姜立新，尹冬冬，陸前明

（金輪科創(chuàng)股份有限公司，江蘇 南通 226009）

0 引言

目前，國內(nèi)外彈性帶條針布制造廠所用的縱植機(jī)都是由一臺0.75kW的電動機(jī)作為動力，帶動凸輪軸的皮帶盤傳動其上的凸輪完成動作來滿足制作帶條針布的需要。屬于單輸入多輸出類純機(jī)械設(shè)備，各類動作的實(shí)現(xiàn)全部由機(jī)械控制完成，產(chǎn)品調(diào)配、機(jī)件加工困難、復(fù)雜。為了適應(yīng)彈性帶條針布調(diào)整的多樣化，對縱植機(jī)進(jìn)行數(shù)字化改進(jìn)，使其具有良好的柔性和靈活性，同時解決了生產(chǎn)難題。

1 設(shè)計思路

本次縱植機(jī)數(shù)字化改進(jìn)在國內(nèi)外尚屬首例，無任何相關(guān)技術(shù)可借鑒。我們計劃主要從3個方面進(jìn)行數(shù)字化改造：① 凸輪主軸的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)；② 橫向移動機(jī)構(gòu)的數(shù)字化驅(qū)動；③ 提升機(jī)構(gòu)的數(shù)字化驅(qū)動。

2 基本結(jié)構(gòu)

2.1 取消主軸飛輪、凸輪軸的皮帶盤和交流電機(jī)等傳動部件，主軸選用伺服電機(jī)直接驅(qū)動凸輪軸。

2.2 取消級輪、軋頭和滑動主滑桿等橫動部件，采用伺服電機(jī)結(jié)合滾珠絲杠副進(jìn)行底布橫動傳動控制。

2.3 取消角輪、提升棘輪、三眼盤和卷布羅拉等提升部件，采用伺服電機(jī)結(jié)合橫動花鍵副進(jìn)行底布上升傳動控制。

3 設(shè)計過程

3.1 凸輪主軸

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制提升和橫移動作，必須清楚凸輪主軸的相位。在凸輪軸的端部安裝一套伺服減速電機(jī)，直接帶動凸輪軸旋轉(zhuǎn)，原凸輪軸上各凸輪的功能分配見圖1。

圖1 凸輪功能分配

為了驅(qū)動凸輪軸，實(shí)現(xiàn)可靠的植針動作，伺服系統(tǒng)必須能可靠地驅(qū)動飛輪。飛輪總質(zhì)量22kg，直徑350mm，額定轉(zhuǎn)速300r/min；飛輪從靜止到額定速度時間為2s；凸輪軸（含凸輪）重約10kg，直徑約60mm；由于作用在凸輪軸上的裝置較多，將其統(tǒng)一換算集中到飛輪上面，所以飛輪可視為一個重50kg、直徑350mm的圓盤來進(jìn)行計算。

飛輪的角加速度：

飛輪慣量：

驅(qū)動飛輪所需扭矩：

驅(qū)動飛輪所需功率：

式（1）～（4）中：

ωa——角加速度/（rad·s-2）；

ω0——從靜止到額定速度之差/（r·min-1）；

t1——飛輪從靜止到額定速度時間之差/s；

J1——飛輪慣量/（kg·m2）；

G1——飛輪重力/N；

D1——飛輪直徑/m；

g——重力加速度常數(shù)；

T1——驅(qū)動飛輪所需扭矩/（N·m）；

P1——驅(qū)動飛輪所需功率/kW；

n1——飛輪的額定轉(zhuǎn)速/（r·min-1）。

3.2 橫向移動

3.2.1 結(jié)構(gòu)改造

要實(shí)現(xiàn)縱植機(jī)橫向植針和縱向植針的數(shù)字化控制，必須對橫向移動和底布提升部件進(jìn)行數(shù)字化改造。取消原級輪橫向組合機(jī)構(gòu)運(yùn)動的方式，由伺服電機(jī)配減速器驅(qū)動滾珠絲桿，通過專用彈性聯(lián)軸器和編碼器，向驅(qū)動滾珠絲桿的伺服電機(jī)配減速器發(fā)出速度或角度信號跟進(jìn)；同時經(jīng)PLC控制，驅(qū)動帶花鍵副卷布軸的伺服電機(jī)配減速器，提升底布運(yùn)動。

