徐 帥 楊曉芳 武銀飛 孫百勝

（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(lái)紡機(jī)有限公司，江蘇鹽城，224008）

隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代整經(jīng)機(jī)加工頭份更多、生產(chǎn)速度更快［1-2］，整經(jīng)換筒更加頻繁，縮短換筒停機(jī)時(shí)間對(duì)于提高整經(jīng)機(jī)生產(chǎn)效率具有重要的意義。張洪等設(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)械手將換筒過程由人工完成切換為自動(dòng)化［3-5］，可以大大減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，并一定程度縮短換筒時(shí)間，但其面向的是大V 形筒子架，需要較大的使用空間。矩形分段旋轉(zhuǎn)式筒子架由于占地面積小，使用靈活，是普遍使用的筒子架，然而目前其換筒時(shí)的翻轉(zhuǎn)過程仍由人工完成，自動(dòng)化程度較低。通過為矩形分段旋轉(zhuǎn)式筒子架加裝普通蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)其集體翻轉(zhuǎn)，但會(huì)使得每個(gè)儲(chǔ)紗單元不能獨(dú)立翻轉(zhuǎn)，降低了使用靈活性。通過為每個(gè)儲(chǔ)紗單元加裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)集體翻轉(zhuǎn)、單獨(dú)翻轉(zhuǎn)兩種方式共存，但改造成本顯著上升。因此，紡織生產(chǎn)企業(yè)急需一種改造成本低、實(shí)施簡(jiǎn)單的翻轉(zhuǎn)裝置，以達(dá)到既能自動(dòng)地快速翻轉(zhuǎn)所有儲(chǔ)紗單元，又能靈活地單獨(dú)翻轉(zhuǎn)單個(gè)儲(chǔ)紗單元。

1 總體設(shè)計(jì)

本裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)紗單元的集體翻轉(zhuǎn)方式和單獨(dú)翻轉(zhuǎn)方式共存，并且集體翻轉(zhuǎn)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成，單獨(dú)翻轉(zhuǎn)仍由人工完成。對(duì)于集體翻轉(zhuǎn)，由于儲(chǔ)紗單元數(shù)量在10 個(gè)左右，因此采用長(zhǎng)軸和齒輪傳動(dòng)仍是理想選擇。使用長(zhǎng)軸前提下要實(shí)現(xiàn)單獨(dú)翻轉(zhuǎn)，常規(guī)方法是使用電磁離合器，但儲(chǔ)紗單元轉(zhuǎn)軸豎直安裝的結(jié)構(gòu)不便于離合器安裝。在儲(chǔ)紗單元上安裝內(nèi)設(shè)棘齒的蝸輪，配合裝于長(zhǎng)軸上的蝸桿，再加上電磁鐵、定位盤為主的定位機(jī)構(gòu)，在位置開關(guān)和電控系統(tǒng)協(xié)調(diào)下，可以實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 分段旋轉(zhuǎn)式筒子架集體翻轉(zhuǎn)裝置總體結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 是筒子架集體翻轉(zhuǎn)裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 中，與儲(chǔ)紗單元同樣數(shù)量的蝸輪安裝在每個(gè)儲(chǔ)紗單元的轉(zhuǎn)軸上，蝸輪對(duì)應(yīng)的蝸桿安裝在蝸桿軸上；蝸桿軸被自帶的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。工作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿軸旋轉(zhuǎn)，使得其上的蝸桿帶動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)，各儲(chǔ)紗單元隨之集體翻轉(zhuǎn)。

圖2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)紗單元的集體翻轉(zhuǎn)方式和單獨(dú)翻轉(zhuǎn)方式共存，蝸輪采用如圖3 所示的結(jié)構(gòu)。蝸輪內(nèi)部設(shè)有棘齒、撐頭、轉(zhuǎn)環(huán)和彈簧，轉(zhuǎn)環(huán)和蝸輪之間通過滾珠可實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；撐頭和彈簧安裝在轉(zhuǎn)環(huán)上，并且彈簧處于壓縮狀態(tài)；儲(chǔ)紗單元轉(zhuǎn)軸固裝在轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)。需要集體翻轉(zhuǎn)時(shí)，自帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿軸沿圖2 所示箭頭方向旋轉(zhuǎn)，形成電機(jī)→蝸桿軸→蝸桿→各儲(chǔ)紗單元蝸輪→蝸輪撐頭→轉(zhuǎn)環(huán)的傳動(dòng)路線，轉(zhuǎn)環(huán)帶著儲(chǔ)紗單元轉(zhuǎn)軸按圖3 箭頭所示方向轉(zhuǎn)動(dòng)。需要單獨(dú)翻轉(zhuǎn)某個(gè)儲(chǔ)紗單元時(shí)，人工方式按照?qǐng)D3 中箭頭所示方向轉(zhuǎn)動(dòng)儲(chǔ)紗單元，儲(chǔ)紗單元轉(zhuǎn)軸隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，由于此時(shí)轉(zhuǎn)環(huán)連同其上的撐頭順著棘齒轉(zhuǎn)動(dòng)，其將滑過每個(gè)棘齒，因而蝸輪蝸桿整體保持嚙合不動(dòng)。

