北京眾仁智杰科技發(fā)展有限公司 畢麗蘊(yùn) 劉廣喜/文

產(chǎn)品開發(fā)

一種粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)器人

北京眾仁智杰科技發(fā)展有限公司 畢麗蘊(yùn) 劉廣喜/文

關(guān)鍵詞：粗紗機(jī) 自動(dòng)落紗 時(shí)序 控制系統(tǒng)

1. 引言

目前，帶有自動(dòng)落紗系統(tǒng)的粗紗機(jī)已不鮮見，但各粗紗機(jī)生產(chǎn)商的自動(dòng)落紗系統(tǒng)完全是為各自所生產(chǎn)的粗紗機(jī)定制的配套系統(tǒng)。而且，與標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立粗紗機(jī)相比，帶有自動(dòng)落紗系統(tǒng)的粗紗機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大改動(dòng)，以適應(yīng)自動(dòng)落紗系統(tǒng)的需求。也就是說，帶有自動(dòng)落紗系統(tǒng)的粗紗機(jī)是一種全新的紡機(jī)設(shè)備，其自動(dòng)落紗系統(tǒng)與已經(jīng)裝機(jī)的普通粗紗機(jī)沒有兼容性。

無錐輪的粗紗機(jī)自2000年進(jìn)入市場以來，已經(jīng)成為紡織廠的首選機(jī)型，到2012年之前，市場銷售國產(chǎn)粗紗機(jī)都是不帶自動(dòng)落紗系統(tǒng)的。因此，目前紡織廠運(yùn)轉(zhuǎn)的粗紗機(jī)絕大多數(shù)不具備自動(dòng)落紗系統(tǒng)。

基于上述兩個(gè)方面的現(xiàn)狀，雖然目前的粗細(xì)絡(luò)聯(lián)自動(dòng)生產(chǎn)線技術(shù)已經(jīng)成熟，在新建工廠也容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于紡紗設(shè)備使用年限還不長、生產(chǎn)工藝先進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量較高的紡紗企業(yè)而言，實(shí)現(xiàn)粗細(xì)絡(luò)聯(lián)還有許多工作要做。近幾年，細(xì)紗機(jī)短車自動(dòng)落紗及粗細(xì)聯(lián)的研發(fā)工作取得了很大成果，也已經(jīng)有不少成功案例，但對(duì)現(xiàn)有粗紗機(jī)配套自動(dòng)落紗系統(tǒng)的研制卻較少見。為此，基于對(duì)粗紗機(jī)設(shè)計(jì)和粗紗工藝的充分理解，研發(fā)人員設(shè)計(jì)了全新的粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)器人。該自動(dòng)落紗機(jī)器人可以在不改變粗紗機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，與已裝機(jī)運(yùn)行的粗紗機(jī)配套使用，達(dá)到節(jié)約人工成本，提高生產(chǎn)效率的目的。

2. 總體結(jié)構(gòu)

粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)器人從功能上可以分為5大部分，分別是：行走系統(tǒng)、取放機(jī)械手、滿紗吊裝機(jī)械手、空管輸送系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)。各個(gè)部分之間既相對(duì)獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，通過網(wǎng)絡(luò)信息交互構(gòu)成細(xì)化的時(shí)序、交叉、關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)，使粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)有效、準(zhǔn)確、快速的落紗操作。

圖1 粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

3. 落紗時(shí)序分析

粗紗機(jī)落紗停機(jī)時(shí)間是重要的粗紗工藝參數(shù)，因此必須精確控制落紗機(jī)器人的落紗動(dòng)作，根據(jù)落紗機(jī)器人的功能結(jié)構(gòu)和控制組合，對(duì)落紗部分進(jìn)行動(dòng)作節(jié)拍分析，優(yōu)化控制，縮短落紗停機(jī)時(shí)間。圖2 為粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)器人工作時(shí)序圖，橫軸時(shí)間以秒為單位，整個(gè)完整落紗循環(huán)所用時(shí)間為240秒。

圖2 粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)器人工作時(shí)序圖

對(duì)照粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)器人工作時(shí)序圖對(duì)落紗動(dòng)作進(jìn)行節(jié)拍分析如下：