縱植機(jī)橫向移動機(jī)構(gòu)由級輪傳動改為滾珠絲桿副傳動。利用滾珠絲桿副可滿足縱植機(jī)生產(chǎn)帶條針布橫向針尖距0.3mm～1.5mm的要求，保留橫動主滑桿，用滾珠絲桿代替級輪，優(yōu)化橫動碰擊部件，使之與滾珠絲杠聯(lián)動。直徑21mm、螺距5mm的滾珠絲杠，用伺服電機(jī)驅(qū)動，帶動帶條機(jī)構(gòu)橫向移動。橫向移動部件約10kg。

3.2.2 關(guān)于橫向移動部分驅(qū)動的計算

雖然橫向移動部分的總重量約10kg，考慮到裝配中的阻尼等因素，取移動部件重量為20kg，選用直徑32mm、導(dǎo)程5mm的滾珠絲桿和滾珠導(dǎo)軌，可極大地降低設(shè)備摩擦阻力和設(shè)備功耗。

植針動作周期按300針/min計算，得到200 ms/針的動作周期，其中橫向移動的時間只占動作周期的37.5%，即只有75ms。設(shè)加速時間和減速時間t2=20ms，勻速時間t3=35ms，植針針間距5.8mm～12mm。

橫移植針部件的慣量：

（下面取1.5×10-5kg·m2進(jìn)行計算）

取摩擦因數(shù)0.05，效率0.98，則工作扭矩為：

設(shè)橫向移動每步距離12mm，則在75ms內(nèi)移動12mm，其加速度和速度分別為：

換算成絲桿轉(zhuǎn)速：

此時其加速扭矩為：

若橫向移動每步的距離是5.8mm，則在75 ms內(nèi)移動5.8mm。以公式（3）～（5），計算可得到絲桿的轉(zhuǎn)速為1 267r/min，此時其加速扭矩為0.1 N·m。

式（5）～（9）中：

J2——拖板慣量/（kg·m2）；

T2——驅(qū)動絲桿所需工作扭矩/（N·m）；

a1——拖板直線運(yùn)動加速度/（m·s-2）；

v1——拖板做直線運(yùn)動最高線速度/（m·min-1）；

ω1——絲桿最高轉(zhuǎn)速/（r·min-1）；

Δn——從靜止到額定速度之差/（r·min-1）；

Ma——驅(qū)動所需加速轉(zhuǎn)矩/（N·m）。

通過計算可以看出，加速扭矩大于靜扭矩；電機(jī)的力矩為電機(jī)驅(qū)動自身所需力矩的4倍（經(jīng)驗(yàn)值），則伺服減速機(jī)側(cè)的輸出轉(zhuǎn)矩不得小于0.83N·m。

3.3 底布提升

采用滾動花鍵副（見圖2），既能實(shí)現(xiàn)提升羅拉跟隨橫動機(jī)構(gòu)的軸向運(yùn)動又能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動羅拉提升底布的功能。提升輪系進(jìn)行獨(dú)立的伺服電機(jī)控制，取消了六角輪、提升棘輪、三眼盤等零部件，只保留了提升羅拉功能。由于沒有輪系存在，極大地降低了設(shè)備的摩擦阻力和運(yùn)行噪聲。

圖2 滾動花鍵副結(jié)構(gòu)

在滾動花鍵軸桿端部連接伺服減速電機(jī)，驅(qū)動滾動花鍵軸桿和花鍵套，實(shí)現(xiàn)帶條的縱向提升?；ㄦI套外徑27.5mm，我們?nèi)∽顦O端的配置進(jìn)行理論計算。設(shè)加速時間和減速時間t2=20ms，勻速時間t3=35ms。

設(shè)提升動作在75ms內(nèi)提升帶條1.5mm，則

換算成羅拉轉(zhuǎn)速：

將凸輪主軸的絕對相位值輸入上位控制器，經(jīng)過預(yù)先輸入與產(chǎn)品配對的程序從而控制橫移伺服電機(jī)和提升伺服電機(jī)的動作，結(jié)合機(jī)械控制的送絲、切斷、成型和彎針動作，實(shí)現(xiàn)完整植針的功能。

4 數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

對凸輪主軸時序進(jìn)行分析并按照正弦曲線進(jìn)行分解，如圖3所示。當(dāng)凸輪主軸轉(zhuǎn)動65°（相對于參考點(diǎn)）時，橫向移動伺服電機(jī)開始啟動（y軸），進(jìn)行橫向移動動作，移動的距離（或位置）預(yù)先通過系統(tǒng)總線設(shè)置好。橫向移動或縱向提升必須在主軸電機(jī)轉(zhuǎn)動到225°之前完成。提升電機(jī)的動作是在橫移電機(jī)到達(dá)邊沿，與橫移電機(jī)的換向動作同時動作。

