可重复机械手臂自动化（新型智能工业机械手臂）
可重复机械手臂自动化（新型智能工业机械手臂）●○纱线与绳索○●①从加捻和络筒机上移除连续的纱圈，以及切割纱线并将另一端连接到轴以继续进行该过程，构成了主要问题。由于其自动化潜力，为此过程创建了一个移动自动系统，该项目考虑了 3D 模型的设计，这种新型机器人机械手增加了有用的生产时间，缩短了绕组线圈的拆卸周期时间。这个过程是怎样发展起来的？系统成型之后又制造出了怎样的产品？
文|芝士派讲解员
编辑|芝士派讲解员
钢丝绳制造是一个古老的行业，由于需要不同行业具有特定特征的产品，因此在市场上保持着自己的地位。
在这个行业中，仍然有大量劳动力致力于内部物流运营，因此需要现代化和性能改进，这导致了一种新技术方法的开发，以克服与人类行为和疲劳相关的不确定性。
从加捻和络筒机上移除连续的纱圈，以及切割纱线并将另一端连接到轴以继续进行该过程，构成了主要问题。
由于其自动化潜力，为此过程创建了一个移动自动系统，该项目考虑了 3D 模型的设计，这种新型机器人机械手增加了有用的生产时间，缩短了绕组线圈的拆卸周期时间。
这个过程是怎样发展起来的？系统成型之后又制造出了怎样的产品？
①
●○纱线与绳索○●
绳索行业是一个非常古老的部门，包括三个子部门，即合成绳，网绳和剑麻绳，每个子部门都有不同的生产工艺。
纱线的生产与纺织工业本身可能位于同一家公司，但它们包含完全不同的制造工艺和设备，要求纱线在制造后卷绕成卷轴，然后将其纳入纺织品的生产设备。
纱线和绳索行业需要收卷和放卷操作，从生产到它们在纺织产品中的应用，都要制造，纱卷的制造过程取决于最终产品，取决于它是电缆、绳索还是纱线。
对于这些产品中的任何一个，都需要包括一个用于放卷的系统，另一个用于张紧并通常积累待处理产品的系统，以及另一个用于缠绕的系统，即进料器，浮动器和收卷机。
即使在主要的纺织纱线生产设备和织造中完美地实现了自动化，卷筒的启动和定型阶段仍然需要人为干预，这使该行业无法整合预期的工业原则。
这种情况在合成绳的制造中仍然可以更强烈地识别。这是开发这项工作的主要动机，以期也使此类操作自动化。
机器人技术在最近的许多研究中具有特别的相关性，其中一些研究试图总结该领域未来解决方案开发的不同模型。
工业过程的自动化需要一个非常严格的诊断阶段，随后必须有一个选择最佳解决方案的阶段，该阶段要考虑到灵活性、结果的严谨性和成本效益比。
传统的自动化可以完美地集成到更复杂的机器人解决方案中，而不会损害系统的整体灵活性，甚至增加这种灵活性。
这项工作是为了开发一种机器人系统的新概念，用于启动和完成纺织纱线络筒操作，消除对连接到该工艺的操作员的需求，并允许制造解决方案，允许按照工业4.0的基本概念演变为集成工艺。
②
●○材料和方法○●
这项工作的重点是从加捻和络筒机上去除连续纱线卷的新概念，它切割纱线并将另一端连接到轴上，以便继续该过程。
最初是手动执行的，但是消除人力和改进过程的需求导致了其自动化，对先前的概念进行了评估，确定了与之相关的问题和改进的机会。
描述了定义的目标后提出了新概念，介绍了自动化设备的项目，揭示了开发的主要阶段和最终成果。
这项工作中描述的过程包括卷纱的处理和产品的相应物流操作。这一过程源于制绳行业需要改进，该行业仍然需要大量的劳动力。
通过引入能够在不久的将来集成智能制造概念的更自动化的系统来降低成本，获得该产品的初始过程需要大量的劳动力。
