一种并联式四自由度的重组竹铺装机的制作方法

1.本发明涉及物料输送技术领域，具体涉及一种并联式四自由度的重组竹铺装机。


背景技术：

2.竹材与木材具有很大的差异，竹子具有径小中空、中间有节、表面含有蜡质和硅质层、内有竹黄不易被胶湿润、易开裂、不易加工等缺点。因此，需要采用专用机械设备将竹筒加工成竹片、去除竹青竹黄、疏解辗压竹片、浸胶干燥、模压成形等。目前，重组竹材各生产工序上仍是相对独立完成，设备之间也相互独立，存在需要劳动力多、生产效率低、能耗大、安全系数低、工艺繁琐、自动化水平低等现实生产问题。近年来，随着国家对林业先进装备的重视以及科研投入的不断加大，重组竹生产机械设备也快速发展，研制出了一体化去青去黄疏解机、自动化浸胶设备、连续化干燥设备、自动化竹方冷压装模成形设备、自动化脱模设备等。目前，重组竹材部分工序实现了自动化连续生产，利用智能控制化技术，实现了重组竹材竹方平头、齐边、开片三个工序的自动化连续生产，大大提高了生产效率、节约了劳动力、降低了能耗、降低了生产成本。但由于重组竹材生产的特殊性和材料的局限性，整个生产过程还不能实现自动化和连续式生产。
3.铺装是重组竹生产工艺中的重要工序，其重要是将疏解后的纤维化竹单板，通过顺纹组坯铺装在模具中，将铺装后的竹单板放入压机进行模压成型，就可以实现重组竹板材的制备。但由于纤维化竹单板呈现纤维网状结构，表面极其粗糙，且浸胶干燥后呈现“整体脆、局部硬”的状态，就导致传统的机械手在夹取时易出现滑落等现象，并且竹束的网状结构使得真空吸盘也无法将竹束持续吸起，因此，传统的机械爪无法顺利的通过抓取竹束的方式实现铺装。此外，竹材在铺装时要求若干层竹黄面向上、若干层竹青面向上才能顺利的实现胶合，一定程度上增加了铺装的工艺难度。重组竹的铺装机构与传统木工行业的铺装结构不同，不能用传统的铺洒、扫平等装置实现铺装，其需要保证纤维化竹单板的完整性和无破坏性。综上所述，重组竹铺装设备的研制相对具有较大的科研潜力和现实意义。对现有技术文献总结发现，文献“定向刨花板刨花铺装系统探讨”探讨了刨花板铺装的若干种形式，文献“麦秸板生产铺压段工艺与设备的研究”给出了麦秸秆人造板的铺装形式与设备结构。然而，现有的文献研究中并没有明确的应用于重组竹生产的铺装设备，以利用机械设备实现对重组竹的铺装，目前产业化的铺装工段仍然保持着人工的铺装方式。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种实现了重组竹铺装的机械自动化，通过两个并联设置的机械爪增强了对重组竹抓取的稳定性和有效性的并联式四自由度的重组竹铺装机。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种并联式四自由度的重组竹铺装机，包括支架、纵向滑移组件、横向滑移组件、竖直升降组件和机械爪；纵向滑移组件和支架滑移连接，纵向滑移组件位于支架的顶部；横
向滑移组件和纵向滑移组件滑移连接，竖直升降组件和横向滑移组件固定连接，竖直升降组件的升降杆相对横向滑移组件滑移；机械爪的数量为两个，两个机械爪通过连接件并联安装在竖直升降组件的底端；机械爪包括驱动部件、驱动连杆、压料部件、真空吸盘和夹爪，连接件和竖直升降组件的升降杆连接，驱动部件安装在连接件上，驱动连杆和驱动部件连接，压料部件和驱动部件连接，真空吸盘和压料部件连接，夹爪和驱动连杆连接。
7.作为一种优选，纵向滑移组件包括纵向滑轨、纵向滑块、横梁和纵向电机，纵向滑轨安装在支架上，纵向滑块和横梁固定连接，纵向滑块和纵向滑轨滑移连接；支架设有纵向齿条，纵向电机安装在纵向滑块上，纵向电机的输出轴套有第一主动齿轮，第一主动齿轮和纵向齿条啮合。
8.作为一种优选，横向滑移组件包括横向电机、滑台顶板、横向滑轨和横向滑块；横向滑轨安装在横梁底部，横向滑块安装在滑台顶板的顶部，横向滑块和横向滑轨滑移连接；横梁设有横向齿条，横向电机安装在滑台顶板，横向电机的输出轴套有第二主动齿轮，第二主动齿轮和横向齿条啮合，滑台顶板和横梁滑移连接。
