萬(wàn)義明 蔡鵬鵬 吳善敏

摘? 要：本文提出了設(shè)計(jì)新型工業(yè)縫紉機(jī)自動(dòng)換線裝置的具體工藝方法，設(shè)計(jì)制造了縫紉機(jī)自動(dòng)換線裝置樣機(jī)。通過(guò)對(duì)底線裝置結(jié)構(gòu)中幾個(gè)關(guān)鍵功能部件的有限元分析，設(shè)計(jì)了抓取機(jī)械手氣缸的基本結(jié)構(gòu)性能。然后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)仿真分析和計(jì)算，確定了抓取機(jī)械手氣缸壓力值的相對(duì)合理范圍。最后，設(shè)計(jì)制造了抓取機(jī)械手樣機(jī)，用于測(cè)試筒管套的抓取性能。但仍需重視抓取機(jī)械手與梭殼機(jī)械接觸面的固定技術(shù)，以保證抓取質(zhì)量的提高和定位系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)縫紉機(jī);自動(dòng)更換底線裝置;機(jī)械手;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);靜力學(xué)仿真

引言：

縫紉線繞線機(jī)是一種主要生產(chǎn)設(shè)備，用于完成各種縫紉線纏繞產(chǎn)品的纏繞和最終加工。目前，國(guó)內(nèi)紡織制造裝配行業(yè)仍在使用最早的進(jìn)口縫紉線繞線機(jī)設(shè)備，生產(chǎn)的紡織機(jī)械90%以上為老式普通繞線機(jī)，仍需人工操作完成初繞機(jī)，這是重要的生產(chǎn)工序。實(shí)際是工人承擔(dān)的體力勞動(dòng)太強(qiáng)，纏繞工藝效率普遍低于機(jī)器。而且要求專(zhuān)業(yè)操作人員技術(shù)嫻熟，操作熟練。本文將提出一種新型的縫紉線自動(dòng)初級(jí)纏繞裝置，它能夠完全自動(dòng)地完成抓線、斷線、纏繞等功能過(guò)程。可以大大有效地降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高整個(gè)卷繞過(guò)程的高度自動(dòng)化控制程度，提高初繞和卷繞的生產(chǎn)效率。

一、自動(dòng)初繞裝置的工作原理

自動(dòng)纏繞縫紉線自動(dòng)繞線機(jī)的原理是，在手動(dòng)纏繞空心縫紉線管道的制造工藝和設(shè)計(jì)方法中，首先需要將空筒管裝到繞線機(jī)主軸上，擰緊壓緊螺母后，自動(dòng)初繞裝置的抓線機(jī)構(gòu)將4個(gè)縫紉線線頭依次抓住，移動(dòng)抓線機(jī)構(gòu)使線頭與壓緊螺母接觸，驅(qū)動(dòng)主軸正轉(zhuǎn)。利用縫紉線頭與手壓螺母面之間的相對(duì)摩擦力，縫紉線頭自動(dòng)纏繞固定在縫紉線管頭上。當(dāng)錠子的初始卷繞和固定數(shù)沒(méi)有達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，錠子系統(tǒng)將立即停止錠子轉(zhuǎn)動(dòng)。纏繞線圈后的基本參數(shù)，松開(kāi)壓緊螺母，纏繞線圈后取下穿線管，完成縫紉線的纏繞過(guò)程。

二、自動(dòng)更換底線裝置功能分析與設(shè)計(jì)

2.1更換底線工藝過(guò)程

由于目前國(guó)內(nèi)使用的所有自動(dòng)換底線裝置主要依靠手動(dòng)抓取手或手動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行操作，往往需要盡量避免手動(dòng)先取出一個(gè)空的梭芯，然后及時(shí)更換備用的梭芯，這也可能造成整個(gè)設(shè)備時(shí)間成本和設(shè)備成本的空間浪費(fèi)，影響整機(jī)生產(chǎn)的整體效率。目前，我們?cè)谘芯亢蛯?shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用的自動(dòng)抓取裝置主要可以使用兩種功能齊全、操作類(lèi)型不同的抓取機(jī)械手，即手動(dòng)抓取筒管和自動(dòng)抓取備用筒管，可以實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)整個(gè)生產(chǎn)抓取過(guò)程的操作流程和步驟以及整個(gè)工作流程的自動(dòng)化管理過(guò)程，并且可以保證抓取過(guò)程時(shí)間、可以快速、有效、安全地有效節(jié)省成本投入和每一個(gè)工作流程步驟，從而大大提高企業(yè)的整體自動(dòng)化生產(chǎn)效率。自動(dòng)換底線裝置的一般工藝順序是機(jī)械手手動(dòng)夾住每根備用梭芯，然后自動(dòng)將機(jī)械手位置轉(zhuǎn)移到編號(hào)梭子的相應(yīng)位置，取出剩余的空梭芯，再自動(dòng)手動(dòng)調(diào)整到機(jī)械手位置，將剩余的空備用梭芯全部放回編號(hào)梭子并落入自動(dòng)回收裝置，從而完成回收裝置的自動(dòng)復(fù)位。

2.2自動(dòng)更換底線裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

在基于該機(jī)實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程的過(guò)程控制分析模型中，自動(dòng)線切換裝置系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)部分主要由工作臺(tái)、傳動(dòng)和控制部分以及底座結(jié)構(gòu)等組成。執(zhí)行和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要位于工作臺(tái)底座內(nèi)，還需要機(jī)械手、軸承、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等輔助部件。工作原理：在這個(gè)裝置系統(tǒng)中，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測(cè)到改變底線的信號(hào)時(shí)，機(jī)械手會(huì)立即自動(dòng)抓取備用線的底線。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行操作后，機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)逐漸向前移動(dòng)，直到設(shè)置相應(yīng)的底線信號(hào)，電機(jī)也會(huì)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械手將開(kāi)始逐漸自動(dòng)抓取備用線軸，工作臺(tái)將緩慢自動(dòng)向前移動(dòng)。當(dāng)備用線軸取出時(shí)，電機(jī)也將開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。工作臺(tái)開(kāi)始緩慢前后移動(dòng)，備用筒管會(huì)自動(dòng)緩慢進(jìn)入梭子旋轉(zhuǎn)過(guò)程，機(jī)械手自動(dòng)逐漸釋放備用筒管。在更換回收裝置的過(guò)程中，兩個(gè)機(jī)械手會(huì)自行復(fù)位，回到原來(lái)設(shè)定的位置，更換底線裝置的過(guò)程結(jié)束。

三、梭芯抓取機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1梭芯抓取機(jī)械手設(shè)計(jì)

及時(shí)、有效、準(zhǔn)確的自動(dòng)底線跟蹤裝置是我們保證自動(dòng)底線換線裝置系統(tǒng)能夠更加快速、順暢地跟蹤自動(dòng)底線系統(tǒng)的基礎(chǔ)。首先要能保證梭殼能安全順利的取出，梭門(mén)要打開(kāi)，這樣才能及時(shí)安全順利的取出梭殼。機(jī)械手的機(jī)械部分主要由頂桿、扳手、卡盤(pán)扳手、手爪、氣缸活塞、杠桿彈簧襯套六部分組成。扳手用來(lái)支撐杠桿軸套，氣缸活塞帶動(dòng)杠桿彈簧抓手轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)控制桿將穿梭門(mén)旋轉(zhuǎn)約60度并夾緊。

