自动化皮革绷板机的设计与应用_杨一铭.pdf
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1、第 4 期第 33 卷第 4 期2023 年 8 月皮革科学与工程LEATHER SCIENCE AND ENGINEERING33(4):17-21Aug.2023doi:10.19677/j.issn.1004-7964.2023.04.004自动化皮革绷板机的设计与应用杨一铭1,2,任工昌2*,桓源2,洪杰2,丁旭江2(1.西安航空职业技术学院航空维修工程学院,陕西西安710089;2.陕西科技大学机电工程学院,陕西西安710021)摘要:为解决目前皮革在绷板干燥工序中相关设备自动化、智能化程度低的问题根据现有绷板干燥工序的加工需求,对绷板框架、自动上下夹机构和末端执行器进行设计,并对工
2、业机械臂合理选型,完成了整个自动皮革绷板机的设计。控制系统采用 STM32 单片机作为下位机,通过视觉识别和各类传感器来完成各步工序的状态监控。结合自动皮革绷板机提出了新的工艺流程,可确保皮革的干燥度和得革率达到要求。自动化皮革绷板机的成功设计可大幅提高皮革生产效率和节约人力成本,对推进皮革生产行业的智能化、自动化发展具有积极意义。关键词:绷板干燥;工业机械臂;视觉识别;自动化中图分类号:TH 164文献标志码:ADesign and Application of Automatic Leather Toggling MachineYANG Yiming1,2,REN Gongchang2*,
3、HUAN Yuan2,HONG Jie2,DING Xujiang2(1.SchoolofAviationMaintenanceEngineering,XianAeronauticalPolytechnicInstitute,Xian710089,China;2.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xian710021,China)Abstract:In order to solve the problem of low-degree automation and
4、intelligence of related equipment in the currentleather toggling drying process,this paper designed the special tension plate frame,automatic upper-and-lower clampingmechanism and the end actuator,according to the processing requirements of the existing toggling drying process,andselected a reasonab
5、le industrial mechanical arm to complete the design of the whole automatic leather toggling machine.STM32 single chip microcomputer was used as the lower computer to control the whole machine,and the status monitoring ofeach process was achieved through visual identification and various sensors.A ne
6、w process flow was put forward incombination with the automatic leather toggling machine,which can ensure the dryness degree and leather yield meet therequirements.The successful design of automatic leather toggling machine can greatly improve the leather productionefficiency and save labor cost,and
7、 has positive significance for promoting the intelligent and automatic development ofleather industry.Key words:toggling drying;industrial mechanical arm;visual recognition;automation收稿日期:2022-10-26基金项目:陕西省重点研发计划资助项目(2022GY-250);西安市科技计划项目(2022JH-RGZN-0098)第一作者简介:杨一铭(1996-),男,工程硕士,助教,研究方向:机器人技术。E-mai
8、l:。*通信作者:任工昌(1962-),男,博士,教授,博士生导师,研究方向:创新理论、机器人技术。E-mail:。引言绷板干燥是皮革加工中一道极为重要的工序1,在皮革鞣制加工后,皮革的含水率会达到 60%,而在绷板干燥工序后皮革的含水量为 20%左右2,且绷展完成后的皮革面积可增加 8%16%3-4。目前皮革绷板干燥主要有两种方式,一种是通过人工用绷板夹夹紧皮革边缘,拉伸后将绷板夹上的金属挂钩插入绷皮板上的小孔中,完成整张皮的绷展;另一种是通过绷板夹夹紧皮革边缘后,利用人工驱动螺杆或液压推动螺杆实现皮革的绷展,而后固定在金属框架中进行干燥1。皮革加工厂中大多数都采用自动循环式皮革绷板机5,通
9、过 46 名工人使用绷板夹将皮革固定在绷皮板上后,利用循环导轨将绷皮板运送至加热室,待加热完成后再由人工将绷皮板拉出至绷皮工位,将干燥完成的皮革取出,完成一个工作循环。由此可见,皮革加工设备智能化、自动化程度不高6。本文针对人工绷展皮革中存在的问题,设计出一款自动绷板机,并制定了合理的工艺流程,对推进皮革工业的发展具有积极意义。皮革科学与工程第 33 卷1 自动绷板机结构及工艺流程1.1 工艺流程根据皮革绷板干燥的工艺需求,本文提出的自动化绷板机如图 1 所示,共分为 6 个部分。包括专用绷板框、工业摄像头、机械臂、传送模块、绷展工作区域和烘干室。分别可以实现对皮革的夹紧及绷展、皮革头尾方向和
10、边缘轮廓识别、专用绷板夹自动上下夹、绷板框自动传送、绷板框固定和皮革进行干燥的功能。绷板机的控制系统包括工序循环控制和机械臂抓取控制两个部分。工序循环控制通过传感器和工业摄像头识别绷板框的位置并发送信号给上位机,通过单片机控制电机完成专用绷板框在绷展工作区和烘干室之间的传送。机械臂抓取控制是通过视觉模块获得皮革边缘轮廓信息,利用双机械臂协同完成对皮革的上下夹操作和绷展操作。整体控制步骤如图 2 所示,当整套系统开始工作时,烘干室内的水分传感器和温度传感器会分别检测皮革的含水量和烘干室内温度。当皮革含水量达到预定值后,皮革干燥完成,通过传送模块传送至绷展工作区域,绷板框达到预定位置后,传送模块停
11、止工作。利用摄像头识别皮革轮廓和绷板夹,将位置信息发送给上位机(计算机),上位机将位置信息转换成夹取坐标后,控制机械臂进行松夹操作。松夹操作完成后,取出干燥完成的皮革,再次放上新皮,通过摄像头识别皮革的头尾方向和边缘轮廓信息,获取夹取坐标后,控制机械臂完成上夹后绷展作业。当摄像头检测面积变化达到阈值后,传送模块启动,将绷板框传送至烘干室,完成整个后续烘干作业。1.2 专用绷板框设计绷板干燥的主要目的是增加皮革得革率,减少含水量,使其获得更高的经济收益。皮革是具有各向异性的不规则片状柔软物,通过前期研究表明,在对皮革进行绷展时,垂直于皮革背脊线的方向施加更大绷展力和更小绷展间距会获得更好的得革率
12、7-8。根据前期探究得到的绷展位置与绷展力对皮革面积变化的影响,在设计皮革绷板框架时,按照最优的绷展位置进行设计9。专用绷板框的结构如图 3 所示,绷板框为长方形结构,分为内框和外框,内外框之间设置有导轨。导轨分布按照羊皮的最优绷展位置进行设计,以期获得最大的绷展面积。图 1 自动绷板机总体结构图Fig.1 General structure drawing of the automatic toggling machine图 2 自动绷板机工作流程图Fig.2 Work flow chart of the automatic toggling machine图 3 绷板框俯视图Fig.3 T
13、op view of toggling plate frame18第 4 期杨一铭,等:自动化皮革绷板机的设计与应用皮革绷板工序中,其主要步骤为整张皮革的完全绷展。为实现绷展过程的自动化,在专用绷板框中设计了专用夹具,可实现对皮革边缘的夹紧和绷板夹完成皮革绷展后的自动锁止,其结构如图 4(a)所示。在导轨上设置有棘条,夹紧装置上设置有棘爪,棘爪下方设置有弹簧,当对棘爪施加向下压力时,棘爪会绕销顺时针旋转一定角度,同时机械臂将专用夹具向后拖动一定距离,进而棘爪与棘条分离,当棘爪上的下压力消失时,弹簧可将棘爪顶起,棘爪与棘条完成锁止,从而实现夹紧装置在皮革绷展后的自锁。利用夹紧装置上的滚轮与导轨配
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