喷丝板微孔清理机器人的研究.docx

学校代码：10255 学号：2110644喷丝板微孔清理机器人的研究research on orifice-cleaning robot of spinneret作 者 姓 名：付 辉 专 业 名 称：机械设计及理论 导 师 姓 名：杨 崇 倡 答 辩 日 期：2014 年 2 月 26 日 东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密 ，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密 。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日喷丝板微孔清理机器人的研究摘 要喷丝板是化纤行业纺丝机中不可缺少的精密零件，在涤纶长丝高 速纺生产工艺中，熔体中存在的机械杂质、凝胶、碳化、热裂等微粒， 往往会堵塞喷丝板的微孔，从而造成纺制出来的丝纤度不匀和产生 “柱头丝”、“细丝”、“毛丝”等疵点，因此要定期对喷丝板及其他组 件进行清洗。本文首先介绍了国内外喷丝板清洗和检测的现状与发展，喷丝板 经过现有的全部清洗工艺清洗并使用专用设备检测后仍然会发现含 有杂质的微孔。本文分析了 aspex 公司的 spintrak 喷丝板检测系统 的压空清理功能和国内工厂人工针具清理方法的缺点，提出了实现喷 丝板微孔自动化清理的目标。其次，本文对喷丝板微孔清理机器人系统进行了总体方案设计。 针对喷丝板微孔人工针具清理效率低、清理均一性差和易损伤微孔等 问题，提出采用压缩空气与清理针具组合自动化清理的方法；针对从 大批量喷丝板的检测数据中快速提取相应的喷丝板的检测数据的问 题，提出了在喷丝板侧面钻盲孔来加工能被机器识别的机器码的方 法；为了增加喷丝板微孔清理系统的智能化程度，本文提出了开发喷 丝板气动抓取机械手来解决搬运喷丝板至目标位置问题的方法。本文i还对系统的整体布局和系统的控制系统方案进行了设计。 再次，针对喷丝板清理模块，本文对喷丝板微孔的自动定位进行了研究，采用 xy 水平运动平台和 z 轴电动平移台组合式三维空间喷 丝板微孔清理定位系统。在人工针具清理时，如果规格使用不恰当、 或通孔方向不正确、或者用力过猛都会挫伤孔口，针对此问题，采用 了针具竖直旋转刮擦的清理方法并设计了曲柄滑块式旋转清理机构。然后，针对喷丝板抓取模块，采用三指竖直外夹式的喷丝板夹持 方式，并对喷丝板抓取机械手进行了详细设计。针对喷丝板机器码识 别模块，本文开发了一套能被电脑扫描识别的喷丝板机器码，并在此 基础上对识别该机器码的喷丝板机器码自动识别系统进行了研发。最后，在上述研究的基础上，研制出了集喷丝板微孔清理功能、 喷丝板机器码识别功能、喷丝板自动抓取功能于一体的喷丝板微孔清 理机器人样机并进行了实验研究。实验表明，该系统提高了喷丝板微 孔清理的均一性和工作效率，填补了国内喷丝板微孔自动化清理领域 的空白，为喷丝板清洗、检测、清理“无人化”工厂作业奠定了基础。关键词：喷丝板，微孔，清理，机器码识别，机械手抓取iiresearch on orifice-cleaning robot of spinneretabstractspinneret is the precision part which is indispensable to the spinning machine used in chemical fiber profession. in the production process of polyester filament high-speed spinning, mechanical impurities, gel , carbide, hot tear and other particles that exist in the melt tend to jam the orifices of spinneret, resulting in some defects of silk , such as stigma silk, filaments, fuzz and denier uneven. so it is necessary to clean spinneret and other components regularly.first, this paper introduced the present situation and the development of the cleaning and inspection of spinneret. the orifices