圖3 蝸輪結(jié)構(gòu)示意圖

綜上，借助內(nèi)裝棘輪機(jī)構(gòu)的蝸輪，實(shí)現(xiàn)了一種既能在換批時(shí)集體翻轉(zhuǎn)儲(chǔ)紗單元，又能在需要時(shí)單獨(dú)翻轉(zhuǎn)儲(chǔ)紗單元的筒子架傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2.2 定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 中，在矩形分段旋轉(zhuǎn)式筒子架上，所有儲(chǔ)紗單元供紗時(shí)均應(yīng)固定在與機(jī)架縱梁平行的同一平面。采用上述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)紗單元可被人力轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)然其也能被紗線或慣性力等外力拉動(dòng)，不能保證其始終處于與機(jī)架縱梁平行的同一平面內(nèi)，此時(shí)就需要定位機(jī)構(gòu)。

對(duì)定位機(jī)構(gòu)的要求在于，一方面需要其能可靠地將儲(chǔ)紗單元固定在特定位置，另一方面能在需要時(shí)自動(dòng)打開，使翻轉(zhuǎn)得以進(jìn)行。對(duì)此，設(shè)計(jì)如圖4 所示的定位機(jī)構(gòu)，其安裝位置在圖2 中虛線框A 處。

圖4 定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 中，定位盤固裝在儲(chǔ)紗單元轉(zhuǎn)軸上，定位盤下方設(shè)有固定的電磁鐵，電磁鐵的伸縮桿恰伸入定位盤上的定位孔中。圖5 示出了定位盤上的定位孔，為兩個(gè)180°對(duì)稱的圓孔，直徑略大于電磁鐵伸縮桿的直徑。電磁鐵不通電時(shí)，由于其內(nèi)部彈簧作用，電磁鐵伸縮桿插入定位盤定位孔中，此時(shí)儲(chǔ)紗單元不可轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位置鎖定；電磁鐵通電時(shí)，電磁鐵伸縮桿克服內(nèi)部彈簧彈力回縮，從定位盤定位孔中退出，此時(shí)儲(chǔ)紗單元可以轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 定位盤結(jié)構(gòu)示意圖

采用圖4、圖5 結(jié)構(gòu)，還能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)紗單元翻轉(zhuǎn)到位時(shí)的自動(dòng)定位，具體過程如圖6 所示。圖6（a）為位置鎖定狀態(tài)，此時(shí)電磁鐵不得電、伸縮桿恰伸入定位盤中的定位孔，儲(chǔ)紗單元不可翻轉(zhuǎn)。圖6（b）為解除位置鎖定狀態(tài)，此時(shí)電磁鐵得電、伸縮桿完全回縮，儲(chǔ)紗單元翻轉(zhuǎn)可以進(jìn)行。圖6（c）為等待位置鎖定狀態(tài)，此時(shí)電磁鐵再次失電，其伸縮桿頂端恰抵在定位盤上，同時(shí)因電磁鐵內(nèi)部彈簧作用伸縮桿保持復(fù)位（伸出）的趨勢(shì)；待定位盤隨儲(chǔ)紗單元翻轉(zhuǎn)滿180°后，電磁鐵伸縮桿由于彈簧彈力隨即復(fù)位并伸入另一定位圓孔中，實(shí)現(xiàn)鎖止，即重新進(jìn)入圖6（a）的位置鎖定狀態(tài)。一旦進(jìn)入位置鎖定，必須立刻停止對(duì)儲(chǔ)紗單元的傳動(dòng)或人工轉(zhuǎn)動(dòng)，圖4 中在伸縮桿下方的位置開關(guān)和其可識(shí)別的磁鐵正是為此目的而設(shè)置的，其能及時(shí)提供伸縮桿所處位置的電信號(hào)給控制系統(tǒng)。

值得指出的是，上述定位機(jī)構(gòu)中的電磁鐵在有壓縮空氣的場(chǎng)合完全可以替換為氣缸，但氣缸類型應(yīng)為單作用氣缸，即氣缸桿回縮為壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，氣缸桿復(fù)位為內(nèi)部彈簧驅(qū)動(dòng)，如此才能實(shí)現(xiàn)氣缸伸縮桿以一個(gè)恰當(dāng)?shù)牧α康肿《ㄎ槐P。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件