3.2機(jī)械手抓取力計(jì)算

為了通過(guò)分析模型進(jìn)一步確定一個(gè)機(jī)械手夾持另一個(gè)梭殼材料后筒體內(nèi)的變形受力過(guò)程和筒體外的變形受力狀態(tài)，清晰地預(yù)估抓取氣缸的壓力變化范圍，抓取力模型可以最大程度地避免抓取氣缸的推力變化過(guò)大，在一定程度上可能直接導(dǎo)致機(jī)械手受到人為外力的破壞。通過(guò)加載應(yīng)力模型，我們可以全面系統(tǒng)地分析與加載應(yīng)力模型相關(guān)的各種應(yīng)力問(wèn)題。在計(jì)算加載模型下的加載應(yīng)力的過(guò)程中，應(yīng)盡量逐個(gè)定義所有的接觸面類(lèi)型。然后根據(jù)實(shí)際的加載應(yīng)力模型，可以用手夾緊的機(jī)械手套和鋼管夾套應(yīng)該全部采用全鋼結(jié)構(gòu)，最大允許輸入壓力一般應(yīng)盡可能限制在0.7 kMPa左右。此時(shí)機(jī)械手的最大輸出推力一般應(yīng)維持在103.2N，并盡可能充分綜合考慮實(shí)際受力變化來(lái)確定模型中施加的最大推力。數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)模型的最大應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，杠桿末端也會(huì)發(fā)生應(yīng)力變形。當(dāng)缸內(nèi)輸入壓力接近最大值時(shí)，模型的應(yīng)力和變形會(huì)相對(duì)較小，與模型的設(shè)計(jì)參數(shù)一致。但是，如果最大輸入應(yīng)力大于模型材料的應(yīng)力變形，則應(yīng)進(jìn)一步更嚴(yán)格地控制最大輸入壓力。為了定義氣缸最大壓力輸入時(shí)應(yīng)力的實(shí)際取值范圍，應(yīng)考慮在不同的最大壓力條件下選取相應(yīng)的最大氣缸推力，并據(jù)此加載，以確定系統(tǒng)的最大工作應(yīng)力。

四、自動(dòng)更換底線裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)控制

機(jī)械手用于抓取和夾緊梭殼。機(jī)械手主要由氣缸活塞驅(qū)動(dòng)。氣缸內(nèi)的左右進(jìn)氣口還裝有單向節(jié)流閥（出口節(jié)流閥），可以調(diào)節(jié)氣缸活塞桿的速度。氣缸軸上分別安裝有兩個(gè)正、負(fù)磁開(kāi)關(guān)，用于機(jī)械手在空中抓取和釋放梭殼時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)氣缸活塞的精確位置。基本控制參數(shù)當(dāng)用感應(yīng)式磁開(kāi)關(guān)將活塞移動(dòng)到相應(yīng)的位置時(shí)，磁開(kāi)關(guān)中的一個(gè)感應(yīng)式磁開(kāi)關(guān)會(huì)立即檢測(cè)到從活塞位置移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁環(huán)，磁力會(huì)立即嚙合兩個(gè)磁開(kāi)關(guān)的自動(dòng)元件，產(chǎn)生另一個(gè)由磁力感應(yīng)的電信號(hào)，該信號(hào)會(huì)送回PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，然后執(zhí)行自動(dòng)控制裝置程序中設(shè)定的下一個(gè)控制命令。

4.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制

執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊功能機(jī)構(gòu)之一是實(shí)現(xiàn)空梭在空中的快速運(yùn)動(dòng)，并自動(dòng)快速轉(zhuǎn)移到其備用空梭上。通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸的連續(xù)快速旋轉(zhuǎn)和其前后軸上兩個(gè)快速旋轉(zhuǎn)機(jī)械手的同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，使空梭快速自動(dòng)移出其旋梭，處于待機(jī)方向的空梭自動(dòng)轉(zhuǎn)移到旋梭位置。根據(jù)更換底線時(shí)操作步驟所需的參數(shù)，制動(dòng)器通常需要旋轉(zhuǎn)90°或者180°。通過(guò)減速伺服電機(jī)經(jīng)主減速器減速，控制減速器執(zhí)行的機(jī)構(gòu)齒輪的旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度。

結(jié)束語(yǔ)

本研究基于當(dāng)前我國(guó)縫紉機(jī)自動(dòng)化發(fā)展實(shí)踐中的縫紉機(jī)自動(dòng)換線裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的研究方法，進(jìn)一步探索利用整體效率上升更快、響應(yīng)時(shí)間周期更短的技術(shù)實(shí)現(xiàn)縫紉機(jī)技術(shù)自動(dòng)化集成應(yīng)用的系統(tǒng)方法，初步實(shí)現(xiàn)了縫紉機(jī)自動(dòng)換線裝置。

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