新型存查煤樣柜的設(shè)計(jì)及樣機(jī)試驗(yàn)

周 磊,黃 崢,王震宇

(長沙開元儀器有限公司，湖南 長沙 410100)

0 前 言

在煤炭使用過程中，煤炭樣品的分析結(jié)果對煤炭品質(zhì)及計(jì)價(jià)起決定性作用。而煤炭樣品除了分析樣以外還會(huì)留存1份樣品作為爭議時(shí)的備份，即存查樣的存在很有必要[1-6]。存查樣具有以下作用:作為實(shí)驗(yàn)室管理的核查;原始化驗(yàn)結(jié)果有疑問或丟失時(shí)再檢驗(yàn)，一般分析試驗(yàn)丟失或污損時(shí)的替代;發(fā)生質(zhì)量糾紛或疑問時(shí)再檢驗(yàn)[7]。存查樣一般密封在煤樣瓶中，煤樣瓶存儲(chǔ)于存查樣柜中。

存查樣柜主要由機(jī)械部分及控制系統(tǒng)兩大部分組成，其主要構(gòu)成示意如圖1所示。機(jī)械部分由柜體框架1、存瓶托板2、運(yùn)動(dòng)模塊3、存取機(jī)械手4等部件組成。煤樣瓶5存放于存瓶托板2上，存瓶托板2固定于柜體兩側(cè)。存查樣柜的主要工作過程如下:需要存入煤樣瓶5時(shí)，運(yùn)動(dòng)模塊3移動(dòng)到接收煤樣瓶位置，存取機(jī)械手4抓取煤樣瓶5后，運(yùn)動(dòng)模塊3動(dòng)作將煤樣瓶5移動(dòng)到存瓶托板2對應(yīng)的工位處，存取機(jī)械手4將煤樣瓶5存入工位，以上過程即為存樣過程。取樣過程即將指定煤樣瓶從其存放的工位取出，與存樣過程正好為相反的過程。以上自動(dòng)化的存查樣柜能夠有效杜絕煤樣存、取及管理過程中的人為干擾因素，確保存查樣的公信力。全自動(dòng)的工作過程可極大地提高工作效率及降低勞動(dòng)強(qiáng)度[8]。

1.柜體框架;2.存瓶托板;3.運(yùn)動(dòng)模塊;4.存取機(jī)械手;5.煤樣瓶圖1 存查樣柜主要構(gòu)成示意圖

目前，存查樣柜存在以下2個(gè)突出問題:①由于煤樣瓶在柜體內(nèi)的排列方式為橫臥矩陣式或直立矩陣式排列，導(dǎo)致柜體空間利用率不高及柜體體積大、占地面積大;②煤樣瓶位置不唯一，導(dǎo)致機(jī)械手不能利用計(jì)算的位置參數(shù)對煤樣瓶進(jìn)行抓取，而需用機(jī)械手逐一校對煤樣瓶位置，該調(diào)試方法時(shí)間長、效率低。

為此，在分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以下提出新的設(shè)計(jì)以解決存查樣柜存在的問題，并試制樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 現(xiàn)有存查樣柜結(jié)構(gòu)分析

1.1 存瓶托板結(jié)構(gòu)及煤樣瓶排列方式

煤樣瓶的存瓶托板結(jié)構(gòu)及排列方式是以上2個(gè)突出問題的關(guān)鍵影響因素。

煤樣瓶存瓶托板的結(jié)構(gòu)主要為鈑金折彎形式，煤樣瓶在托板上的存放方式主要包括橫臥矩陣式和直立矩陣式該2種方式[9]，如圖2、圖3所示。

1.煤樣瓶;2.橫臥式折彎鈑金托板圖2 橫臥托板及矩陣排列

圖3 直立托板及矩陣排列

圖2、圖3中，用單位面積容瓶率(V,個(gè)/m2)來衡量存查樣柜煤樣瓶的空間利用率:

(1)

式(1)中,N為煤樣瓶數(shù)量，個(gè);S為該存瓶數(shù)量所占位置的面積，m2。

以圖2、圖3的排列方式為例，根據(jù)式(1)計(jì)算得知，目前的煤樣瓶排列方式1 000工位情況數(shù)據(jù)見表1。表1中煤樣瓶規(guī)格為直徑Φ100 mm，煤樣瓶高度200 mm，煤樣瓶排列間距30 mm。

表1 矩陣式煤樣瓶排列數(shù)據(jù)