of spinneret containing dirt would be found after all the existing cleaning process, using special equipment to detect. the defects, of compressed air cleaning of spintrak spinneret detection system of aspex company and artificial needle cleaning in domestic, were analyzed in detail in this paper. the goal was presented that spinnerets orifices can be cleaned automatically.second, the overall scheme of the robot system about spinneret orifices cleaning was designed in this paper. artificial needle cleaning of spinneret orifices has some defects, such as low efficiency, poor homogeneity of cleaning results and tend to scratch orifices. for this problem, the automatic cleaning of spinneret orifices way combining the compressed air and needle was determined. for the problem extracting required quickly detection date of spinneret from the large quantities of testing data of spinneret , the method , machining spinneret machine code can be identified by machine by means of drilling blind holes on the side of the spinneret, was proposed. in order to increase the intelligent degree of cleaning system of spinneret orifices, the method was proposed that spinneret fetching manipulator need to developed to solve the problem transporting one spinneret to the target location. the overall layout and control scheme of the system were also designed in this paper.third, for the spinneret orifices cleaning module, the spinneret orifices automaticiiipositioning is studied. the three-dimensional spinneret cleaning positioning system, combining the xy horizontal motion platform and z axis electric translational platform, was determined. for artificial needle cleaning, if the not appropriate specifications needles were used, or the cleaning direction was not correct, or the strength was used hardly, the orifice would be bruised. aiming at this problem, the vertical rotating scrape cleaning way was applied and the rotary clearing mechanism detailed ,similar