劉洋，崔敏，黃強(qiáng)

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牛仔布裁片的自動(dòng)分片裝置設(shè)計(jì)

劉洋，崔敏，黃強(qiáng)

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

針對(duì)牛仔布裁片掃粉工藝中裁片分片的自動(dòng)化問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種表面裝有若干數(shù)量滾針的滾筒卷起布片以實(shí)現(xiàn)裁片的自動(dòng)分片. 分析了滾針結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分片效果的影響，借助Pro-e和AutoCAD建立了裁片自動(dòng)分片裝置的結(jié)構(gòu)模型，并通過(guò)可編程控制器和光電傳感器實(shí)現(xiàn)了各機(jī)構(gòu)間的控制與聯(lián)動(dòng). 理論分析與實(shí)驗(yàn)研究均表明，本方案設(shè)計(jì)的牛仔布裁片自動(dòng)分片裝置具有工作重復(fù)性好、分片成功率高等優(yōu)點(diǎn)，可顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性.

牛仔布裁片；自動(dòng)分片；滾針；滾筒；可編程控制器

牛仔褲制作工序繁多，在其生產(chǎn)流程中，要經(jīng)過(guò)裁剪、縫紉、洗水等工藝環(huán)節(jié). 經(jīng)裁剪工序后，可得到尺寸合適的成疊布料，每片裁剪好的布料簡(jiǎn)稱(chēng)為裁片；一些重要部位的裁片如前袋、表袋、腰頭等部位，常常需要掃粉. 所謂掃粉就是將易洗滌的粉漿刷在預(yù)制好的模板上，再通過(guò)模板上的細(xì)小孔洞滴落在裁片上形成一定的圖案以方便縫紉的一種工藝. 該工藝包括刷料和分片兩個(gè)過(guò)程，即給整疊裁片中最表面的那片刷上圖案，并將刷好圖案的裁片從成疊裁片中取出來(lái)，同時(shí)保證剩下的裁片還能整齊地疊在一起. 目前國(guó)內(nèi)外牛仔褲生產(chǎn)廠家大都采用人工刷料和分片. 該工藝過(guò)程要求操作人員工作期間不停地進(jìn)行手工掃粉、取出布片、擺放布片等單調(diào)、重復(fù)、繁瑣性的操作，消耗體力大，刷料效率低；成批生產(chǎn)的條件下，愈顯得費(fèi)時(shí)（人工掃粉平均時(shí)間/片）費(fèi)工、生產(chǎn)效益低下. 本文主要研究牛仔布裁片的自動(dòng)分片技術(shù)，該項(xiàng)研究對(duì)實(shí)現(xiàn)牛仔褲生產(chǎn)過(guò)程中與分片相關(guān)的工藝過(guò)程自動(dòng)化有著重要的意義.

1 成疊裁片自動(dòng)分片方案設(shè)計(jì)

1.1 常用分片方法分析

生活及生產(chǎn)中針對(duì)不同片狀產(chǎn)品會(huì)使用很多分片設(shè)備，因材料性質(zhì)不同，所用的原理及方法也不一樣，歸納起來(lái)主要有以下幾種：

1）摩擦分片法. 是借助滾輪與片狀物表面的摩擦力以抽出物件的方法. 例如：在打印機(jī)中，對(duì)紙張分片應(yīng)用的是乳膠滾輪. 在貼緊紙張轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，滾輪表面與紙張表面會(huì)產(chǎn)生摩擦，由于紙張較硬且表面比較光滑，使得乳膠滾輪與紙張表面的摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于紙張之間的摩擦力. 也因此，可以借助乳膠滾輪與紙張表面的摩擦力來(lái)抽出紙張，且不會(huì)把下面的紙張帶出來(lái).

2）真空吸附法. 是利用抽風(fēng)機(jī)將密閉殼體內(nèi)的氣體抽出，導(dǎo)致殼體內(nèi)氣壓下降，與大氣壓相比形成負(fù)壓，從而在進(jìn)氣口將片狀物或碎屑吸起來(lái)的方法. 例如：吸塵器的風(fēng)機(jī)葉輪在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，將吸塵器內(nèi)的空氣高速排出，從而與外界形成較高的壓差，于是吸嘴處不斷地吸進(jìn)外界空氣同時(shí)將附近的塵屑以及片狀物吸起來(lái).

3）靜電吸附法. 利用靜電發(fā)生器產(chǎn)生靜電并施加在要吸附的物體上，使原來(lái)不平整（如四周向上翹起）的物體能平整地吸附在金屬板、木板等的表面以便后續(xù)操作. 這種方法在鋼材生產(chǎn)、木材生產(chǎn)和模具行業(yè)中應(yīng)用廣泛.

由于牛仔布料比較粗糙，裁片與裁片之間貼合緊密，摩擦力比較大，而且裁片本身比較軟. 表面裁片被抽出時(shí)很容易帶出下面的裁片：因此，靠摩擦力或靜電吸附不能有效分開(kāi)牛仔布裁片. 同時(shí)，真空吸附氣壓難以控制，牛仔布裁片的透風(fēng)性比較強(qiáng)，在真空吸附實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一次吸起幾片或者吸不起來(lái)的現(xiàn)象，影響分片的成功率：因此，該方法也不適用于大批量工業(yè)生產(chǎn).