图2.带有线圈拆卸所需动作顺序的图表。
在制绳行业，密集型劳动仍然占主导地位，在这项工作所考虑的特定情况下，从络筒机中取出纱卷并将它们存储以完全手动的方式进行。
为自动化提供新概念，减少所需的劳动力，并降低不良品率，提高生产速度，从长远来看，降低公司的成本，从而产生更有利可图的过程。
图3.头脑风暴结果。
通过这种方式，公司还可以开始将这些节省的工时用于其他更重要的活动，以改进最终产品并满足客户需求，适应市场需求并始终领先竞争对手一步。
由于这个过程的复杂性，有必要逐步解构制造过程，以便了解其弱点以及通过自动化它有改进空间的地方，这样就不需要人力了。
表 1.EOAT 分解视图的标题。
在分为组件和子组件后，对零件和嵌件进行了仔细分析，在设计上进行了优化，并仔细选择材料，并使用CAE方法进行了深入的应力分析，这是一个涉及专业工程团队持续工作以达到最佳结果的程序。
考虑到需要知道哪种是开发该程序的最佳方法，所遵循的策略包括：进行头脑风暴过程，以便更好地准备和协调要遵循的道路。
图4.EOAT分解图。
对可能的概念进行评估，这些概念可以用于新型机器人模拟器;权衡拟议的选项，以便选择最佳选项;通过设备的机械设计和自动化编程，开发选定的系统，使其执行预期的任务。
在头脑风暴会议期间，考虑到定义的目标，验证了解决编程的必要性，还进行了并行推理过程，确定了哪种类型的自动化是可行的。
图5.EOAT的子组件图。
鉴于必要的要求和头脑风暴的结果，对每个提出的想法进行了 SWOT 分析：固定解决方案在项目尺寸上带来了更大的自由度，并允许缩短周期时间，降低过程和产品的成本。
这是市场上已经存在的解决方案，它在车间占据了很大的区域，每个复卷机都需要自己的机器。
图6.“线圈支架”组件的分解图。
复卷机的修复解决方案是可靠的，并且由于它具有可编程的自动化功能，因此可以处理不同尺寸的线圈。
由于硬件更新，这种类型的自动化是可以实现的，这是对复卷机修复至关重要的阶段，另一方面，这是一个复杂的项目，机器在空间方面受到限制。
图7.“轴连接器”子组件的分解图。
③
●○结果○●
为了更好地理解各种EOAT组件的功能，这些组件将被解构，子组件的呈现方法是按时间顺序与产品相关联，并依赖于它的其他子组件。
线圈支撑组件线圈支撑组件负责支撑线圈及其上的每个元件。
图8.负责拾取和扩展可膨胀气动轴的机构的剖视图。
在此程序集中，有一个子组件需要更严格地探索，该子组件具有四个功能。
- 连接并保持EOAT和可扩展气动轴之间的连接;
- 支撑 EOAT 中的线圈;
- 将旋转传递到可扩展气动轴;
- 激活膨胀气动轴内的阀门。
图9.负责旋转可膨胀气动轴的机构的剖视图。
为实现功能而开发的机构中喷嘴的目的是激活可膨胀气动轴中的阀门，外管的任务是支撑线圈并保护机构，它由AISI 304不锈钢制成，以防止它们相互接触时损坏产品。
连接功能由箱形扳手执行，箱形扳手具有由弹簧执行的机械线性运动，喷嘴与内管一起用于给可膨胀气动轴充气，线性运动由圆柱体提供，。
图 10.可扩展气动轴的分解图。
对于“轴连接器”中的弹簧，最大的限制是其尺寸，因为它受到可膨胀气动轴的旋转传动管和支撑线圈的结构管的限制。
需要一个压缩弹簧来确保受影响的元件始终向前，所讨论的元件是两个机加工部件，一个用作可膨胀气动轴（螺纹）的六角形部分中的配合部件，而另一个用作弹簧的挡块和前进限制器。