to the slider-crank mechanism, was designed.then, for grabbing spinneret module, the spinneret holding way of three-point vertical external clip-on way was determined. the spinneret grabbing manipulator was designed in detail. for the spinneret machine code recognition module, a set of machine code, which can be the scanned and identified by computer, had been developed in this paper. on this basis, the identification system of spinneret machine code was developed.finally, on the basis of the above research, the robot prototype about spinneret orifices cleaning, contains the cleaning function of spinneret orifices, the recognition function of spinneret machine code and automatic grabbing function, had been developed in this paper and the experimental research about this robot prototype had been done.the experimental results showed that the system improves the uniformity and efficiency of spinneret orifices cleaning and had filled the domestic blank in the field of in spinneret orifices automatic cleaning. it also laid the foundation for unmanned factory work of cleaning, detection and clearing of spinneret.fu hui(mechanical design and theory) supervised by yang chongchangkey words: spinneret, orifice, cleaning, machine code identification, manipulator grabiv目录摘 要iabstractiii第一章 绪论11.1 课题研究背景11.1.1 喷丝板简介11.1.2 国内外喷丝板清洗现状21.2 课题的来源及研究意义51.3 课题的难点、研究方法及实现目标61.3.1 课题的难点61.3.2 课题的研究方法61.3.3 课题的实现目标61.4 本章小结6第二章 喷丝板微孔清理机器人的总体方案设计72.1 系统的需求分析72.1.1 喷丝板微孔清理需求分析72.1.2 喷丝板自动抓取需求分析82.1.3 喷丝板自动识别需求分析82.2 系统的功能方案设计92.2.1 系统功能分析92.2.2 喷丝板清理模块方案设计102.2.3 喷丝板抓取模块方案设计182.2.4 喷丝板机器码识别模块方案设计192.2.5 控制系统方案设计202.3 本章小结22第三章 喷丝板微孔清理系统分析与详细设计233.1 喷丝板微孔自动定位的研究233.1.1 喷丝板微孔定位的硬件实现233.1.2 喷丝板微孔定位的软件实现273.2 喷丝板微孔清理装置详细设计283.2.1 喷丝板微孔清理工艺详细分析283.2.2 喷丝板微孔清理装置详细设计293.3 本章小结34第四章 喷丝板抓取机械手与机器码识别系统的开发354.1 喷丝板抓取机械手详细设计与制作354.1.1 喷丝板定位夹具设计与制作354.1.2 喷丝板抓取机械手末端执行器设计与制作364.1.3 喷丝板抓取机械手转动支架制作444.1.4 喷丝板抓取机械手工作流程设计与控制454.2 喷丝板机器码自动识别系统的开发464.3 本章小结49v第五章 喷丝板微孔清理机器人系统总成及实验分析505.1 喷丝板微孔清理机器人系统总成505.1.1 喷丝板微孔清理机器人系统集成设计505.1.2 四轴运动系统集成设计515.1.3 图像采集处理系统设计515.1.4 气动控制系统设计525.1.5 喷丝板微孔机器人系统的软件设计525.2 喷丝板微孔清理机器人清理实验与分析545.3 本章小结56第六章 总结与展望576.1 总结576.2 展望57参考文献59攻读硕士学位期间发表的学术论文62致 谢63vi第一章 绪论1.1 课题研究背景随着科学技术的进步，机械工业向高精度、高效率、超精密方向发展。为了 提高劳动生产率，降低劳动强度，机械工业也正在向着自动化加工方向发展。随 着时代的进步，科技的发展，直径小于 1 mm 的微孔已经广泛地出现在我们生活 中的各个领域，大到航空、航天、军事等方面的尖端零件，小到电路板、喷丝板、 模型、喷油嘴、模具、医疗卫生用具、钟表等民用零件，微小孔可谓无处不在1。1.1.1 喷丝板简介喷丝板是化纤行业纺丝机中不可缺少的精密零件，其功用是将精确计量过的 纺丝溶液通过喷丝板上的微孔喷挤出具有一定粗细和质地细密的纤维束。它的质 量是保证纤维成品质量和良好纺丝工艺的重要条件。喷丝板按用途可分为长丝喷 丝板和短丝喷丝板两种。通常在一块短纤维喷丝板上微孔数量大约为 5000 孔， 微孔直径一般是 0.1 1mm，其微孔的制造精度要求高，精密级为0.001 mm， 普通级为0.003mm。长丝喷丝板板面尺寸较小，且微孔数量较短纤维喷丝板少， 从几十个到几百个不等2-4。图 1-1 圆形孔喷丝板孔道如图 1-1 所示，喷丝孔由导孔、过渡孔和微孔构成，其中微孔对丝条成型影 响最大，按微孔的形状不同，可以分为圆形孔喷丝板和异形孔喷丝板。对于纺丝1时喷丝板微孔直径大小的选择，一般情况下，高粘度的熔体应选择较大孔径，低 粘度的熔体应选择较小的孔径5-8。例如，纺锦纶时，应采用的微孔孔径为 0.25mm 左右；纺涤纶时，应采用微孔孔径应在 0.28mm 以上；喷丝板的长径比对丝束成 型影响很大，表 1-1 为常用熔融纺丝圆形孔喷丝板孔径与长径比。表 1-1 常用熔融纺丝圆形孔喷丝板的孔径与长径比熔融纺丝 喷丝板孔径2(mm)长径比 l/ 20.070.51/15/10.511/110/1121/125/1由于喷丝板常暴露于高温或有腐蚀性的试剂环境中，其工作条件一般为温度 t450、压力 p39105 pa，目前很多国家已普遍推广采用 18cr 类、18-8 类、 m19-12 类三种不锈钢制成的喷丝板。日本在化学纤维工业生产上被普遍使用的 喷丝板材料有 sus32、sus27、sus24 等三种，也有以 sun24、sun53 牌号的 不锈钢材料制成的喷丝板应用在生产中。国内化学纤维工业常用的喷丝板材料为 sus630，这是一种 fecrni 组成的奥氏体不锈钢，它既有高的塑性和良好的 机械性能，又有很好的耐腐蚀性能。有时为了进一步改善切削性能，在上述材料 成分中加入少量的钼和铌等元素9-10。1.1.2 国内外喷丝板清洗现状在涤纶长丝高速纺生产工艺中，熔体中存在的机械杂质、凝胶、碳化、热裂 等微粒，往往会堵塞喷丝板的微孔，从而造成纺制出来的丝纤度不匀和产生“柱 头丝”、“细丝”、“毛丝”等疵点，因此要定期对喷丝板及其他组件进行清洗。目 前国内喷丝板清洗的主要有以下五种方法：煅烧法、盐浴法、al2o3 硫化床法、 三甘醇溶液剂清洗法和真空炉热解法。现在也有一些国外的公司采用水解流动床 热清洗法，其方法是使床浴流体化，利用其优良的传导性和气压控制功能以非常 短的时间完成清洗过程。这种方法的优点是可以随时去掉聚合物杂质，且参与量 最少，对环境也无污染，清洗过程所需时间也短11-14。为了保证纺丝的质量，现在最好的办法就是将以上几种方法联合使用。德国 的 rieter 公司开发了一套标准的喷丝板清洗系统，它包括各种不同的技术，如 图 1-2 所示。2预清洗主清洗后清洗检测煅烧溶剂清洗真空热解清洗超声波清洗高压清洗碱性浴、冲洗浴等汽泡法称重法显微镜光学测试设备图 1-2 rieter 公司的喷丝板清洗系统一般情况下，真空煅烧炉的容量和温度是可以调节的，以适应不同种类煅烧 部件的要求。煅烧熔炉的温度通常控制在 300以下，大约 80 %的黏附聚合物 可被缓和熔掉，这样可以使接下来的主清洗工序时间大幅度缩短同时大大降低物 质和能源方面的消耗。为了给以后清除非聚合物污垢的清洗工序提供方便，主清洗工序主要是尽最 大可能将煅烧后剩余的有机物从设备部件上去除掉，目前普遍采用的主清洗工序 是溶剂清洗和真空热解清洗，效果非常好。后清洗是清洗技术中最重要的工序，在这一阶段中，来源不同的污垢必须全 部去除，目前常用超声波清洗和高压水清洗。喷丝板经过预清洗、主清洗、后清洗等全部清洗工艺后，其微孔内凝结的高 聚残留物并不能全部清除，如图 1-3 所示。为了保证良好的纺丝工艺和纤维成品 质量，必须对清洗后的喷丝板进行检测和再清理。残留杂质图 1-3 清洗后喷丝板微孔边残留杂质在喷丝板检测方面，其检测方法有手动检测、半自动检测和全自动检测，根 据作用方式的不同又可以分为接触式检测和非接触式检测。接触式检测形式存在 二次污染，是一种定性的检测，检测的项目是孔堵塞，因此目前在实际生产中一 般采用非接触式检测。非接触式检测不存在污染，人工目测采用显微镜对喷丝板 上各个微孔进行目测，这种检测方法只是一种定性的检测，只能大致的目测出如 微孔是否堵塞、圆形微孔的圆形度、光洁度等这些参数，如图 1-4 所示。3体式显微镜图 1-4 人工目测目前在世界上处于领先地位的喷丝板全自动检测系统几乎都产自美国和德 国，如美国 aspex 公司研制的 spintrak 喷丝板图像处理检测系统；德国 zentes 公司的喷丝板检测仪，promik 700ims 及 400ims 全自动型15，如图 1-5 和图 1-6 所示。图 1-5 aspex 公司的 spintrak 喷丝板图像处理检测系统图 1-6 zentes 公司的喷丝板检测系统喷丝板经过全部的清洗工艺并经过检测后仍然会发现含有杂质的微孔，这些 带有杂质的喷丝板微孔必须要及时进行再清理，否则可能会影响纺丝的质量。aspex 公司的 spintrak 喷丝板图像处理检测系统配有空气喷嘴，可自动采 用压缩空气进行吹气清理，但是采用压缩空气清理微孔的可靠性不高，并不能对 微孔进行完全清理，spintrak 喷丝板图像处理检测系统的处理方式是把对于吹气4无法清理干净的微孔判定为不合格的孔，并自动用铅笔做出记号，检测系统相应 的做出记录，便于人工进行处理。国内化纤厂对于检测后含有杂质的喷丝板微孔 采用人工清理的方式，如图 1-7 所示。图 1-7 人工清理喷丝板人工清理喷丝板的方法是，针对有杂质的微孔在显微镜的帮助下采用相应规 格的针具对喷丝板微孔进行人工清理。压缩空气清理方式与人工针具清理方式的 对比表如表 1-2 所示。表 1-2 压缩空气与人工清理对比优点缺点喷丝板微 孔 清理方式压缩空气环保、无污染、 便于自动控制仅对大尺寸杂质 清理效果较好、 不能完全清除杂 质人工针具可清除大小不同 的杂质效率低、清理效 果均一性差、容 易戳伤微孔1.2 课题的来源及研究意义根据国内化纤厂的实际生产情况，喷丝板经过全部的清洗工艺清洗并经过压 缩空气吹干后，一般会采用手动镜检仪或全自动喷丝板检测系统逐孔进行最后的 检测，如果喷丝板微孔内仍然有残留物，则必须要用压缩空气重新吹，如果残留 物仍然清除不掉，则工人一般会用相应规格的针具手工完成微孔的清理工作。人 工清理喷丝板微孔工作效率低，劳动强度高，如果针具规格使用不恰当、或通孔 方向不正确、或者用力过猛都会挫伤孔口，且伤痕一般在内壁靠近孔口处，因此， 实现喷丝板微孔清理工作的自动化具有重要的意义。本课题主要针对化纤生产厂 家普遍使用的熔融纺丝圆形孔喷丝板为研究对象，对此类喷丝板微孔清理的自动 化进行研究。51.3 课题的难点、研究方法及实现目标1.3.1 课题的难点喷丝板经过全部清洗工艺清洗后，微孔的残留杂质大小不一，粘附于微孔上 的方式也不尽相同。确保喷丝板微孔的质量是保证良好纺丝质量的关键，在清理 微孔时如果采用针具规格不恰当、或通孔的方向不正确、或者用力过猛都会挫伤 孔口，从而会影响后续纺丝的质量，所以找出可靠性高的微孔杂质清理工艺是本 课题的一个难点。在生产实际中，喷丝板的日常检测和需要再清理的数量少则数十块，多则数 百块，系统需要快速从前期检测数据库中提取检测数据，根据检测数据有针对性 的对喷丝板进行清理，这就需要系统将喷丝板对前期检测数据一一对应，因此， 开发喷丝板的自动识别技术也是本课题的一个重点同时也是一个难点。这样可以 提高喷丝板的清理效率，加强对数量众多的喷丝板进行数字化管理。1.3.2 课题的研究方法针对清理针具易刮伤喷丝板微孔的问题，通过实验确定合适的喷丝板微孔针 具，找出可靠性较高的喷丝板微孔杂质的清理工艺。设计能被机器识别的机器码， 采用机器视觉技术开发喷丝板的自动识别技术。1.3.3 课题的实现目标根据实验选定的喷丝板微孔清理针具，给出圆形孔喷丝板微孔的自动清理工 艺；设计喷丝板机器识别码，采用机器视觉技术开发喷丝板的自动识别系统；设 计开发喷丝板自动抓取机械手；完成集喷丝板微孔清理功能、喷丝板识别功能、 喷丝板抓取功能于一体的喷丝板微孔清理机器人样机的试制，从而提高喷丝板的 检测和清理效率，提高生产效率、降低生产成本，以全自动化的清理方式代替传 动的人工清理。1.4 本章小结本章首先阐述了课题研究的背景、目的和意义，其次介绍目前国内外喷丝板 清洗和检测的现状，以及对目前国内外对检测后喷丝板微孔的再清理的方式进行 了分析，然后说明了本课题的来源及研究意义，最后概述了课题的难点、研究方 法及实现目标。6第二章 喷丝板微孔清理机器人的总体方案设计喷丝板微孔清理机器人的开发目标是要能够替代人工对喷丝板微孔进行检 测和清理工作，其核心有三个关键部分：第一，要确定出可靠性较高的喷丝板微 孔杂质清理工艺，并且要保证不损伤喷丝板；第二，在不损伤喷丝板的前提下， 开发出自动抓取喷丝板的机械手；第三，要对不同的喷丝板进行自动识别，以便 能准确、快速获取待清理喷丝板的微孔检测数据，从而对检测和清理的喷丝板进 行数字化的管理。2.1 系统的需求分析2.1.1 喷丝板微孔清理需求分析在涤纶长丝高速纺生产工艺中，往往会堵塞喷丝板微孔的杂质有机械杂质、 凝胶、碳化或热裂物等微粒，这些杂质往往会造成纺出的丝条纤度不匀，以及产 生“柱头丝”、“细丝”、“毛丝”等疵点，这些杂质粘附于喷丝板微孔的形式主要 有孔口覆盖、孔口粘附、孔内粘附三种形式，如图 2-1 所示。喷丝板微孔杂质经过人工清理后的微孔图像如图 2-2 所示。图 a 微孔孔口粘附图 b 微孔孔内粘附 图 2-1 微孔杂质主要主要粘附形式图 2-2 喷丝板微孔杂质人工清除后检测图像因此，本系统首先要解决的问题是喷丝板微孔的可靠性自动清理。72.1.2喷丝板自动抓取需求分析喷丝板微孔清理机器人完成微孔的清理工作后需要根据清理的实际情况将 喷丝板抓取并放置到相应的位置，因此，需要开发自动抓取喷丝板的机械手。本 课题所针对的喷丝板尺寸如图 2-3 所示。图 2-3 清理机器人所需抓取的喷丝板外形尺寸2.1.3 喷丝板自动识别需求分析在生产实际中，喷丝板的日常检测和需要再清理的数量少则数十块，多则数 百块，所以提高喷丝板的清理效率，对数量众多的喷丝板进行数字化管理很有必 要。目前东华大学机械学院开发的喷丝板质量管理系统即将完成，其操作界面如 图 2-4 所示。喷丝板每天检测的数据都将会存储在该系统里，点击“自上次更新” 按钮，系统会更新上一次喷丝板检测数据；点击“全部更新”，系统会从第一次 检测开始至当前检测数据一次性全部更新；点击“查询数据”按钮，操作人员可 以人工查询喷丝板每天的检测数据。本课题是该喷丝板质量管理系统的衔接课 题，且对喷丝板微孔进行自动化清理时，需要从此质量管理系统中读取喷丝板的 检测数据，以便对喷丝板进行有针对性的清理。由于喷丝板质量管理系统中存储 有大量喷丝板的检测数据，为了快速、准确读取所要清理喷丝板的检测数据，必 须要对所需清理的喷丝板进行系统识别。8图 2-4 喷丝板质量管理系统2.2 系统的功能方案设计2.2.1 系统功能分析喷丝板微孔清理机器人的总体功能是使经过检测的喷丝板能够自动完成微 孔的清理工作，并且能在完成清理工作后自动被放置到相应的位置。为了能达到 这一目标，首先需要对整个机器人系统进行详细的功能分析，如下图2-5所示。 操作人员通过人机界面与控制系统进行交互，控制系统对喷丝板定位模块、清理 模块、检测模块、喷丝板识别模块、机械手抓取模块进行协调控制。本课题的操 作对象喷丝板微孔直径为0.26mm，喷丝板的装夹与高精度的定位是首要考虑的 问题；在喷丝板机器码识别模块中，系统识别并读取喷丝板机器码后，根据从上 文所述的喷丝板质量管理系统中读取相应喷丝板的检测结果，在清理模块完成微 孔的清理工作；系统的检测模块是检验微孔清理是否合格而设置的功能模块；系 统会自动对喷丝板清理的情况进行存储，这样便于对数量众多的喷丝板进行数字 化管理，将喷丝板清理的存储数据与相应的喷丝板一一对应；当喷丝板清理工作 完成以后则需要启动机械手抓取模块将喷丝板自动抓取并放置相应位置。目前东 华大学机械工程学院开发的全自动喷丝板微孔检测仪已经对喷丝板的高精度定 位和检测做了很多研究，本课题主要对喷丝板清理机器人系统的清理模块、喷丝 板识别模块和机械手抓取模块进行研究和设计。9人机界面控制系统 机械手抓取模块机器码识别系统定位系统清理系统检测系统图 2-5 喷丝板微孔清理机器人系统功能2.2.2 喷丝板清理模块方案设计2.2.2.1 清理工艺的选择经过检测后的喷丝板微孔如果还有残留物则必须进行再次清理，根据生产实 际情况，目前比较常用的人工清理方式分为压缩空气吹气清理和人工针具清理两 种。下面对一块型号为 prb75-72-0.170.6 的喷丝板进行压缩空气吹气清理的实 验结果进行分析，这类喷丝板的板径是 75mm，板高是 20mm，微孔的个数是 72 个，微孔的直径为 0.17mm。