由表1看出:當(dāng)煤樣瓶直徑小于高度時(shí)，橫臥式矩陣排列單位面容瓶量為60.7個(gè)/m2，直立式矩陣排列單位面容瓶量為34個(gè)/m2,橫臥式矩陣排列單位面積容瓶量大于直立式矩陣排列，因此煤樣瓶橫臥存放方式更好，故將針對橫臥式存放形式進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1.2 煤樣瓶存放位置不唯一原因分析

實(shí)際應(yīng)用中，圖2橫臥矩陣排列方式的煤樣瓶位置不準(zhǔn)確，誤差較大。煤樣瓶位置的不準(zhǔn)確將造成以下2個(gè)主要負(fù)面影響:(1)不能用通過計(jì)算得到的位置參數(shù)進(jìn)行煤樣瓶的抓取，須進(jìn)行每個(gè)位置的煤樣瓶位置校對以得到位置參數(shù)，對每個(gè)煤樣瓶位置進(jìn)行逐一校對的調(diào)試時(shí)間較長，嚴(yán)重影響安裝調(diào)試進(jìn)度。(2)煤樣瓶位置不準(zhǔn)確，機(jī)械手進(jìn)行抓取時(shí)易被干涉，即機(jī)械手觸碰煤樣瓶時(shí)易使其掉落。

橫臥式煤樣瓶存放位置不唯一的主要原因是圖2的存瓶托架為鈑金結(jié)構(gòu)，存瓶托架由薄板通過折彎、焊接等工序加工而成。首先折彎和焊接時(shí)由于應(yīng)力產(chǎn)生形變[10]，其次在折彎時(shí)不能保證折彎角度高度一致；存瓶托板折彎角度不一致，當(dāng)煤樣瓶放入折彎槽時(shí)位置就會(huì)出現(xiàn)高低不平位置不唯一現(xiàn)象。

2 新型存查樣柜設(shè)計(jì)

2.1 單位面積容瓶率的改進(jìn)設(shè)計(jì)

為此研究提出1種提升單位面積容瓶量的設(shè)計(jì)，即采用錯(cuò)位式(蜂窩式)排列設(shè)計(jì)，如圖4所示。此設(shè)計(jì)方法是將矩陣式排列的煤樣瓶保持X方向(橫向)煤樣瓶間距δX不變的情況下在X方向錯(cuò)位擺放，如此能將Y方向(縱向)煤樣瓶間距δY縮短，從而壓縮縱向空間。以表1煤樣瓶規(guī)格參數(shù)為例，縱向煤樣瓶間距δY由0.13 m縮減為0.105 mm。

圖4 錯(cuò)位式(蜂巢式)排列

煤樣瓶規(guī)格參數(shù)與表1中各項(xiàng)參數(shù)保持一致的情況下，將1 000個(gè)煤樣瓶經(jīng)過錯(cuò)位排列后單位面積容瓶量數(shù)據(jù)見表2。

表2 錯(cuò)位式(蜂巢式)煤樣瓶排列數(shù)據(jù)

由表2可知，在存放相同數(shù)量(1 000個(gè))煤樣瓶情況下經(jīng)提升設(shè)計(jì)后煤樣瓶單位面積容瓶率由60.7個(gè)/m2提高至73.8個(gè)/m2，提高了21.6%。

2.2 存瓶位置準(zhǔn)確度改進(jìn)設(shè)計(jì)

因鈑金加工的存瓶托板對煤樣瓶位置造成較大影響，錯(cuò)位式排列的煤樣瓶托架不采用鈑金結(jié)構(gòu)形式而是改為撐桿形式，如圖5所示。

1.擱板 2.撐桿 3.撐桿固定螺母圖5 擱板撐桿式存瓶擱架

如圖5所示，該方案存瓶托架包括1擱板、2撐桿、3撐桿固定螺母。煤樣瓶橫臥放置于兩根撐桿之間。為保證撐桿固定位置準(zhǔn)確，擱板加工主要采用激光切割以保證撐桿安裝孔位的位置準(zhǔn)確;為保證撐桿安裝垂直，如圖5中放大圖所示撐桿一端加工一定深度的凹槽，如此就有1個(gè)相對水平的基準(zhǔn)面，裝配于擱板上時(shí)撐桿就能保證垂直，從而保證煤樣瓶水平。通過以上設(shè)計(jì)，不僅能實(shí)現(xiàn)煤樣瓶橫臥錯(cuò)位式排列，且保證了煤樣瓶位置的唯一性。