9.作为一种优选，竖直升降组件包括升降电机、升降杆、升降滑轨和升降滑块；升降滑轨安装在升降杆的一侧，升降滑块安装在滑台顶板的一侧，升降滑块和升降滑轨滑移连接；升降电机安装在滑台顶板的一侧，升降杆设有升降齿条，升降电机的输出轴套有第三主动齿轮，第三主动齿轮和升降齿条啮合；升降杆的端部和连接件固定连接。
10.作为一种优选，连接件包括连接板和轻量化支架，连接板和升降杆的端部固定连接，轻量化支架和连接板固定连接；驱动部件安装在轻量化支架上。
11.作为一种优选，驱动部件包括第一气缸和第二气缸，第一气缸安装在轻量化支架上，第一气缸的活动端和压料组件固定连接；第二气缸安装在轻量化支架上，第二气缸的活动端连接有摆杆，摆杆的外端固定连接有转轴，转轴和轻量化支架转动连接，驱动连杆和转轴固定连接。
12.作为一种优选，驱动连杆包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，第二连杆和第三连杆通过连接轴转动连接，第二连杆和第一连杆固定连接，第三连杆和第四连杆固定连接，夹爪的数量为两个，第一连杆和第四连杆分别连接一个夹爪；第一连杆和第四连杆沿连接轴对称。
13.作为一种优选，压料部件包括压料板，压料板和第二气缸的活动端固定连接。
14.作为一种优选，支架包括两个并排设置的龙门架，龙门架包括支撑杆和连接杆，支撑杆的数量为两个，两个支撑杆竖直设置，连接杆的两端和两个支撑杆的顶端固定连接；纵向滑轨安装在连接杆的顶端，纵向齿条位于连接杆的一侧。
15.作为一种优选，支撑杆的底部设有支撑板，支撑板和支撑杆之间设有第一加劲肋；支撑杆和连接杆之间设有第二加劲肋。
16.发明原理：本发明与传统的抓取装置相比，通过并联机械爪协同真空吸盘实现纤维化竹单板的识别和稳定抓取，通过连接板内部安装压力传感器对抓取的竹束进行称重来调节判断抓取竹束的有效性和稳定性。当压板连接真空吸盘识别并接触到竹束时真空吸盘开始工作，将竹束吸起后夹爪回程，从竹束的下方对竹束实现“托起”，夹爪呈现出“上吸下托”的状态，并且并联式夹爪可以保证竹单板不易滑落，进一步增强了抓取的稳定性和有效性。
17.总的说来，本发明具有如下优点：
18.1、本发明将两个机械爪并联安装，确保被抓取的纤维化竹单板不会出现因夹持区域过小而出现滑落等现象，进一步增强了夹持的稳定性，同时通过将真空吸盘和机械爪协同作用，既解决了机械爪无法单片抓取的缺陷，又解决了当真空吸盘吸取后纤维化竹单板出现蓬松状态而无法稳定吸附的缺陷，从而实现了重组竹铺装的机械自动化，增强了对重组竹抓取的稳定性和有效性。
19.2、本发明在连接板内部加入压力传感器，通过称重对抓取的纤维化竹单板数量进行识别，进而实现对机构的反馈调节。
附图说明
20.图1为一种并联式四自由度的重组竹铺装机的立体图。
21.图2为龙门架的立体图。
22.图3为龙门架和纵向滑移组件装配的立体图。
23.图4为纵向滑移组件、横向滑移组件、升降组件和机械爪装配的立体图。
24.图5为两个机械爪并联装配的立体图。
25.图6为两个机械爪并联装配的仰视图。
26.其中，1为支架，2为纵向滑移组件，3为横向滑移组件，4为竖直升降组件，5为机械爪，6为支撑板，7为支撑杆，8为连接杆，9为横向滑轨，10为第一加劲肋，11为第二加劲肋，12为纵向电机，13为第一主动齿轮，14为横梁，15为横向齿条，16为第二主动齿轮，17为横向电机，18为滑台顶板，19为横向滑块，20为升降杆，21为升降电机，22为升降滑块，23为连接板，24为轻量化支架，25为第二气缸，26为驱动连杆，27为夹爪，28为第一气缸，29为压料板，30为真空吸盘，31为转轴，32为摆杆，33为横向齿条。
具体实施方式
27.下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
