管理[17]千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站。软件整体结构图如图7所示千亿体育官方网站千亿体育官方网站。

该系统与抓取工序进行配合，故主要为自动运行千亿体育官方网站，在自动运行模式下，只需发送整体运行的指令千亿体育官方网站，系统就会根据流程调用不同的子程序来实施生产控制千亿体育官方网站千亿体育官方网站。该模式主要包括压纸子程序千亿体育官方网站千亿体育官方网站、吸纸子程序千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站、移送子程序千亿体育官方网站千亿体育官方网站、伺服运行子程序及急停子程序等千亿体育官方网站。压纸子程序实现对纸张的压紧千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站，以便其他装置取走玻璃。吸纸子程序控制吸盘吸放纸张千亿体育官方网站。移送子程序控制旋转装置与平移装置将纸张送至盛纸架上千亿体育官方网站千亿体育官方网站。急停子程序，在推送过程中按下急停按钮，系统会立即暂停所有动作千亿体育官方网站千亿体育官方网站，而当急停按钮复位后系统会继续运行千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站。

伺服运行子程序：在自动运行模式下，伺服运行子程序是系统的核心运行部分千亿体育官方网站，该子程序的控制流程图如图8所示千亿体育官方网站千亿体育官方网站。在系统初始化完成后，由于伺服电机采取的位置控制模式千亿体育官方网站，首先要进行寻零操作千亿体育官方网站，确定零点位置千亿体育官方网站千亿体育官方网站，保证取纸位置的精确性。同时设置了等待点千亿体育官方网站，当没有准备好时千亿体育官方网站，伺服电机运行在等待位，玻璃一旦被取走千亿体育官方网站，在吸盘吸取住纸张后千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站，电机与气缸带动玻璃移至纸架位置千亿体育官方网站。

图7 软件系统结构 图8 伺服运行子程序流程图

5 样机与调试

图9 自动取纸机样机

根据前述的设计方案开发了实际样机千亿体育官方网站，如图9所示千亿体育官方网站千亿体育官方网站。通过对样机的调试千亿体育官方网站，工作顺序为调整相应的高度、气缸压紧千亿体育官方网站千亿体育官方网站、机械爪取走玻璃千亿体育官方网站千亿体育官方网站、气缸复原、吸纸后旋转与平移，将纸准确地送至盛纸架千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站。取纸的频率与后方生产线的抓取、切割等工序相配合千亿体育官方网站，取纸节拍调整至大约每2 min 1张(取纸速度大约每分钟1张千亿体育官方网站，等待切割裂片时间为1 min)千亿体育官方网站，市面上一些设备取纸节拍则为1小时22张，效率相对较高千亿体育官方网站；根据厂房现场环境与盛纸架摆放位置千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站，确定取纸横杆旋转角度为90°千亿体育官方网站千亿体育官方网站，而后在气缸推动下千亿体育官方网站，平移行程确定为200 mm千亿体育官方网站，将纸张运送至盛纸架上千亿体育官方网站。整体装置运行稳定，配合良好千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站千亿体育官方网站。

6 结论

自动化取纸机由压纸装置千亿体育官方网站千亿体育官方网站、取纸装置、抬升装置与移送装置4个部分组成千亿体育官方网站，操作调整方便千亿体育官方网站。对取纸机关键零部件进行分析千亿体育官方网站，结果显示零部件不会发生非弹性形变千亿体育官方网站千亿体育官方网站，结构稳定千亿体育官方网站，强度高千亿体育官方网站，符合设计要求千亿体育官方网站。取纸机工作顺序为调整高度千亿体育官方网站、压纸千亿体育官方网站千亿体育官方网站、吸纸、移送千亿体育官方网站千亿体育官方网站，调试后装置运行稳定，取纸节拍为2 min一张，效率高。

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