新型存查煤樣柜的設計及樣機試驗

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，煤炭樣品的分析結果對煤炭品質及計價起決定性作用。而煤炭樣品除了分析樣以外還會留存1份樣品作為爭議時的備份，即存查樣的存在很有必要[1-6]。存查樣具有以下作用:作為實驗室管理的核查;原始化驗結果有疑問或丟失時再檢驗，一般分析試驗丟失或污損時的替代;發生質量糾紛或疑問時再檢驗[7]。存查樣一般密封在煤樣瓶中，煤樣瓶存儲于存查樣柜中。

存查樣柜主要由機械部分及控制系統兩大部分組成，其主要構成示意如圖1所示。機械部分由柜體框架1、存瓶托板2、運動模塊3、存取機械手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。存查樣柜的主要工作過程如下:需要存入煤樣瓶5時，運動模塊3移動到接收煤樣瓶位置，存取機械手4抓取煤樣瓶5后，運動模塊3動作將煤樣瓶5移動到存瓶托板2對應的工位處，存取機械手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。全自動的工作過程可極大地提高工作效率及降低勞動強度[8]。

1.柜體框架;2.存瓶托板;3.運動模塊;4.存取機械手;5.煤樣瓶圖1 存查樣柜主要構成示意圖

目前，存查樣柜存在以下2個突出問題:①由于煤樣瓶在柜體內的排列方式為橫臥矩陣式或直立矩陣式排列，導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，導致機械手不能利用計算的位置參數對煤樣瓶進行抓取，而需用機械手逐一校對煤樣瓶位置，該調試方法時間長、效率低。

為此，在分析現有結構的基礎上，以下提出新的設計以解決存查樣柜存在的問題，并試制樣機進行驗證。

1 現有存查樣柜結構分析

1.1 存瓶托板結構及煤樣瓶排列方式

煤樣瓶的存瓶托板結構及排列方式是以上2個突出問題的關鍵影響因素。

煤樣瓶存瓶托板的結構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/m2)來衡量存查樣柜煤樣瓶的空間利用率:

(1)

式(1)中,N為煤樣瓶數量，個;S為該存瓶數量所占位置的面積，m2。

以圖2、圖3的排列方式為例，根據式(1)計算得知，目前的煤樣瓶排列方式1 000工位情況數據見表1。表1中煤樣瓶規格為直徑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據

由表1看出:當煤樣瓶直徑小于高度時，橫臥式矩陣排列單位面容瓶量為60.7個/m2，直立式矩陣排列單位面容瓶量為34個/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行改進設計。

1.2 煤樣瓶存放位置不唯一原因分析

實際應用中，圖2橫臥矩陣排列方式的煤樣瓶位置不準確，誤差較大。煤樣瓶位置的不準確將造成以下2個主要負面影響:(1)不能用通過計算得到的位置參數進行煤樣瓶的抓取，須進行每個位置的煤樣瓶位置校對以得到位置參數，對每個煤樣瓶位置進行逐一校對的調試時間較長，嚴重影響安裝調試進度。(2)煤樣瓶位置不準確，機械手進行抓取時易被干涉，即機械手觸碰煤樣瓶時易使其掉落。

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構，存瓶托架由薄板通過折彎、焊接等工序加工而成。首先折彎和焊接時由于應力產生形變[10]，其次在折彎時不能保證折彎角度高度一致；存瓶托板折彎角度不一致，當煤樣瓶放入折彎槽時位置就會出現高低不平位置不唯一現象。

2 新型存查樣柜設計

2.1 單位面積容瓶率的改進設計

為此研究提出1種提升單位面積容瓶量的設計，即采用錯位式(蜂窩式)排列設計，如圖4所示。此設計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煤樣瓶規格參數為例，縱向煤樣瓶間距δY由0.13 m縮減為0.105 mm。

圖4 錯位式(蜂巢式)排列

煤樣瓶規格參數與表1中各項參數保持一致的情況下，將1 000個煤樣瓶經過錯位排列后單位面積容瓶量數據見表2。

表2 錯位式(蜂巢式)煤樣瓶排列數據

由表2可知，在存放相同數量(1 000個)煤樣瓶情況下經提升設計后煤樣瓶單位面積容瓶率由60.7個/m2提高至73.8個/m2，提高了21.6%。

2.2 存瓶位置準確度改進設計

因鈑金加工的存瓶托板對煤樣瓶位置造成較大影響，錯位式排列的煤樣瓶托架不采用鈑金結構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個相對水平的基準面，裝配于擱板上時撐桿就能保證垂直，從而保證煤樣瓶水平。通過以上設計，不僅能實現煤樣瓶橫臥錯位式排列，且保證了煤樣瓶位置的唯一性。

多個如圖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，豎直基準為固定擱架的柜體，此設計減小了裝配所造成的煤樣瓶位置誤差。

3 樣機試驗

根據以上設計試制了新型存查樣柜，樣機如圖6所示，樣機主要參數見表3，樣機單位面積容瓶量為73.4個/m2，與設計參數相符合，單位面積容瓶量顯著提高。

圖6 新型存查樣柜樣機

表3 改進設計存查樣柜存瓶架參數

試驗時，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→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→用該2個煤樣瓶位置參數計算得出X方向與Y方向平均脈沖數ΔX與ΔY→由以上參數計算出整個存瓶架上煤樣瓶位置參數→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→用第1塊存瓶架的ΔX與ΔY計算出每一塊擱板煤樣瓶位置參數并逐一用機械手抓取驗證位置準確度。

煤樣瓶位置校準步驟如圖7所示。

圖7 煤樣瓶位置校準步驟

通過以上步驟得到所需數據，詳見表4。

表4 第1個存瓶架間距參數

得到以上數據后，校對每一塊擱板第1個位置參數，用表4中的ΔX與ΔY計算出每一塊存瓶架每一個煤樣瓶位置參數。

根據以上步驟得到的位置參數，為了直觀地反映煤樣位置參數所對應煤樣瓶位置，通過程序繪制煤樣瓶位置點位圖，如圖8所示。

圖8 樣瓶位置點位圖

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

圖9 機械手抓取驗證

擱板撐桿式擱架煤樣瓶抓取驗證試驗結果詳見表5。

表5 擱板撐桿式擱架煤樣瓶抓取驗證結果

根據以上試驗證結果可得出，該煤樣瓶數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算其余煤樣瓶位置參數，利用此參數即可實現每個煤樣瓶的成功抓取。試驗結果表明，該存查樣柜調試時校對位置次數為33次。新設計擱板撐桿形式的存查樣柜校對煤樣瓶次數由鈑金折彎形式存查樣柜的1 008次減少為33次，校對次數減少975次，同比減少96.7%。

4 結 語

以上介紹了1種煤樣瓶存查樣柜的主要結構，簡述該存查樣柜煤樣瓶存放托架的結構形式及煤樣瓶排列形式，就柜體單位瓶容量、煤樣瓶準確度等存在的問題進行原因分析，并對其進行改進設計及樣機驗證。新設計的存查樣柜單位面積容瓶量提高21.6%;煤樣瓶校對次數減少96.7%，極大程度上縮短了存查樣柜煤樣瓶位置的校對時間。