圖3 植針機(jī)凸輪主軸時序曲線

主軸選用帶單圈絕對值編碼器的伺服電機(jī)，橫移伺服電機(jī)選用多圈絕對值編碼器，提升伺服電機(jī)選用普通增量式編碼器。在凸輪主軸上安裝一個光電開關(guān)，用于配合主軸伺服系統(tǒng)進(jìn)行尋零動作，然后形成凸輪主軸的絕對相位值，并將凸輪主軸的相位輸入上位控制器。橫移伺服系統(tǒng)在導(dǎo)軌兩端安裝兩個極限位置保護(hù)開關(guān)和一個尋零開關(guān)，初次使用時，命令橫移伺服系統(tǒng)執(zhí)行尋零動作。找到零位開關(guān)，確定零位位置，執(zhí)行完尋零動作后，橫移伺服系統(tǒng)即以絕對位置坐標(biāo)進(jìn)行工作。由于伺服系統(tǒng)帶有鋰電池，因此下次使用時不必再次執(zhí)行尋零操作。上位PLC根據(jù)橫移絕對位置坐標(biāo)和主軸相位關(guān)系，確定提升機(jī)構(gòu)的動作時機(jī)，并根據(jù)橫移絕對位置坐標(biāo)以及工藝參數(shù)確定下次橫移位置。

5 植針工藝

以QRT27/31-1型為例，該品種相關(guān)參數(shù)為：針間距7.62mm，行間距0.577mm，六行一組，每行6針，每行錯開1.27mm。圖4為具體參數(shù)示意。程序通過判斷橫向移動電機(jī)反饋的實(shí)際位移數(shù)據(jù)來判斷植針位置。首先，主軸尋零，橫移尋零。橫向絕對值坐標(biāo)等于零，橫移坐標(biāo)歸零。再啟動設(shè)備，令伺服從右向左移動，進(jìn)行植針，橫向移動6針距離：

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到38.10mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時，令伺服繼續(xù)向左移動；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到39.37mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時，令伺服反向，向右移動；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到1.27mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時，令伺服反向，向左移動；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到2.54mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時，令伺服繼續(xù)向左移動；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到40.64mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時，令伺服反向，向右移動；

圖4 QRT27/31-1型彈性針布植針參數(shù)

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到38.1mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時，伺服繼續(xù)向右移動；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到0.0mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時，伺服反向，向左移動；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到1.27mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時，伺服繼續(xù)向左移動；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到39.37mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時，伺服繼續(xù)向左；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到40.64mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時，伺服反向；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到2.54mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時，伺服繼續(xù)向右移動；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到0.0mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時，開始重復(fù)執(zhí)行從步驟1～12。

6 結(jié)語

本次縱植機(jī)數(shù)字化改進(jìn)在國內(nèi)外尚屬首例，無任何相關(guān)技術(shù)可借鑒。由工作時序可知，在植針?biāo)俣?00針/min時，留給電控系統(tǒng)的動作時間最多只有75ms。在這么短的時間內(nèi)要完成電機(jī)啟動，運(yùn)動到位，然后即時準(zhǔn)確停止，加之設(shè)備慣量較大，考慮到實(shí)際的動作時間會更短，可能只有50ms，因此整個系統(tǒng)的設(shè)計選型更加困難。

目前數(shù)字化縱植機(jī)已經(jīng)調(diào)試成功，速度范圍為0～320針/min，可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速；橫向移動、縱向提升伺服驅(qū)動，動作迅速、可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行噪聲小于機(jī)械縱植機(jī)；設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)于原機(jī)械化縱植機(jī)。

數(shù)字化縱植機(jī)調(diào)試成功，極大地提高了工作效率，減少了備品備件。傳統(tǒng)縱植機(jī)更改品種的話，需要更換升棘輪、提升棘、六角輪等諸多部件，而數(shù)字化縱植機(jī)只需在觸摸屏上選擇相應(yīng)的產(chǎn)品型號，更換針頭排、針頭板，對植針針形略作調(diào)整即可，使改車時間從原來的2d縮短為2h左右；且植針設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性極大提高。