徐 鵬，施建花，楊曉芳，俞祖連，孫百勝，徐 帥

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005；2.鹽城市榮意來紡機(jī)有限公司，江蘇 鹽城 224008)

0 引言

隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代整經(jīng)機(jī)廣泛采用變頻電機(jī)直接傳動(dòng)，整經(jīng)速度更快、質(zhì)量更高[1-2]，上落軸、更換品種亦因此變得更加頻繁。為提高效率、減少用工，全自動(dòng)化成為整經(jīng)機(jī)最新發(fā)展方向。

李鉻、王慶華等根據(jù)整經(jīng)機(jī)經(jīng)軸上落機(jī)器人的使用要求，提出一種機(jī)器人內(nèi)部經(jīng)軸升降機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母傳動(dòng)并在卡頭端部設(shè)置傾角，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)軸在機(jī)器人內(nèi)部平穩(wěn)調(diào)度，滿足了現(xiàn)實(shí)需要[3]。梁穎、魏毅等設(shè)計(jì)了一款整經(jīng)機(jī)筒子架自動(dòng)換筒機(jī)器人，通過自動(dòng)化機(jī)械手將換筒工藝由人工完成改進(jìn)為自動(dòng)完成，整套系統(tǒng)面向的是大V型筒子架[4-6]。相對(duì)于大V型筒子架，直列式筒子架占地面積小、使用靈活，在中小型分批整經(jīng)機(jī)和分條整經(jīng)機(jī)中仍有大量應(yīng)用，然而目前對(duì)直列式筒子架自動(dòng)化改進(jìn)的研究較少。

筆者通過分析直列式筒子架換批過程，針對(duì)熔融性紗線，設(shè)計(jì)了一套可加裝在現(xiàn)有整經(jīng)機(jī)筒子架上的紗線批量切斷裝置，大大縮短了換批時(shí)間。

1 總體結(jié)構(gòu)

筒子架換批是指整經(jīng)機(jī)筒子架上一批筒子上紗線用盡或更換品種時(shí)，將儲(chǔ)備筒子集體換上去的過程。以外側(cè)引出紗線的直列式筒子架為例，其人工換批過程是：導(dǎo)紗架外移→紗線剪斷掐頭→翻轉(zhuǎn)儲(chǔ)紗單元→新筒子引紗結(jié)經(jīng)→導(dǎo)紗架復(fù)位。其中，導(dǎo)紗架外移和復(fù)位僅需轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，用時(shí)較少；而紗線剪斷掐頭則需逐根進(jìn)行，耗時(shí)較長。

通過分析人工換批過程，筆者認(rèn)為最具現(xiàn)實(shí)意義的是實(shí)現(xiàn)紗線剪斷掐頭的批量化和自動(dòng)化。但筒子架上導(dǎo)紗架和筒子之間紗線是自然懸垂的低張力狀態(tài)，很難批量地快速切斷。對(duì)此，筒子架紗線批量切斷的設(shè)計(jì)如下：導(dǎo)紗架與工作紗筒之間設(shè)有電熱切斷裝置，工作時(shí)電熱切斷裝置在升降機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，垂直上升以批量切斷低張力紗線，切斷完成后再帶動(dòng)電熱切斷裝置下降復(fù)位。

2 電熱切斷裝置及其電路設(shè)計(jì)

2.1 電熱切斷裝置

電熱切斷裝置由底座、電熱絲、電熱絲支承座、彈簧、熱電偶、熱電偶變送器和立柱構(gòu)成，電熱絲輸出線和熱電偶輸出線與多芯導(dǎo)出電纜連接，電熱切斷裝置結(jié)構(gòu)見圖1所示。采用鎳鉻電熱絲，不易氧化，持久耐用，但由于熱脹冷縮效應(yīng)鎳鉻電熱絲發(fā)熱后會(huì)伸長，雖然短距離使用時(shí)伸長不明顯，但整經(jīng)機(jī)縱深可達(dá)10 m～15 m，甚至更長，伸長就變得不可忽視。如Cr20Ni80線膨脹系數(shù)為1.8×10-5/℃，當(dāng)溫度升高到200 ℃時(shí)，10 m～15 m鎳鉻電熱絲可伸長36 mm～54 mm；如果兩端固定，則會(huì)發(fā)生彎曲變形，影響紗線切斷效果，甚至造成意外事故。因此，筆者采用電熱絲支承座，并加裝彈簧，以降低鎳鉻電熱絲伸長帶來的不良影響。

