易朋興,杜衡,魯華南,來(lái)五星
(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢430074)
工業(yè)縫紉機(jī)是各行各業(yè)廣泛使用的一種生產(chǎn)設(shè)備,其縫制出的鎖式線跡由面線和底線在機(jī)針和勾線、跳線機(jī)構(gòu)的作用下相互交織形成。其中面線(又稱針線)采用大線團(tuán)連續(xù)供線的方式供應(yīng),因大線團(tuán)線量在5 000 m以上,連續(xù)供線時(shí)間長(zhǎng),更換頻率小,一般每班只更換一次。而底線 (又稱梭線)采用梭芯供線的方式,將底線繞在梭芯上,再將梭芯裝進(jìn)梭芯套中,再將梭芯套裝進(jìn)旋梭中進(jìn)行供線,由于梭芯尺寸較小,每次只能裝入幾十米的底線,所以每隔15~20 min就必須手工更換底線。這樣不僅大大降低了縫紉機(jī)的生產(chǎn)效率,而且不利于縫紉工作的自動(dòng)生產(chǎn)。因此,作者研制出一種可以自動(dòng)更換縫紉機(jī)底線的裝置,對(duì)提高縫紉機(jī)生產(chǎn)效率以及實(shí)現(xiàn)縫紉工作的自動(dòng)化至關(guān)重要。
目前國(guó)內(nèi)外自動(dòng)更換底線技術(shù)主要通過(guò)兩個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn),一是對(duì)底線梭芯的抓取;二是空梭芯與備用梭芯的運(yùn)輸轉(zhuǎn)移。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式,可分為3種類型:第一種是將空梭芯取出后通過(guò)水平或豎直布置的平移轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu),將備用梭芯換上,如美國(guó)的Raymond SCISLAK[1]、Raymond D SWANEY[2]和日本的 SATORU SUZUKI[3],以及佛山啟創(chuàng)公司[4-5]提出的自動(dòng)更換底線裝置。該方式可靠性高,易于實(shí)現(xiàn),被廣泛采用;第二種是通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將備用梭芯取出并放入旋梭中,如美國(guó)的Alfred D SACCHETTI[6]提出的相應(yīng)裝置。該方式可以節(jié)省縫紉機(jī)旋梭前面的空間,可用于對(duì)空間布局有特殊要求的場(chǎng)合;第三種是將整個(gè)旋梭連同里面的底線梭芯一起進(jìn)行更換,如浙江信勝公司研制的用于珠片電腦繡機(jī)的底線自動(dòng)更換裝置[7]。該方式省去了對(duì)底線梭芯的抓取,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但由于更換的部件多,不適用于大量更換。
由于文中所研制的自動(dòng)更換底線裝置是作為一個(gè)輔助部分使用在集裝袋自動(dòng)生產(chǎn)線,在空間和結(jié)構(gòu)上受到一定的限制,所以綜合了上述各類型的優(yōu)點(diǎn),采用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)梭芯進(jìn)行抓取和更換,更換完后,由平移機(jī)構(gòu)將裝置執(zhí)行部分收回到安全范圍,避免與自動(dòng)生產(chǎn)線的工作產(chǎn)生干涉。
目前的自動(dòng)更換底線裝置都只采用了一個(gè)抓取機(jī)械手,需要先把空梭芯取出以后,再換上備用梭芯,這樣就導(dǎo)致了時(shí)間的浪費(fèi),效率降低。文中研制的裝置使用兩個(gè)機(jī)械手分別負(fù)責(zé)空梭芯和備用梭芯的抓取。在動(dòng)作步驟上可以節(jié)省30%,在更換時(shí)間上可以降低35%,大大提高了生產(chǎn)效率。
如圖 1所示,自動(dòng)更換底線的工藝過(guò)程是:首先機(jī)械手2夾住備用梭芯,由轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將機(jī)械手1轉(zhuǎn)移到對(duì)準(zhǔn)旋梭的位置并取出空梭芯,再由轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將機(jī)械手1和機(jī)械手2的位置對(duì)調(diào),使備用梭芯對(duì)準(zhǔn)旋梭,然后機(jī)械手2將備用梭芯放入旋梭,同時(shí)機(jī)械手1釋放空旋梭,使其掉入回收裝置中。最后整個(gè)裝置復(fù)位。
文中研制的自動(dòng)更換底線裝置如圖2所示。裝置主要由底座、絲杠傳動(dòng)部分和工作臺(tái)三部分組成。工作臺(tái)上放置更換底線的執(zhí)行機(jī)構(gòu),由機(jī)械手1、機(jī)械手2、轉(zhuǎn)軸、帶座軸承和電機(jī)等組成。
圖1 自動(dòng)換底線工藝流程
圖2 自動(dòng)更換底線裝置
其工作原理為:裝置檢測(cè)到更換底線的信號(hào)以后,機(jī)械手2首先抓取備用梭芯;工作臺(tái)帶著執(zhí)行機(jī)構(gòu)向前移動(dòng)到縫平機(jī)臺(tái)板前方指定位置;電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°,使機(jī)械手1對(duì)準(zhǔn)縫紉機(jī)旋梭里的空梭芯;工作臺(tái)后移到指定位置,機(jī)械手1抓住空梭芯;工作臺(tái)再次前移,將空梭芯從旋梭中取出;接著電機(jī)朝同一方向旋轉(zhuǎn)180°,使備用梭芯對(duì)準(zhǔn)縫紉機(jī)旋梭;工作臺(tái)后移,機(jī)械手2將備用梭芯放入旋梭中,同時(shí)機(jī)械手1將空梭芯釋放,使其落入回收裝置中;電機(jī)再次逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°,使兩個(gè)機(jī)械手在圓周方向復(fù)位;最后工作臺(tái)收回,回到初始位置,整個(gè)更換底線操作結(jié)束。整個(gè)動(dòng)作流程如圖3所示。
圖3 自動(dòng)更換底線動(dòng)作流程圖