綜上分析，牛仔布裁片分片方案的選取要充分考慮如何擺脫相鄰裁片間的束縛.

1.2 牛仔布裁片分片機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理

本方案是設(shè)計(jì)表面裝有若干數(shù)量滾針的滾筒，使其貼緊布片表面做純滾動(dòng)（以保證滾筒表面與布片之間無(wú)摩擦），從而實(shí)現(xiàn)裁片間的分離. 分片原理如圖1所示，滾筒在布片表面滾動(dòng)的過(guò)程中滾針會(huì)與布片接觸并插進(jìn)布片，由于滾針與滾筒徑向間設(shè)有一定的角度，滾針插進(jìn)布片后在繼續(xù)滾動(dòng)的過(guò)程中將挑起布片，使布片緊貼著滾筒一起運(yùn)動(dòng). 當(dāng)滾筒帶著布片轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度后，布片在重力的作用下自動(dòng)落在傳送帶上從而實(shí)現(xiàn)與滾筒的分離. 滾針的長(zhǎng)度由布片的厚度決定，以不插穿布片為宜. 滾針的數(shù)量由卷布效果確定，以能準(zhǔn)確無(wú)誤地將布片卷起為宜.

以上為碳酸鎂在亞氨基二乙酸鹽體系中的溶解熱力學(xué)平衡方程及其相應(yīng)的溶解熱力學(xué)模型。在該模型中，當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，溶液中共存在和[OH-]等8個(gè)未知數(shù)，其中和[OH-]由碳酸鎂的溶解平衡制約，而[H+]和[OH-]由水的電離平衡制約。

圖1 分片方案原理圖

滾針在接觸到布面的過(guò)程中如果正好與布面垂直則最易插入布片，此時(shí)滾針與滾筒徑向夾角即為滾針能夠挑起布片的最小臨界角. 如圖2所示，為滾針，為滾筒半徑，垂直，最小臨界角計(jì)算如下：

（2）

（3）

（5）

圖2 滾針角度分析圖

1.3 成疊裁片自動(dòng)分片裝置的總體設(shè)計(jì)方案

分片系統(tǒng)由卷布部分、送料部分和控制部分組成. 卷布部分主要是把成疊裁片最表面的裁片卷起來(lái)從而實(shí)現(xiàn)與下面的整疊裁片分離. 表面的裁片被分離后，剩下的裁片通過(guò)送料機(jī)構(gòu)往上提升一個(gè)裁片厚度的高度，以保證下一次卷布的過(guò)程中滾筒與裁片能夠緊密貼合. 為了實(shí)現(xiàn)整臺(tái)機(jī)器的自動(dòng)化運(yùn)行，使用可編程控制器（PLC）和光電傳感器控制各動(dòng)力機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng).

2 分片裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 卷布機(jī)構(gòu)

分片方案中滾筒的純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)是由滾筒自身的轉(zhuǎn)動(dòng)和滾筒架帶著它一起的移動(dòng)組成的，二者按照一定的速度比合成. 本方案采用PLC控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)滾筒的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng). 如圖3所示，步進(jìn)電機(jī)A固定在機(jī)架上，通過(guò)齒輪齒條的傳動(dòng)來(lái)控制滾筒連同滾筒架一起沿著光軸導(dǎo)軌前后移動(dòng)；步進(jìn)電機(jī)B固定在滾筒架上，通過(guò)同步帶輪的傳動(dòng)來(lái)控制滾筒轉(zhuǎn)動(dòng). 考慮到滾筒架移動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩較大而滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩較小，步進(jìn)電機(jī)A和B所選用的型號(hào)分別為56BYG250D和56BYG250C. 通過(guò)計(jì)算確定齒輪齒條以及傳動(dòng)帶的傳動(dòng)比，以控制滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)的速度使其合成為滾針筒的純滾動(dòng). 滾針筒在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中能否將布片卷起來(lái)，與滾筒的運(yùn)動(dòng)速度、滾針的長(zhǎng)度數(shù)量以及角度密切相關(guān). 滾筒的周長(zhǎng)應(yīng)適當(dāng)大于布片的長(zhǎng)度，滾針的長(zhǎng)度根據(jù)布片的厚度來(lái)確定（滾針太長(zhǎng)容易扎穿布片，太短則不容易挑起布片）.