图 11.膨胀气动轴机构YZ平面剖面。
遵循了一种更务实的方法，即制作弹簧进行测试，获得最佳结果，这就是采用这一概念的原因。
这个弹簧的工作排量受到停止的限制，因此它不会失去其质量，该轴还具有将旋转传递到可膨胀气动轴的机构，该机构应该能够防止可膨胀气动轴及其组成的所有元件的惯性。
可膨胀气动轴的扭矩、角速度和一圈时间已经过计算，随着工具的任何未来更改/改进，设计人员可以毫无困难地执行工具修改的计算。
由轴连接器中的喷嘴激活，清空气动轴，以便可以卸下纱圈，在新的缠绕过程开始之前，正是同一个阀门将允许执行相反的过程。
图 13.负责旋转卷杆的机构。
卷绕机的气动轴弹簧固定在 U 形铝型材内，襟翼更加封闭，弹簧通过这些襟翼保持固定，可扩展臂组件为了满足要求，需要一种方法来取卷，拿起纱线并将其运输到一些战略点而不会损坏它。
必须在不损坏产品的情况下移除线圈，其中线圈的所有纱线都被张紧，当气动轴收缩时，线圈会收缩一点，这是棒材必须能够承受的阻力。
图 14.可扩展臂中存在的三个子组件的分解图。
线圈杆子组件必须具有旋转运动，以到达绕线机内的某些必要位置，这种运动是可扩展杆组件完成的。
第一个子组件命名为“线圈杆”，第二个子组件命名为“纱臂”，最后命名为第三个“可扩展杆”。后者具有容纳整个机构的功能，用于将运动传递到其他两个子组件。
图 15.纱臂子组件的线性运动及其依赖性。
除了旋转运动外，纱臂子组件还有一个关键的运动，可以更好地满足要求，这是一种线性运动。
引导纱臂子组件的线性运动，行程为 50 mm，暴露的气缸嵌入在喷嘴激活系统中，并具有可见的倾斜度，因此不会因其必须作用的角度而损失太多行程，从而允许其与纱臂子组件直线作用。
图 16.夹持器机构的分解图。
纱臂行程的目的是满足将纱线连接到气动轴的要求，当需要将纱线连接到可膨胀气动轴时，必须通过移动机械臂在所有EOAT中进行30°旋转运动来操作该机构。
这种 30° 角是必不可少的，这样纱线就可以到达气动轴的销钉，因为纱臂子组件的行程尺寸有限。
图 17.夹持器机构的工作位置。
该机构能够抓住纱线，由于气缸会对纱臂子组件施加力，并且施加在纱臂上的张力量未知，因此使用库存气缸进行测试并更好地了解所需的力。
有必要估计它必须克服的力量，在纱臂子组件中，还存在另一个机构，负责捕获纱线并保持其连接，以便其可操纵，这是这个工具的“手”。
在需要脱离新过程的情况下，棘爪被激活，弹簧必须起作用以使机构返回其静止位置。最后，手臂的线性运动由组件进行。
图 18.主轴组件的分解视图。
组件负责为可伸缩臂提供轴向运动，使其能够在绕线机内移动主轴执行的轴向线性运动允许机构执行操作。
底座对准组件以下组件有一个非常简单的功能：保持底座与地板平行，此过程由机械臂的运动辅助，由圆柱体执行。该组件位于距连接轴的战略距离处。
图 19.可伸缩臂组件的线性运动及其依赖性。
在支架对齐的情况下，可以执行连接轴和绕线机中存在的可膨胀气动轴之间的联轴，支架对准组件并配有导轨，因此气缸不必承受支架施加的应变。
该组件的气缸必须能够克服直线导轨产生的摩擦力和加速力，手柄切割组件除了保证切割外，还必须确保纱线保持在战略位置，因为仅加热刀片并不能保证纱线的干净切割。
图 20.底座对准套件的分解图。
通过结合该机构中的两个子组件，板材将创建一个固定且平坦的表面，其中纱线将被封闭，以便切割刀片正常工作。
在该系统中，需要将纱线放置在一定位置才能实现切割，并且连接到拉纱系统圆柱体上的板为此目的有自己的设计。
图 21.手柄切割组件的分解视图。
为切割系统提供平坦的区域，它还确保一旦拉动纱线，它就不会逃脱，为了保证板材的位置不改变，选择了带有防旋转系统的圆柱体。
切割系统包括一个通过电阻加热的刀片和一个用于控制温度的探头，由于大多数材料都是金属的，因此这种机制是为了避免温度损坏圆柱体，使用赛扬来减少固定材料与圆柱体之间的热传递。
图 22.处理子组件的分解视图
基础结构组件所有开发的组件都需要一个共同的底座，作为与机械臂的支撑和连接，该组件采用铝型材开发，因为它允许在必要时进行更大的调整自由度。
该系统具有支撑整个EOAT的功能，包括线圈，由于这是一个关键点，必须确保整个系统的完整性而不会崩溃，因此必须对其进行研究以验证其结构功能是否必须重新设计。
在进行有限元分析后，仿真表明有必要在零件结构中引入钢筋，因为EOAT在任何位置都不安全。
图 23.切割子装配体的分解和装配视图。
裸露的设计对应于理想化生产线解决方案的一部分，整个项目是一套机械系统，它总结为一条能够处理 17 台卷绕机并能够扩展的自动化生产线。
整条生产线由各种机械部件组成，即用于运输最终产品的传送带、用于移动的机械臂和导轨、EOAT、支撑结构和安全系统。
图 24.铝型材框架，具有连接和支撑功能。
在实施这种新的生产工艺之前，所有的络筒机都是手动操作的，只有人工干预即可拆卸每个卷材并用另一个卷材替换它，以便开始新的纱线络筒。
通过这种方式，这个过程构成了纱绳制造行业的新事物，工业4.0方法被付诸实践，以克服来自体力劳动的现有障碍。
图 25.机械臂连接组件。
通过信息的集成和更高的流程自动化，该行业正在经历新的变革时代;但是，如果不完成所有流程的自动化并能够集成，就无法进行这些更改。
除了项目的努力和经济回报外，该解决方案转化为可以完全集成的生产系统，其中流程的灵活性和信息的集成使系统能够接近通常定义为智能制造或工业4.0的概念。
图 26.优化的EOAT背板设计。
尽管许多研究的主要动机是减少生产周期时间和减少工作，但这项工作的主要动机主要是确保连续的工作流程和在同一生产线中集成大量设备，因为这是纺织行业通常经历的现实。
这与汽车零部件行业所经历的现实形成鲜明对比，在大多数情况下，竞争力是主要动机，但也有可能找到主要动机是质量改进或过程集成的作品。
图 27.设计有 17 台复卷机及其给料机的生产线
还有一些情况下，自动化被修改，以减少由于故障而导致的生产停工，围绕这项工作中使用的自动化开发的机械解决方案也值得注意，处于类似工作中开发的其他解决方案的水平。
系统除了解决这项工作中定义的问题外，还可能构成非常有趣的解决方案，以克服其他类型的行业中的其他类似问题。
参考文献：
刘静，周凤星：未知环境下机器人受限机械手PLC阻抗控制系统。2022
冯严冰：基于GWO的机器人机械手PID控制器优化设计。2022
朱晓慧，任延举，杨得志，刘鹏：小型码垛机器人机械手抓取装置设计。2022
劳振鹏， 曾志彬， 黄市生， 吴国洪，陈学忠 ：带机械手的两轮视觉机器人的设计。2018
王先伟，吴明晖，周俊，邵佩迪，陈善本：名优茶采摘机器人机械手结构参数优化与仿真 。2018
如果你喜欢我的写的文章，麻烦请点个“关注”，欢迎在评论区与我一同探讨，愿世界和平。
END