0. 機(jī)器人移動(dòng)到起始位置，（10s）；

1. 取放機(jī)械手抬起到位置1，同時(shí)取放機(jī)械手旋轉(zhuǎn)90度，（0.5s）；

2. 取放機(jī)械手推出，（0.5s）；

3. 取放機(jī)械手落下到位置0，（0.5s）；

4. 取放機(jī)械手漲緊，（0.5s）；

5. 取放機(jī)械手抬起到位置1，（0.5s）；

6. 取放機(jī)械手退回，（0.5s）；

7. 取放機(jī)械手回旋90度，同時(shí)取放機(jī)械手抬起到位置3，（0.5s）；

8. 取放機(jī)械手推出，（0.5s），同時(shí)空管開始進(jìn)入位置；

9. 取放機(jī)械手松開，同時(shí)滿紗托盤上升到位置1，（0.5s）；

10. 滿紗托盤下降到位置0，（0.5s）；

11. 取放機(jī)械手退回，（0.5s），空管進(jìn)入位置完成；

12. 取放機(jī)械手落下到位置2，（0.5s），同時(shí)滿紗托盤上升到位置2，（1s）；

13. 取放機(jī)械手漲緊，（0.5s）；

14. 取放機(jī)械手抬起到位置3，（0.5s）；

15. 取放機(jī)械手旋轉(zhuǎn)90度，（0.5s），同時(shí)空管托盤開始退出；吊裝機(jī)械手開始工作；

16. 取放機(jī)械手落下到位置1，（0.5s）；

17. 取放機(jī)械手推出，（0.5s）；

18. 取放機(jī)械手落下到位置0，（0.5s）；

19. 取放機(jī)械手松開，（0.5s）；

20. 取放機(jī)械手抬起到位置1，（0.5s），吊裝機(jī)械手結(jié)束工作，空托盤推出結(jié)束，滿紗托盤退回到位置0開始；機(jī)器人移動(dòng)到下一位置（2s），重復(fù)步驟2-19，共19次；

21. 夾具退回，（0.5s）；

22. 夾具回旋90度，同時(shí)夾具落下到位置0，（0.5s）；

23. 機(jī)器人移動(dòng)到停放位置，（10s）。

落紗步驟2到20所需時(shí)間為9.0s，120錠粗紗機(jī)需要重復(fù)20次共需時(shí)間180s；在落紗期間機(jī)器人移動(dòng)19次，共需時(shí)間38s；夾具起始到位所需時(shí)間（即步驟0到2）11.0s；夾具返回停放位置時(shí)間（即步驟21至23）11.0s；這樣整個(gè)落紗所需時(shí)間為：240s（4.0min）。

目前市場上幾種粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)型及其落紗時(shí)間如表1所示。對(duì)比表1中的粗紗機(jī)自動(dòng)落紗系統(tǒng)落紗用時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的落紗機(jī)器人在落紗時(shí)間上具備一定的優(yōu)勢(shì)。

表1 粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)型及其落紗時(shí)間

4. 控制系統(tǒng)

為了完成自動(dòng)落紗功能并實(shí)現(xiàn)前述的準(zhǔn)確時(shí)序，一套完整的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是該設(shè)備的關(guān)鍵。粗紗機(jī)落紗機(jī)器人的控制系統(tǒng)可分為六個(gè)部分：主控系統(tǒng)、行走控制、取放機(jī)械手控制、吊裝機(jī)械手控制、空管輸入控制和滿紗輸送控制。粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖詳見圖3。

圖3 粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

下面，本文將分述每個(gè)部分的系統(tǒng)配置和功能。

4.1 主控系統(tǒng)

由嵌入式工控機(jī)、觸摸屏和PLC構(gòu)成，通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話；通過現(xiàn)場總線與其它五個(gè)部分進(jìn)行信息交換；采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫方式存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)在線故障診斷、查詢和統(tǒng)計(jì)分析。通過互聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障遠(yuǎn)程診斷。