28.一种并联式四自由度的重组竹铺装机，包括支架、纵向滑移组件、横向滑移组件、竖直升降组件和机械爪；纵向滑移组件和支架滑移连接，纵向滑移组件位于支架的顶部；横向滑移组件和纵向滑移组件滑移连接，竖直升降组件和横向滑移组件固定连接，竖直升降组件的升降杆相对横向滑移组件滑移；机械爪的数量为两个，两个机械爪通过连接件并联安装在竖直升降组件的底端；机械爪包括驱动部件、驱动连杆、压料部件、真空吸盘和夹爪，连接件和竖直升降组件的升降杆连接，驱动部件安装在连接件上，驱动连杆和驱动部件连接，压料部件和驱动部件连接，真空吸盘和压料部件连接，夹爪和驱动连杆连接。
29.纵向滑移组件包括纵向滑轨、纵向滑块、横梁和纵向电机，纵向滑轨安装在支架上，纵向滑块和横梁固定连接，纵向滑块和纵向滑轨滑移连接；支架设有纵向齿条，纵向电机安装在纵向滑块上，纵向电机的输出轴套有第一主动齿轮，第一主动齿轮和纵向齿条啮合。纵向滑块的数量为两个，横梁的数量为两个，两个横梁的端部均和一块连接板固定，两个纵向滑块均和该连接板固定，两个纵向滑块均和纵向滑轨滑移连接，横梁的两端分别和两个龙门架滑移连接。横梁的两端连接的部件相同，区别在于有一端设有纵向电机、纵向齿条和第一主动齿轮作为主驱动，而另一端仅设置纵向滑块和纵向滑轨跟随纵向电机的一端
滑移。
30.横向滑移组件包括横向电机、滑台顶板、横向滑轨和横向滑块；横向滑轨安装在横梁底部，横向滑块安装在滑台顶板的顶部，横向滑块和横向滑轨滑移连接；横梁设有横向齿条，横向电机安装在滑台顶板，横向电机的输出轴套有第二主动齿轮，第二主动齿轮和横向齿条啮合，滑台顶板和横梁滑移连接。本实施例中，滑台顶板通过四个横向滑块和两个横梁滑移连接，两个横梁间隔设置，四个横向滑块分布在滑台顶板的四个边角，呈矩形分布。横向齿条设置在其中一个横梁的内侧，内侧位于两个横向相对的侧面，横向电机的固定端固定在滑台顶板，横向电机的活动端朝向上分设置。横向齿条沿横杆的长度方向延伸。
31.竖直升降组件包括升降电机、升降杆、升降滑轨和升降滑块；升降滑轨安装在升降杆的一侧，升降滑块安装在滑台顶板的一侧，升降滑块和升降滑轨滑移连接；升降电机安装在滑台顶板的一侧，升降杆设有升降齿条，升降电机的输出轴套有第三主动齿轮，第三主动齿轮和升降齿条啮合；升降杆的端部和连接件固定连接。本实施例中，滑台顶板的一侧设有向下延伸的侧板，升降电机固定端固定在侧板，升降滑块固定在侧板，通过电机驱动第三主动齿轮，从而升降杆在升降滑块内滑移，实现对升降杆的限位，仅允许升降杆在竖直方向移动。
32.连接件包括连接板和轻量化支架，连接板和升降杆的端部固定连接，轻量化支架和连接板固定连接；驱动部件安装在轻量化支架上。本实施例中，轻量化支架通过多个杆件拼接形成。
33.驱动部件包括第一气缸和第二气缸，第一气缸安装在轻量化支架上，第一气缸的活动端和压料组件固定连接；第二气缸安装在轻量化支架上，第二气缸的活动端连接有摆杆，摆杆的外端固定连接有转轴，转轴和轻量化支架转动连接，驱动连杆和转轴固定连接。
34.驱动连杆包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，第二连杆和第三连杆通过连接轴转动连接，第二连杆和第一连杆固定连接，第三连杆和第四连杆固定连接，夹爪的数量为两个，第一连杆和第四连杆分别连接一个夹爪；第一连杆和第四连杆沿连接轴对称。每个机械爪包括两个驱动连杆，两个驱动连杆分别位于轻量化支架的两侧，区别在于其中一侧的驱动连杆通过第二气缸驱动从而摆动，另一侧的驱动连杆随着夹爪摆动而摆动，这一侧的驱动连杆为从而驱动连杆。
35.压料部件包括压料板，压料板和第二气缸的活动端固定连接。压料板通过第二气缸朝向夹爪夹取区域下压，使夹爪夹取的重组竹齐平。压料板的数量为四个，四个压料板分布在两个机械爪的夹取区域内，每个机械爪的两侧分布两个压料板。