1—電熱絲；2—電熱絲支承座；3—彈簧；4—立柱；5—多芯導(dǎo)出電纜；6—電熱絲輸出線；7—熱電偶輸出線；8—熱電偶變送器；9—熱電偶；10—底座。圖1 電熱切斷裝置

鎳鉻電熱絲直徑有多種規(guī)格，從實(shí)際應(yīng)用角度看，以較小的電流獲得所需溫度將利于電路制作和引出導(dǎo)線選取，這也意味著單位長度電阻大、直徑小、強(qiáng)力低，發(fā)生損壞的可能性大。通過使用比較發(fā)現(xiàn)，直徑為0.2 mm～0.5 mm的鎳鉻電熱絲，能在發(fā)熱電流和強(qiáng)力間取得平衡，是較佳的選擇。電熱絲輸出線采用大直徑的多芯軟線制成，如采用2.5 mm2BVR線，每米電阻在0.007 Ω～0.008 Ω，10 A電流時(shí)發(fā)熱功率僅為0.7 W～0.8 W，可以滿足本裝置需求。

電熱絲支承座僅對(duì)電熱絲起支承作用，不固定其位置，能讓電熱絲在溝槽中滑動(dòng)，材質(zhì)為陶瓷或玻璃，電熱絲支承座的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其上設(shè)有溝槽和安裝孔，電熱絲穿過溝槽，避免發(fā)生橫向位移和振動(dòng)。在實(shí)際使用時(shí)，采用多個(gè)電熱絲支承座能對(duì)電熱絲起到更好地支承作用，防止電熱絲下垂，并減小彈簧負(fù)荷。

1—溝槽；2—安裝孔。圖2 電熱絲支承座結(jié)構(gòu)

2.2 電熱絲溫度控制

區(qū)別于一般的烘箱、恒溫爐系統(tǒng)，本系統(tǒng)中測溫和控溫對(duì)象均是鎳鉻電熱絲自身。鎳鉻電熱絲通電后快速升溫，發(fā)熱功耗正比于通過的電流，而且電熱絲溫度也會(huì)迅速穩(wěn)定在對(duì)應(yīng)溫度。電熱絲作為發(fā)熱器件，最終溫升滿足穩(wěn)態(tài)熱平衡方程(1)[7]。

P·dt=m·c·dτ+KT·A·τ·dt

(1)

式中：

P——發(fā)熱功率/W；

t——發(fā)熱時(shí)間/s；

小針刀松解術(shù)：患者仰臥，在患側(cè)膝關(guān)節(jié)找出壓痛點(diǎn)并標(biāo)記，常規(guī)皮膚消毒，鋪無菌巾。1%利多卡因局部浸潤麻醉，小針刀從標(biāo)記點(diǎn)刺入，沿韌帶纖維走行方向剝離3～5刀。退出小針刀，無菌紗布覆蓋針孔。每周松解1次，連續(xù)治療3次。

m——發(fā)熱體質(zhì)量/g；

c——比熱容/[W·(g·℃)-1]；

τ——發(fā)熱體溫升/℃；

KT——散熱系數(shù)/[W·(cm2·℃)-1]；

A——散熱面積/cm2。

方程式(1)在恒功率、恒壓和恒電流情況下有不同的形式，每種形式均有一個(gè)穩(wěn)定溫升解。對(duì)于最常見的恒壓加熱形式，其最終穩(wěn)定溫升解為[7]：

(2)

Kα=1+α·(θ0-θ)

(3)

式中：

U——給定的恒電壓/V；

α——θ標(biāo)準(zhǔn)溫度的電阻溫度系數(shù)/(1·℃-1)；

Kα——θ0溫度下對(duì)θ標(biāo)準(zhǔn)溫度下的電阻比；

θ——給定電阻系數(shù)及電阻溫度系數(shù)時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度/℃；

Rθ——θ標(biāo)準(zhǔn)溫度下對(duì)應(yīng)的發(fā)熱體電阻/Ω；

θ0——環(huán)境溫度/℃。

顯然，在溫度系數(shù)、散熱系數(shù)、環(huán)境溫度等固定不變的情況下，電壓決定了電熱絲的最終穩(wěn)定溫度，這本身就含有一種自平衡的過程。此外，電熱絲通電后升溫極快，在3 s～4 s即可達(dá)到穩(wěn)定溫升。因此，本系統(tǒng)溫度控制采用圖3的結(jié)構(gòu)。圖3中，可調(diào)電壓開關(guān)電源直接驅(qū)動(dòng)電熱絲，人工實(shí)時(shí)根據(jù)顯示