4.2 行走控制

由PLC、伺服驅(qū)動(dòng)、傳感器等構(gòu)成，PLC通過現(xiàn)場總線與主控系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。伺服驅(qū)動(dòng)以位置控制模式工作，由PLC控制啟動(dòng)，按照設(shè)定的步幅自動(dòng)到位。每個(gè)步幅可以現(xiàn)場調(diào)整、修改，控制框圖見圖4 。

圖4 行走控制系統(tǒng)框圖

以120錠粗紗機(jī)為例，在落紗停車過程中，落紗機(jī)器人需要行走19次、完成20次落紗操作。因此每次行走的定位精度對(duì)機(jī)器人準(zhǔn)確完成操作至關(guān)重要；同時(shí)，行走用時(shí)是決定落紗機(jī)器人性能、效率指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)。從今后現(xiàn)場施工和應(yīng)用（一配多）的角度考慮，行走軌道采用工字鋼搭建，驅(qū)動(dòng)輪由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用位置控制模式，以保證每段行走的位置精度。

保證位置精度的關(guān)鍵是避免驅(qū)動(dòng)輪與軌道之間的滑動(dòng)位移，尤其在機(jī)器人啟動(dòng)和停止過程中，因此慢起、緩?fù)Ｊ潜ＷC位置精度的最佳選擇，與其相矛盾的是我們要最大限度的減少落紗停機(jī)時(shí)間，因此如何在保證控制精度的條件下，提高運(yùn)動(dòng)速度、縮短各個(gè)環(huán)節(jié)的用時(shí)是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。所以給伺服控制系統(tǒng)設(shè)置最優(yōu)的加速、減速參數(shù)是關(guān)鍵工作。

我們通過下面的計(jì)算來確定加減速參數(shù)：

加減速過程中，影響驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的主要受力是伺服電機(jī)傳遞的扭矩和軌道摩擦施加給驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩，忽略其它阻力的影響，驅(qū)動(dòng)輪受力圖如圖5所示，

圖5 行走驅(qū)動(dòng)輪受力圖

驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力學(xué)方程如下：

其中：FX=μ·N

式中：

I —等效到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

R —驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)半徑；

ω —驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速；

M d —伺服電機(jī)傳給驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)扭矩；

μ—輪軌之間摩擦系數(shù)；

N —驅(qū)動(dòng)輪載荷；

V—機(jī)器人速度；

Fz —軌道支撐力；

Fx —驅(qū)動(dòng)輪的水平力；

Fp —驅(qū)動(dòng)輪軸的水平力；

m —驅(qū)動(dòng)輪質(zhì)量。

等效驅(qū)動(dòng)慣量公式：

驅(qū)動(dòng)輪受到的扭矩：

式中：Is 為伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

I0為減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Iw 為驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Me 為伺服電機(jī)的輸出扭矩。

通過公式推導(dǎo)可以得到伺服控制器所需的加減速參數(shù)：

在實(shí)際控制中，啟動(dòng)時(shí)伺服加速度要克服機(jī)器人的靜摩擦力Fx，此時(shí)μ為靜摩擦系數(shù)；而停止時(shí)伺服加速度要克服機(jī)器人的慣力Fp和摩擦力Fx，此時(shí)μ為動(dòng)摩擦系數(shù)，因此行走啟動(dòng)時(shí)和停止時(shí)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的加速度參數(shù)是不同的。

4.3 取放機(jī)械手控制

由PLC、伺服驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)元件、傳感器等構(gòu)成，PLC通過現(xiàn)場總線與主控系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。三維空間位置控制由三臺(tái)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，伺服驅(qū)動(dòng)以位置控制模式工作，各個(gè)伺服由PLC控制啟動(dòng)，按照各自設(shè)定的步幅、角度自動(dòng)控制到位。每個(gè)步幅、角度可以現(xiàn)場調(diào)整、修改，傳感器保護(hù)監(jiān)測(cè)?？刂瓶驁D見圖6。

圖6 取放機(jī)械手控制系統(tǒng)

取放機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度決定了落紗機(jī)器人的核心性能，它反映了落紗機(jī)器人的工作效率與生產(chǎn)水平。取放機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度越高，則工作效率和生產(chǎn)水平越高；但速度越高，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)就越大，對(duì)機(jī)械手的定位精度的要求就越高。其程序控制流程圖見圖7。

圖7 取放機(jī)械手程序控制流程圖

4.4 空管輸入控制

由PLC、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)元件、傳感器等構(gòu)成，PLC通過現(xiàn)場總線與主控系統(tǒng)進(jìn)行信息交換?？刂屏鞒逃赏补芡斜P運(yùn)送、空筒管喂入、空筒管排位組成，相互之間的動(dòng)作配合根據(jù)各個(gè)位置傳感器的反饋進(jìn)行協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)?？刂瓶驁D見圖8。

圖8 筒管托盤運(yùn)送系統(tǒng)框圖

筒管托盤運(yùn)送由封閉成環(huán)狀的軌道構(gòu)成，在軌道上安裝滾軸，滾軸由電機(jī)拖動(dòng)，筒管托盤在滾軸上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向由氣缸控制的導(dǎo)向門和推桿控制，位置控制也由氣缸實(shí)現(xiàn)。為保證落紗的效率，在落紗機(jī)器人工作期間，筒管托盤運(yùn)送保持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

空筒管喂入程序控制流程圖見圖9。在空管喂入位置上由一只氣缸控制，氣缸推出時(shí)筒管托盤被擋住，此時(shí)筒管托盤到位傳感器有信號(hào)，同時(shí)在較高位置的空筒管探測(cè)傳感器沒有信號(hào)，以上兩個(gè)條件滿足后，空筒管喂入氣缸動(dòng)作打開門擋，往筒管托盤上喂入一只空筒管，此時(shí)空筒管探測(cè)傳感器有信號(hào)，如果空筒管存儲(chǔ)區(qū)沒滿，該筒管托盤放行，重復(fù)喂入筒管。

圖9 空筒管喂入流程圖

空筒管按照粗紗機(jī)上相鄰6個(gè)筒管的位置排列，以方便取放機(jī)械手抓取空筒管。該階段控制程序流程圖見圖10。首先抬起前、后排出口阻擋器，關(guān)閉輸入和輸出導(dǎo)向門，放行三個(gè)筒管進(jìn)入后排，然后停止放行；打開輸入導(dǎo)向門，再放行三個(gè)筒管進(jìn)入前排，停止筒管放行，輸出筒管排列完成信號(hào)；當(dāng)筒管被取走后，縮回后排出口阻擋器，將后排的筒管托盤放出，然后打開出口阻擋器，縮回前排出口阻擋器，將前排的筒管托盤放出，筒管軌道輸送到空筒喂入工位。

圖10 空筒管排列控制流程圖

4.5 吊裝機(jī)械手控制

由PLC、伺服驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)元件、傳感器等構(gòu)成，PLC通過現(xiàn)場總線與主控系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。伺服驅(qū)動(dòng)以位置控制模式工作，各個(gè)伺服由PLC控制啟動(dòng)，按照各自設(shè)定的步幅、角度自動(dòng)控制到位。每個(gè)步幅、角度可以現(xiàn)場調(diào)整、修改，傳感器保護(hù)監(jiān)測(cè)。控制框圖見圖11。

圖11 吊裝機(jī)械手系統(tǒng)框圖

該單元內(nèi)的升降平臺(tái)將取放機(jī)械手抓取的粗紗筒運(yùn)送到吊裝機(jī)械手的操作工位，只是完成位置控制，由一臺(tái)以位置控制模式工作的伺服電機(jī)控制即可實(shí)現(xiàn)；吊裝機(jī)械手的握持器由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，伺服實(shí)現(xiàn)吊裝的位置控制。

5. 結(jié)論

粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)器人可以提高落紗效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，具有很大的市場需求。粗紗機(jī)自動(dòng)落紗機(jī)器人控制系統(tǒng)采用成熟的控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效，將極大提高紡織工廠生產(chǎn)自動(dòng)化程度和經(jīng)濟(jì)效益。