圖3 卷布機(jī)構(gòu)圖

2.2 送料機(jī)構(gòu)

滾筒在滾過(guò)布面的過(guò)程中必須緊貼著布面對(duì)布片施加一定的壓力，才能保證滾針順利地插進(jìn)并卷起布片. 該過(guò)程中滾筒架只沿著光軸導(dǎo)軌做前后移動(dòng)，其軸心的高度始終保持不變. 隨著表面的布片不斷地被卷起來(lái)，布片數(shù)量減少，滾筒軸心離布片表面的垂直距離不斷增加，導(dǎo)致滾筒在之后的卷布過(guò)程中不能緊貼著布片以至于難以將布片卷起來(lái). 因此系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)提升送料機(jī)構(gòu)，以保持滾筒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與布片的緊密貼合. 滾筒每完成一次卷布動(dòng)作，提升臺(tái)需向上提升相當(dāng)于一個(gè)裁片厚度的高度. 由于向上提升位移很小，并且要保證位移精準(zhǔn)，避免提升累積誤差過(guò)大，送料機(jī)構(gòu)采用型號(hào)為56BYG250D的步進(jìn)電機(jī)C帶動(dòng)滾珠絲杠[1-2]. 絲杠的導(dǎo)程選為，直徑為. 為了保證提升臺(tái)的穩(wěn)定性，在絲杠兩邊各裝一個(gè)無(wú)桿光軸導(dǎo)軌，使升降臺(tái)沿著導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，如圖4所示. 分片裝置各組件的裝配關(guān)系如圖5所示.

圖4 送料機(jī)構(gòu)圖

a．主視圖 b. 左視圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分片系統(tǒng)中用到了3個(gè)步進(jìn)電機(jī)，各步進(jìn)電機(jī)必須按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的速度精確運(yùn)轉(zhuǎn). 同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)之間分時(shí)序配合工作，任何一個(gè)步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)間出問(wèn)題都會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng). 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)由接收了PLC高頻脈沖的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng). PLC根據(jù)輸出器件類(lèi)型可以分為繼電器型、晶體管型和雙向晶閘管型. 其中晶體管型輸出接口能夠發(fā)射高頻信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn). 由于系統(tǒng)一共用了3個(gè)步進(jìn)電機(jī)，因此選用的PLC上必須有3個(gè)高速輸出的接點(diǎn)，本文采用三菱FX3U-16MT-EA PLC作為控制器件[3]. 同時(shí)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上都裝有光電傳感器，通過(guò)反饋步進(jìn)電機(jī)的位置信號(hào)來(lái)修正步進(jìn)電機(jī)工作過(guò)程中可能出現(xiàn)的失步問(wèn)題. 系統(tǒng)的控制如圖6所示，光電傳感器A反饋滾筒架移動(dòng)的位置信號(hào)；光電傳感器B反饋滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)；光電傳感器C反饋提升臺(tái)的高度信號(hào)[4].

圖6 控制系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

牛仔布裁片自動(dòng)分片裝置的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：目標(biāo)布片具有柔軟、多毛和易粘連等復(fù)雜特性，傳統(tǒng)的摩擦分片法、真空吸附法和靜電吸附法均不能可靠地將其正確分離. 本文另辟蹊徑，采用在滾筒上布設(shè)針狀分揀元件，依靠扎刺起挑實(shí)現(xiàn)目標(biāo)布片的分離和移送，使得成疊牛仔布裁片掃粉工藝過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，同時(shí)也有助于牛仔褲生產(chǎn)過(guò)程中與自動(dòng)分片相關(guān)的其他工藝過(guò)程的自動(dòng)化. 實(shí)驗(yàn)表明，本方案既節(jié)省了勞動(dòng)力又提高了生產(chǎn)效率(自動(dòng)掃粉平均時(shí)間/片)，而且分片質(zhì)量一致性和重復(fù)性良好，能夠滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的需要. 研究還發(fā)現(xiàn)，滾筒的速度、直徑及其表面結(jié)構(gòu)對(duì)分片效果有較大的影響，是該類(lèi)裝置需要認(rèn)真考慮的設(shè)計(jì)參數(shù). 對(duì)機(jī)器進(jìn)一步改進(jìn)后，可使之適用于不同布料的分片作業(yè)，這將給生產(chǎn)帶來(lái)更大的便利.

[1] 龍振宇. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] 孫桓，陳作模，葛文杰. 機(jī)械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2013.

[3] 熊詩(shī)波，黃長(zhǎng)藝. 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4] 廖常初. FX系列PLC編程及應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Design of Automatic Subdivision of Denim Fabrics

LIUYang, CUIMin, HUANGQiang

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In view of automation problems in the powder sweeping process in denim fabric cutting and subdivision, a method using a roller equipped with a number of needles on its surface to roll up pieces of cloth is designed to achieve automatic subdivision. The effect of needle roller parameters on automatic subdivision is analyzed. A device structure model is established with Pro-e and AutoCAD. PLC programmable controller and photoelectric sensors are used to realize linkage and control among motors. Research results show that the automatic device for subdividing denim fabrics is of good repeatability and has a high success rate. It can improve productivity significantly.

denim fabric cutting; automatic subdivision; needles; rollers; PLC

1006-7302（2015）01-0064-05

TH12

A

2014-10-10

劉洋（1988—），男，湖北襄陽(yáng)人，在讀碩士生，研究方向?yàn)闄C(jī)械裝備設(shè)計(jì)；崔敏，副教授，碩士生導(dǎo)師，通信作者，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì).