平板显示行业是我国新兴产业，基板玻璃是生产平板显示屏的基础材料，需要经过切割、罐液、贴片、清洗等工艺工程来实现液晶显示屏的生产[1]。玻璃原料在切割加工前，会有纸夹在两块玻璃之间，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]，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，对其采用的凸轮四连杆机构进行运动分析，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，且仅适用于大幅面纸张[4]。一般的自动取纸机结构复杂，成本高，效率低，且对纸张要求高[5]。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，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，根据玻璃加工厂生产线的生产速度、纸张厚度大小等具体要求，设计了一种自动取纸机。
总体模型如图1所示，装置主要由4个部分组成，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，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，按生产速度控制取纸。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。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。
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。考虑到成本问题，压纸选用双轴气缸，气缸行程不小于40 mm。
(2)取纸装置是整套设备上非常重要的一个部分。取纸的提取装置为末端执行装置，选用真空吸盘，通过所吸附物体的重量来选择真空吸盘的型号。
考虑到吸盘的不稳定性，故在两端设计了夹纸的装置。由于夹紧力不需要很大，故选用小型气爪气缸，吸纸前，气爪气缸打开，当吸盘将纸吸住时，气爪合上，将纸夹住。吸盘与夹纸气缸安装在方通上，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，故抬升装置一部分为手动，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，当取纸结束更换玻璃架时，气缸上升，留出更换的空间，更换完毕后，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，如图2所示,滚珠丝杠副广泛应用于机械产品的进给系统，具有低耗能、高精度、高承载的优点，接触静刚度满足功能要求[6-7]。
在丝杠副四周安装两组直线轴承用作支撑。底部为蜗轮蜗杆机构，摇动手柄使蜗杆转动带动蜗轮旋转，并带动丝杠转动使得上部装置可以上下移动。原料中的纸张规格大小为：1 m×1.2 m、1.2 m×1.4 m、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，考虑到装置下方放置电箱的焊接架的高度，所选丝杠的行程小于0.5 m。
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，吸盘所在的方通旋转至跟纸架平行位置，后平移至纸架上方，接着松开纸，让纸的中间可以刚好落于纸架杆上。
旋转装置直接选用RV蜗轮蜗杆减速机，传动比大，输出转矩大[8]，传动平稳，具有自锁功能。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。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，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，负载转动惯量计算公式如式(1)、式(2)所示：
(1)
(2)
式中,J为转动惯量;m为物体质量。
再根据如式(3)所示转矩公式，求出负载所需的转矩。
T=Jα,
(3)
式中,T为转矩;α为角加速度。
得出转矩T=1.95 N·m。电机转速为3 000 r/min，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。所需功率为P=0.6 kw，确定永坤电机100ST-M003230可满足设计要求，额定功率为1 kw，额定转速3 000 r/min，最大扭矩为9.6 N·m。
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，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，常为0.8。
取纸和抬升装置安装在直线导轨上，气缸是推动导轨滑块来实现平移，负载约为70 kg，钢珠型系列现行滑轨的摩擦系数为0.002[10]，则气缸推出时其负载为1.4 N。结合标准气缸系列，选用缸径为16 mm的气缸，根据所需气缸行程，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，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、仿真、模具创建和设计交流的软件，其功能全面、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，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，将横杆简化为受均匀载荷的简支梁，做静态计算。横杆均布载荷如式(7)所示。
(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。
图3 横杆前5阶模式形态
(8)
式中，A为振幅；ωj为振动圆频率。
杆的弯曲应力计算如式(9)、式(10)所示。
(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，[σw]为杆的许用弯曲应力。
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，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，强度必须要高，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，轴在设备运行时有足够的强度承受扭矩。连接平台的有限元分析如图4、图5所示。由图4a可知，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，故零件所受最大应力远小于材料的屈服力；由图4b可知，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，零件的安全系数即零件所受力与屈服力之比，最小值远大于1，故此零件强度符合要求。由图5a、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，过渡轴的最大位移为4.842×10-5 mm，在允许的范围之内，不会发生非弹性形变；由图5c可知，零件的最小安全系数远大于1，零件结构强度高，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，施加在平台平面上的最大应力为σ=119.2 MPa，故零件所受最大应力远小于材料的屈服力；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，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，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，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，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，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，因此它所需的CPU干预更少[16]。同时配合外部编码电路，可以根据实际需求实现不同PWM波的输出，因此适用于不同距离传输要求的场合，具有较为广泛的适用性。
4.2 流程设计
软件系统采用模块化编程的思想，将系统分成若干个相互独立的模块，集中管理，分散控制，根据需求依次调用。这种结构可以对各个功能模块分别编程，分别调试，具有良好的维护性和清晰的结构，也利于后续的查错、修改或者管理[17]。软件整体结构图如图7所示。
该系统与抓取工序进行配合，故主要为自动运行，在自动运行模式下，只需发送整体运行的指令，系统就会根据流程调用不同的子程序来实施生产控制。该模式主要包括压纸子程序、吸纸子程序、移送子程序、伺服运行子程序及急停子程序等。压纸子程序实现对纸张的压紧，以便其他装置取走玻璃。吸纸子程序控制吸盘吸放纸张。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。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，而当急停按钮复位后系统会继续运行。
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，该子程序的控制流程图如图8所示。在系统初始化完成后，由于伺服电机采取的位置控制模式，首先要进行寻零操作，确定零点位置，保证取纸位置的精确性。同时设置了等待点，当没有准备好时，伺服电机运行在等待位，玻璃一旦被取走，在吸盘吸取住纸张后，电机与气缸带动玻璃移至纸架位置。
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，如图9所示。通过对样机的调试，工作顺序为调整相应的高度、气缸压紧、机械爪取走玻璃、气缸复原、吸纸后旋转与平移，将纸准确地送至盛纸架。取纸的频率与后方生产线的抓取、切割等工序相配合，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，等待切割裂片时间为1 min)，市面上一些设备取纸节拍则为1小时22张，效率相对较高；根据厂房现场环境与盛纸架摆放位置，确定取纸横杆旋转角度为90°，而后在气缸推动下，平移行程确定为200 mm，将纸张运送至盛纸架上。整体装置运行稳定，配合良好。
6 结论
自动化取纸机由压纸装置、取纸装置、抬升装置与移送装置4个部分组成，操作调整方便。对取纸机关键零部件进行分析，结果显示零部件不会发生非弹性形变，结构稳定，强度高，符合设计要求。取纸机工作顺序为调整高度、压纸、吸纸、移送，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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