为了说明采用压缩空气清理的效果，下面选取孔号 为 1、4、9、12、18、19、25 的微孔进行分析，这些微孔在检测后未进行压空清 理前的图像如图 2-6 所示。图 a 1 号孔图 b 4 号孔图 c 9 号孔图 d 12 号孔图 e 18 号孔图 f 19 号孔图 g 25 号孔 图 2-6 未清理时喷丝板微孔的检测图像10这些微孔在检测后且进行压空清理后的检测图像如图 2-7 所示。图 a 1 号孔图 b 4 号孔图 c 9 号孔图 d 12 号孔图 e 18 号孔图 f 19 号孔图 g 25 号孔 图 2-7 压空清理后喷丝板微孔的检测图像这些微孔在检测后且进行压空清理和针具清理后的检测图像如图 2-7 所示。图 a 1 号孔图 b 4 号孔图 c 9 号孔图 d 12 号孔图 e 18 号孔图 f 19 号孔图 g 25 号孔 图 2-8 压空清理后喷丝板微孔的检测图像采用东华大学机械工程学院开发的喷丝板微孔全自动检测仪对该喷丝板进 行检测得到的微孔污损数值量化表如图 2-9 所示。11 图 a 未清理图 b 压空清理后图 c 压空清理与针具清理后图 2-9 喷丝板微孔的检测污损值变化12对压缩空气清理与压缩空气和人工针具组合清理两种工艺清理的效果进行 对比，如图 2-10 所示。图 2-10 喷丝板微孔检测污损值变化根据图 2-10 所示的喷丝板微孔检测污损值的变化可以得出以下结论：（1）采用压缩空气清理喷丝板微孔可靠性不高；（2）采用压缩空气与针具组合清理能够有效的完成对含有残留物的喷丝板微孔 进行有效的清理。根据以上分析，喷丝板微孔清理机器人可采用压缩空气与针具组合清理的方 式来完成微孔杂质的清除工作。2.2.2.2 清理针具的选择在化纤厂的实际生产中，工人在对含有残留物杂质的微孔进行人工针具清理 时通常采用的针具有不锈钢软针（一次性针灸针）和特制钢针，如图 2-11 所示。图 a 针灸针图 b 特制钢针 图 2-11 常用的清理针具根据在国内某化纤厂的生产情况，化纤生产有如下参数：（1）喷丝板上机一次的正常使用时间 t 为 5060 天；（2）喷丝板从初次使用到自然报废的时间为 t 为 56 年；13（3）喷丝板的上机率 w 为 92%95%。 根据以上数据可以得出一块全新的喷丝板从第一次使用到报废的最大使用次数 n。n = t 365 24 = 6 365 24 = 47.6t 24 w50 24 92%下面取一块型号为 prb77-24-0.260.65 的喷丝板，选择其中 4 个微孔依次 编号为 1 号、2 号、3 号、4 号，并进行人工针具清理实验，其中 1 号与 2 号采 用特制钢针通孔，3 号与 4 号采用针灸针通孔，1 号与 3 号通孔 50 次，2 号与 4 号通孔 100 次，通孔后的微孔采用 usb 显微镜进行拍照观察，如图 2-12 所示。图 2-12 usb 显微镜usb 显微镜是把传统光学显微镜和数码多媒体技术、数字处理技术一体化 设计集成，内置高分辨率的 ccd 或 cmos 感光芯片，将光学显微镜头捕获的光 学图像转换成数字光学影像数据，通过不同的传输总线直接输入到计算机中进行 各种处理，方便了图像的存储和分析处理16-17 。本实验采用 usb 显微镜的配置 参数如下：分辨率：1280102；像素：1.3mp；帧速：最大 30fgs；放大倍率：10x90x； 照明：内置 8 个高亮度的 led 灯；接口：usb2.0。1 号4 号微孔通孔前后的图像对比如图 2-13 所示。 孔口变形图 a 1 号孔通孔前图 b 1 号孔通孔后14图 c 2 号孔通孔前图 d 2 号孔通孔后图 e 3 号孔通孔前图 f 3 号孔通孔后孔口变形孔口磨损孔口磨损图 g 4 号孔通孔前图 h 4 号孔通孔后 图 2-13 喷丝板微孔不同针具通孔对比图根据此实验可以得出以下结论：（1）采用特制的钢针进行微孔杂质的通孔清理对微孔的损伤最大，在喷丝板的 正常使用周期内会发生一定程度的孔口变形。（2）采用针灸针进行微孔杂质的通孔清理对微孔的损伤次之，在喷丝板的正常 使用周期内会发生微小的孔口磨损。根据此实验的结果，可以得出喷丝板微孔清理机器人的清理工具应该优先选 用针灸针，这样对微孔的损伤最小，有利于提高纺丝的质量。针灸针针尖如图2-14，针灸针分为针柄、针体两个部分，其中针体末端为针尖，针尖形状为锥形， 目前市面上能够购买到的针灸针针体直径如表 2-1 所示，针体长度如表 2-2 所示18。15图 2-14 针灸针针尖表 2-1 常用针灸针针体直径针体直 径0.160.180.200.250.300.350.400.45表 2-2 常用针灸针针体长度针体长 度1325405075100针灸针的针体采用 06cr19ni10 的不锈钢丝制成，该牌号不锈钢的固溶处理 的力学性能如表 2-3 所示19。表 2-3 06cr19ni10 的力学性能规定非比例 延伸强度抗拉强 度断后伸 长率硬度hbwhrb2055154020192喷丝板的材料一般为 sus630，其力学性能如表 2-4 所示19。表 2-4 sus630 的力学性能热处理 温度/规定非比例 延伸强度抗拉强 度断后伸 长率断面收 缩率z硬度hbwhrb480时效11801310104037540550时效10001070124533135580时效8651000134530231620时效725930165027728对比表 2-3 和表 2-4 可知，针灸针针体材料的硬度小于喷丝板材料的硬度， 因此，当用针灸针清理微孔时，对微孔的磨损较小。2.2.2.3 清理方法的选择（1） 方案 1多孔一次性清理 由于熔融纺丝喷丝板的微孔数少则几十，多则数百，从提高清理效率的角度16来考虑，可以采用多孔一次性清理的方式。东莞某公司研制的 d 工位多孔成型 模具的多针冲头形式可以提供参考，如图 2-15 所示。图 2-15 d 工位多孔成型模具如图 2-16，按照所需清理喷丝板的微孔排布，制造对应的多针清理头，采用 垂直向下通孔的方式清理喷丝板。这种通孔方式的优点在于可以减少通孔清理的 次数，提高通孔清理的时间。图 2-16 多针喷丝板清理头但是国内实际加工的一些喷丝板，某些微孔微孔存在一定的位置偏差，其位 置偏差在 3mm3mm 的范围内20-21，很难制造处具有通用性的多针喷丝板微孔 清理头，所以多孔一次性清理的方式是不合理的。（2） 方案 2单孔清理根据方案 1 中的问题将喷丝板微孔的方式改为单孔清理，并且制造相应的单针喷丝板微孔清理头，如图 2-17 所示。17图 2-17 单针喷丝板清理头2.2.3 喷丝板抓取模块方案设计2.2.3.1 喷丝板抓取方式的选择抓取机构是用来直接握持工件的部位，由于被握持工件的形状、尺寸大小、 轻重和材料性能、表面状况等的不同，抓取机构结构是多种多样的，常用的机械 手抓取机构，按照其握持的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。在夹持类中， 根据夹持工件的部位不同，又分为内撑式和和夹持式两种。吸附类中，又分为气 吸式和磁吸式等22，下面将工业机械手手部进行分类，如图 2-18。机械手手部夹持类吸附类外夹式内撑式气吸式磁吸式夹钳式钩托式弹簧式挤气喷吸真空永久磁铁交流磁铁直流磁铁图 2-18 工业机械手手部分类吸附式机械手主要依靠吸附力吸附工件。根据吸附力的方式不同可分为气吸 式和磁吸式两种形式。气吸式机械手利用吸盘类的压力和大气压之间的压力差而 吸附工件。根据形成压力差方式的不同，气吸附式机械手可分为真空吸附、气流 负压吸附、挤压排气吸附等方式。磁吸式机械手利用电磁铁通电后产生的磁力吸 附工件。喷丝板的制造工艺的一个环节就是要对喷丝板进行消磁处理，防止喷丝板吸18附一些金属机械杂质，所以磁吸式的机械手方案是不合理的。根据图 2-3 所示的 清理机器人所需抓取的喷丝板外形尺寸，本课题选择夹钳式中的外夹式作为喷丝 板的夹持方式，如图 2-19 所示。图 a 水平夹持图 b 竖直夹持 图 2-19 喷丝板夹持两种方式2.2.3.2 喷丝板抓取机械手设计要注意的原则由于喷丝板是纺丝生产中精密的零部件，设计喷丝板的夹持机械手则必须注 意以下四个方面的问题：（1）机械手指要具有一定的开闭范围。为了让机械手指在闭合的时候能夹紧喷 丝板，张开时能使手指顺利地接近喷丝板，而不与其他零部件等相碰，手指必须 具有一定的开闭范围，其大小直接与喷丝板和手指的形状、尺寸及手部如何接近 喷丝板的路线有关。（2）机械手指应具有适当的夹紧力和驱动力。为了使手指能夹紧喷丝板，并保 证在运动的过程中不脱落，要求手指在夹紧喷丝板时应有足够的夹紧力，即手指 的驱动装置要有足够的驱动力。同时，喷丝板是纺丝的关键部件，其制造精度有 严格的要求，因此需要保证机械手指在夹持喷丝板时不应使其发生变形。（3）应保证喷丝板在手指内的夹持精度。机械手夹持喷丝板后，应保证喷丝板 在手指内有一个准确的相对位置。（4）要求抓取机构整体结构紧凑、质量轻、效率高。抓取机构出于机械手的最 前端，运动状态多变，其结构重量和动力负荷直接影响到整体结构、重量和运转 性能。2.2.4 喷丝板机器码识别模块方案设计在实际生产中，喷丝板一般都带有用于零件识别