圖3 溫度控制結(jié)構(gòu)

儀顯示的溫度對(duì)可調(diào)開關(guān)電源進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，從而調(diào)控溫度。這種結(jié)構(gòu)不再專門設(shè)置如PID控溫等環(huán)節(jié)，從而簡化溫控結(jié)構(gòu)和難度。

3 升降機(jī)構(gòu)及其電路設(shè)計(jì)

3.1 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

筒子架快速換批系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，為便于觀察對(duì)比，圖4a)中右側(cè)是筒子架的原始結(jié)構(gòu)。圖4中，電熱切斷裝置上下運(yùn)動(dòng)以切斷紗線，電熱切斷裝置設(shè)置在導(dǎo)紗架與工作紗筒之間。電熱切斷裝置上面連有提升吊繩，提升吊繩的上端固定在繩輪上，繩輪安裝在提升長軸上，機(jī)架橫梁上安裝一托板，托板上設(shè)有提升電機(jī)，提升電機(jī)帶動(dòng)提升長軸正反轉(zhuǎn)動(dòng)，隨之吊起或降下電熱切斷裝置。

為避免電熱切斷裝置在上下運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生晃動(dòng)，電熱切斷裝置下面豎直連有穩(wěn)固拉繩，穩(wěn)固拉繩下端繞過滑輪后收納在拉繩卷線器內(nèi)，同時(shí)由拉繩卷線器提供拉力?；喓屠K卷線器均固定于地面，拉繩卷線器可用鋼絲繩自動(dòng)卷線器代替，目前市場上有成品銷售，拉力大小可通過更換內(nèi)部彈簧進(jìn)行調(diào)整。

電熱切斷裝置的導(dǎo)出電纜收納在電纜卷線器中，以避免導(dǎo)線直接外掛時(shí)纏繞到機(jī)架上。電纜卷線器目前有成熟市售產(chǎn)品。

機(jī)架橫梁下面設(shè)置有上限位開關(guān)，底板上設(shè)置有下限位開關(guān)，上限位開關(guān)和下限位開關(guān)分別位于電熱切斷裝置運(yùn)動(dòng)軌跡的上方和下方。限位開關(guān)采用長柄微動(dòng)開關(guān)，為控制電路提供位置信號(hào)。

3.2 升降機(jī)構(gòu)控制電路

升降控制電路可視作電氣控制中的小車自動(dòng)往返電路，但又有所不同，這里的自動(dòng)往返應(yīng)當(dāng)是一次往返即停止，具體的控制電路如圖5所示。圖5中，SQ1為圖4中上限位開關(guān)，SQ2為圖4中下限位開關(guān)。初始時(shí)，電熱切斷裝置處在最下端，按下啟動(dòng)按鈕SB2后，KM1得電并形成自鎖，電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)電熱切斷裝置上升；電熱切斷裝置上升到最頂端時(shí)，觸發(fā)SQ1，按照先斷后合原則，首先斷開左側(cè)SQ1常閉觸點(diǎn)，KM1失電，隨后右側(cè)SQ1常開觸點(diǎn)閉合，導(dǎo)通KM2并形成自鎖，電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)電熱切斷裝置下降，降至最下端時(shí)，觸發(fā)SQ2，其常閉觸點(diǎn)斷開，KM2自鎖被打破、失電，電機(jī)停止反轉(zhuǎn)。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如遇突發(fā)狀況，按下停止按鈕SB1中斷上升或下降，解除狀況后，再次按下SB2重新啟動(dòng)。

圖5 升降機(jī)構(gòu)控制電路

4 結(jié)語

筆者針對(duì)720只容量的筒子架制作了整經(jīng)機(jī)筒子架紗線批量切斷裝置原型機(jī)，并在車間進(jìn)行試用。實(shí)際使用效果表明，整經(jīng)機(jī)筒子架紗線批量切斷裝置對(duì)熔融性化纖、蠶絲、羊毛，甚至混紡比較高的化纖/棉混紡紗均有較好效果；能夠在1 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)720只筒子上低張力紗線的切斷，而人工完成耗時(shí)約15 min；制作成本方面，單套裝置改造花費(fèi)約為1000元，改造性價(jià)比較高。

目前整經(jīng)機(jī)筒子架紗線批量切斷裝置最大不足在于，僅對(duì)熔融性紗線具有良好地使用效果，而對(duì)于棉、粘膠等纖維素纖維紗線使用受到限制。研究如何在纖維素纖維裂解點(diǎn)破壞紗線又不至引起燃燒，將是下一步的研究重點(diǎn)。