梭芯抓取機(jī)械手是自動(dòng)更換底線裝置的關(guān)鍵部件,對(duì)梭芯進(jìn)行可靠地抓取是成功更換底線的基本保障??p紉機(jī)的底線梭芯是裝在梭芯套中,再連同梭芯套一起放進(jìn)旋梭內(nèi)進(jìn)行供線的,其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。因此,更換底線實(shí)際上是將裝有梭芯的梭芯套一起更換。要將梭芯套從旋梭中取出,須先將梭門掰開(kāi)到60°左右(如圖4所示位置),才能將梭芯套沿旋梭軸線方向取出來(lái)。
根據(jù)梭芯套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)出如圖5所示的抓取機(jī)械手。
圖4 梭芯與梭芯套
圖5 機(jī)械手結(jié)構(gòu)
機(jī)械手由卡盤、梭爪、杠桿、頂桿、氣缸等部分組成。其工作原理是:卡盤將梭芯套的頂面抵住;由氣缸通過(guò)杠桿推動(dòng)梭爪旋轉(zhuǎn);梭爪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中將梭門掰開(kāi)到60°左右的位置并夾緊。
為了確定機(jī)械手夾緊梭芯套以后,二者的應(yīng)力和變形情況,確定氣缸輸入壓力的合理范圍,避免因氣缸推力過(guò)大而對(duì)機(jī)械手或梭芯套造成破壞,利用ANSYS對(duì)機(jī)械手夾緊梭芯套后的模型進(jìn)行有限元仿真分析。
將模型導(dǎo)入ANSYS中,對(duì)模型中的接觸面類型進(jìn)行定義并施加約束;最后對(duì)模型進(jìn)行加載[8]。機(jī)械手和梭芯套的材料都設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼。根據(jù)所選氣缸,其最大輸入壓力為0.7 MPa,此時(shí)的氣缸施加在機(jī)械手杠桿上的最大推力為103.39 N。首先考慮此極限情況,將最大推力施加到模型中,得到如圖6所示的應(yīng)力圖和如圖7所示的變形圖。
圖6 應(yīng)力圖
圖7 變形圖
仿真結(jié)果顯示,最大應(yīng)力出現(xiàn)在杠桿軸與卡盤下表面接觸的位置,大小為168.69 MPa,大于材料的許用應(yīng)力 [τ] =125 MPa(取安全系數(shù) S =2[9])。最大變形出現(xiàn)在杠桿末端,其值為0.115 3 mm。在氣缸輸入壓力取最大的情況下,模型的最大變形較小,滿足設(shè)計(jì)要求,但最大應(yīng)力大于材料許用應(yīng)力,因此需要對(duì)氣缸的輸入壓力進(jìn)行控制。為了進(jìn)一步確定氣缸輸入壓力的合理范圍,選取不同壓力對(duì)應(yīng)的氣缸推力對(duì)模型進(jìn)行加載,得出對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力,繪制最大應(yīng)力隨氣缸輸入壓力的變化曲線 (如圖8所示)。由該曲線可知,氣缸的輸入壓力應(yīng)控制在0.55 MPa以下。
圖8 最大應(yīng)力變化曲線
為了驗(yàn)證機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,保證能順利將梭芯套夾住,加工出機(jī)械手樣機(jī) (如圖9所示),對(duì)梭芯套進(jìn)行抓取。
圖9 機(jī)械手樣品
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,機(jī)械手可以將梭芯套夾緊,從縫紉機(jī)旋梭中取出和放回。但抓取過(guò)程并不流暢,需要從以下兩方面問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn):
(1)梭爪在摳開(kāi)梭門時(shí)阻力較大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)梭爪與梭門卡死的現(xiàn)象。需要降低梭爪表面粗糙度,并進(jìn)行拋光鍍鉻處理,使其更表面光滑,防止出現(xiàn)卡頓、卡死現(xiàn)象。
(2)機(jī)械手在抓取過(guò)程中,梭芯套相對(duì)機(jī)械手會(huì)向左偏移,導(dǎo)致夾緊以后梭芯套與機(jī)械手的相對(duì)位置不穩(wěn)定,在放入備用梭芯時(shí)會(huì)出現(xiàn)梭芯套與旋梭不對(duì)齊,嚴(yán)重時(shí)無(wú)法正常放入備用梭芯。需要在機(jī)械手上與梭芯套接觸的地方 (除梭爪)增加一層橡膠、泡沫等增大摩擦的材料。
(1)在總結(jié)縫紉機(jī)自動(dòng)更換底線裝置現(xiàn)有方法和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,提出了一種效率更高、耗時(shí)更短的底線更換方法。設(shè)計(jì)出了對(duì)應(yīng)的自動(dòng)更換底線裝置。
(2)對(duì)裝置的關(guān)鍵部件——梭芯抓取機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,通過(guò)仿真得出了機(jī)械手驅(qū)動(dòng)氣缸的輸入壓力應(yīng)控制在0.55 MPa。
(3)制作出了機(jī)械手樣機(jī),進(jìn)行梭芯套抓取實(shí)驗(yàn)。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提出了建議。
[1]CISLAK Raymond S.Automatic Bobbin Changer and Apparatus for a Sewing Machine.United States Patent:4223618[P].1980-09-23.
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[3]SUZUKI Satoru,OHASHI Isao,OKAMOTO Takuya.Bobbin Changer Apparatus for Sewing Machine[P].United States Patent:2008/0011213A1,2008-01-17.
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