多個(gè)如圖5所示的單元存瓶架緊密排列組成一面存瓶架，單元存瓶架與單元存瓶架之間緊密相連沒有縫隙，在最下方的擱架安裝有支撐架，如此整面擱架即具有水平基準(zhǔn)，豎直基準(zhǔn)為固定擱架的柜體，此設(shè)計(jì)減小了裝配所造成的煤樣瓶位置誤差。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)試制了新型存查樣柜，樣機(jī)如圖6所示，樣機(jī)主要參數(shù)見表3，樣機(jī)單位面積容瓶量為73.4個(gè)/m2，與設(shè)計(jì)參數(shù)相符合，單位面積容瓶量顯著提高。

圖6 新型存查樣柜樣機(jī)

表3 改進(jìn)設(shè)計(jì)存查樣柜存瓶架參數(shù)

試驗(yàn)時(shí)，選取第1塊存瓶架，人工校對第1行第1列煤樣瓶位置得到此煤樣瓶位置參數(shù)→選取第1塊存瓶架，人工校對第4行第8列煤樣瓶位置得到此煤樣瓶位置參數(shù)→用該2個(gè)煤樣瓶位置參數(shù)計(jì)算得出X方向與Y方向平均脈沖數(shù)ΔX與ΔY→由以上參數(shù)計(jì)算出整個(gè)存瓶架上煤樣瓶位置參數(shù)→逐一校對其余31塊存瓶架第1行第1列煤樣瓶位置得出位置參數(shù)→用第1塊存瓶架的ΔX與ΔY計(jì)算出每一塊擱板煤樣瓶位置參數(shù)并逐一用機(jī)械手抓取驗(yàn)證位置準(zhǔn)確度。

煤樣瓶位置校準(zhǔn)步驟如圖7所示。

圖7 煤樣瓶位置校準(zhǔn)步驟

通過以上步驟得到所需數(shù)據(jù)，詳見表4。

表4 第1個(gè)存瓶架間距參數(shù)

得到以上數(shù)據(jù)后，校對每一塊擱板第1個(gè)位置參數(shù)，用表4中的ΔX與ΔY計(jì)算出每一塊存瓶架每一個(gè)煤樣瓶位置參數(shù)。

根據(jù)以上步驟得到的位置參數(shù)，為了直觀地反映煤樣位置參數(shù)所對應(yīng)煤樣瓶位置，通過程序繪制煤樣瓶位置點(diǎn)位圖，如圖8所示。

圖8 樣瓶位置點(diǎn)位圖

通過程序控制機(jī)械手利用以上步驟得到煤樣瓶位置參數(shù)，并對每一個(gè)位置的煤樣瓶進(jìn)行抓取驗(yàn)證，如圖9所示，觀察是否每一個(gè)位置上的煤樣瓶均能順利抓取，且無干涉。

圖9 機(jī)械手抓取驗(yàn)證

擱板撐桿式擱架煤樣瓶抓取驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果詳見表5。

表5 擱板撐桿式擱架煤樣瓶抓取驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)以上試驗(yàn)證結(jié)果可得出，該煤樣瓶數(shù)量的存查樣柜的撐桿存瓶托架，只需校對位置2次后，用得到的平均間距計(jì)算其余煤樣瓶位置參數(shù)，利用此參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)每個(gè)煤樣瓶的成功抓取。試驗(yàn)結(jié)果表明，該存查樣柜調(diào)試時(shí)校對位置次數(shù)為33次。新設(shè)計(jì)擱板撐桿形式的存查樣柜校對煤樣瓶次數(shù)由鈑金折彎形式存查樣柜的1 008次減少為33次，校對次數(shù)減少975次，同比減少96.7%。

4 結(jié) 語

以上介紹了1種煤樣瓶存查樣柜的主要結(jié)構(gòu)，簡述該存查樣柜煤樣瓶存放托架的結(jié)構(gòu)形式及煤樣瓶排列形式，就柜體單位瓶容量、煤樣瓶準(zhǔn)確度等存在的問題進(jìn)行原因分析，并對其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)及樣機(jī)驗(yàn)證。新設(shè)計(jì)的存查樣柜單位面積容瓶量提高21.6%;煤樣瓶校對次數(shù)減少96.7%，極大程度上縮短了存查樣柜煤樣瓶位置的校對時(shí)間。