36.支架包括两个并排设置的龙门架，龙门架包括支撑杆和连接杆，支撑杆的数量为两个，两个支撑杆竖直设置，连接杆的两端和两个支撑杆的顶端固定连接；纵向滑轨安装在连接杆的顶端，纵向齿条位于连接杆的一侧。本实施例中，两个龙门架间隔一定距离设置。纵向齿条延伸方向和连接杆的长度方向一致，纵向齿条位于连接杆的内侧。连接杆的内侧位于两个龙门架相对的侧面。
37.支撑杆的底部设有支撑板，支撑板和支撑杆之间设有第一加劲肋；支撑杆和连接杆之间设有第二加劲肋。支撑杆的顶部也设有支撑板，从而提高了连接杆的稳定性，也方便了连接杆的安装。具体来说，第二加劲肋是设置在位于顶部的支撑板和支撑杆的顶端之间；支撑板和支撑杆通过焊接，加劲肋通过焊接和支撑板以及支撑杆连接。
38.龙门架固定在地面，纵向电机驱动第一主动齿轮推动横梁实现纵向方向的运动；横向电机驱动第二主动齿轮推动滑台顶板在横梁下方横向方向移动；升降电机驱动第三主动齿轮推动升降杆在升降滑块滑移，实现竖直方向移动；连接板加工出半圆形深槽，深槽内部安装压力传感器实现称重；压料板利用螺纹安装真空吸盘，最后通过第一气缸推动压料板在竖直方向移动对重组竹进行压平，第二气缸带动驱动连杆进行摆动，驱动连杆驱动夹爪在轻量化支架摆动实现收拢和打开。
39.纤维化竹单板在经过浸胶、干燥后，会呈现出“局部硬、整体软”的状态，表面因少量的胶粘剂固化会形成一层较脆的胶膜，同时当局部受压时，表面竹纤维会出现“聚集”状态，形成较为致密的形式，因此，保证了真空吸盘吸取的可能性。堆垛机将竹片分面堆垛后开始进入铺装阶段。并联式四自由度重组竹铺装机，当机械爪识别到竹束后，升降杆下降到合适位置，压料板下降，真空吸盘开始工作，将纤维化竹单板吸起，随后压力传感器对物料进行称重，当重量高于或低于设定阈值时，认为吸取纤维化竹单板不合规，重新进行吸取。由于吸起后胶膜的强度难以支撑纤维化竹单板的重量，并且吸起时局部致密的竹纤维会重新分散为网状结构，因此吸起时第二气缸驱动夹爪收拢，从下方托举竹单板，此时纤维化竹单板呈现出“上吸下托”的状态。随后，升降杆上升，可通过横向电机驱动滑台顶板在横梁上移动，可通过纵向电机移动横梁，以实现平面运动，当到达铺装工位后，第二气缸带动夹爪旋转到合适角度。压料板适当下压，真空吸盘产生吸力，夹爪逐渐张开，真空吸盘吸力增强，确保纤维化竹单板不会出现突然掉落，随后压料板下移到合适位置，真空吸盘逐渐减弱吸力，实现竹束的平稳落料。该机构具有设计新颖、结构简单、运动稳定、轻量等特点，为重组竹铺装工艺提供了一种新思路。
40.机械爪控制由运动学模块和动力学模块两部分组成，动力学模型具有高度非线性、耦合性，需要解耦后线性化得到其简化模型。首先对机械爪逆运动学求解，通过转换矩阵k1将由摄像头捕获的位置信息lr转换成电机的输入转矩τ；其次通过机械爪动力学模型的传递函数g(s)建立电机输入转矩τ与输出转角θ建立联系，进而为连杆提供动力；最后通过运动学方程的转化矩阵k2将电机输出转角与机械爪所输出的真实位置lc进行关系转化，与输入位置进行比较，根据误差调整电机的输出转角，进而达到精确抓取的目的。其中，传递函数表示为m为质量矩阵，c为哥氏加速度矩阵，g为重力加速度矩阵。
41.机械爪的运动控制传递函数为
42.f-1
是将位置信息转换成转角信息的转换矩阵，s指的是复数域上的空间变量。
43.由工业摄像头捕获纤维化竹单板信息传递到控制器，控制器发出指令给真空吸盘和相应的电机以及相应的气缸，由真空吸盘吸力将纤维化竹单板吸附和升降电机提供动力使机械爪达到被抓取纤维化竹单板位置，最后将输出机械爪当前位置进行检测并反馈，机械爪达到预设位置抓取纤维化竹单板。将所抓取纤维化竹单板转移到指定位置的控制结构体系仍与抓取纤维化竹单板相同，都是通过对机械爪逆运动学求解获得目标位置从而实现纤维化竹单板的精确转移。此外，机械爪末端安装压力传感器，判断所抓取纤维化竹单板重量。即可完成纤维化竹单板的抓取，移动和铺装动作。
44.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。