目前整經(jīng)機(jī)已普遍采用PLC 控制器，因此本筒子架集體翻轉(zhuǎn)裝置的控制系統(tǒng)也基于PLC 設(shè)計(jì)，具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖7 所示。圖7 中輸入信號(hào)主要有啟動(dòng)、停止和位置開關(guān)信號(hào)，輸出主要控制蝸桿軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電磁鐵的啟停以及輸出故障信息。由于電磁鐵工作時(shí)電流較大，超過了PLC 的允許范圍，故采用中間繼電器間接控制。

圖7 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為方便工人單獨(dú)翻轉(zhuǎn)某一儲(chǔ)紗單元，每個(gè)儲(chǔ)紗單元附近均設(shè)有一只腳踏開關(guān)，用于控制電磁鐵伸縮桿的回縮。腳踏開關(guān)不與控制器連接，腳踏開關(guān)從旁路直接導(dǎo)通電磁鐵，以達(dá)到節(jié)省控制器輸入口的目的，具體的接線方法如圖8 所示。圖8 中，JT1、JT2、…、JTn是腳踏開關(guān)，它們從旁路導(dǎo)通各自對(duì)應(yīng)的電磁鐵導(dǎo)通中間繼電器KA1、KA2、…、KAn，并且不影響中間繼電器接受控制器的控制。

圖8 腳踏開關(guān)接線圖

位置開關(guān)用于檢測(cè)電磁鐵伸縮桿的位置，實(shí)際安裝位置已在圖4 中示出，其具體類型優(yōu)先選用抗干擾電磁能力較強(qiáng)、反應(yīng)快的霍爾開關(guān)，以防止電磁鐵得電時(shí)強(qiáng)大電流的電磁干擾。另一方面，由于定位盤采用常規(guī)鋼板制作，表面平面度、公差等未特別要求，故實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)伸縮桿有上下竄動(dòng)、抖動(dòng)的情況，此時(shí)應(yīng)選擇回差距離較大的霍爾開關(guān)，以防止機(jī)械抖動(dòng)干擾［6］。

3.2 控制系統(tǒng)軟件

由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，施加在儲(chǔ)紗單元上的力較大，這就要求在電磁鐵伸縮桿未全部退出定位孔前不能傳動(dòng)，加之儲(chǔ)紗單元數(shù)量較多，必須在出現(xiàn)故障時(shí)準(zhǔn)確報(bào)告出故障位置，故本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求較高。圖9 是集體翻轉(zhuǎn)裝置控制軟件的程序流程圖。

圖9 程序流程圖

程序執(zhí)行過程：確認(rèn)翻轉(zhuǎn)按鈕按下后，立即給所有電磁鐵通電，短延時(shí)250 ms 后，檢查所有位置開關(guān)是否均動(dòng)作，如否，則證明有電磁鐵損壞或者其伸縮桿被卡在定位孔中，查找出具體哪一只電磁鐵的伸縮桿未縮回到位后，給所有電磁鐵斷電，并顯示出故障信息；如是，則證明所有電磁鐵伸縮桿縮回到位，啟動(dòng)蝸桿驅(qū)動(dòng)軸電機(jī)。啟動(dòng)電機(jī)后，緊跟著啟動(dòng)一個(gè)2 s～3 s 的延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到后立即給所有電磁鐵斷電，一方面防止電磁鐵因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間吸合而發(fā)熱損壞，另一方面為自動(dòng)定位創(chuàng)造條件。由于此時(shí)電磁鐵伸縮桿頭端抵住定位盤，因此其不能伸出，位置開關(guān)因而也不能復(fù)位。接下來(lái)，不斷掃描所有位置開關(guān)，發(fā)現(xiàn)任何一只位置開關(guān)復(fù)位，則說(shuō)明電磁鐵伸縮桿已復(fù)位、已經(jīng)有儲(chǔ)紗單元翻轉(zhuǎn)到位，立刻停止蝸桿驅(qū)動(dòng)軸電機(jī)。停止驅(qū)動(dòng)軸電機(jī)后，檢查是否所有位置開關(guān)均已復(fù)位，如出現(xiàn)沒有復(fù)位的位置開關(guān)，說(shuō)明該開關(guān)處的定位盤沒有旋轉(zhuǎn)到位，亦即儲(chǔ)紗單元沒有翻轉(zhuǎn)到位，查找出具體是哪一個(gè)位置開關(guān)后，顯示出故障信息。如所有的位置開關(guān)均復(fù)位，則表明所有定位盤旋轉(zhuǎn)到位，翻轉(zhuǎn)完成，結(jié)束程序，給出完成翻轉(zhuǎn)信號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）設(shè)計(jì)的矩形分段旋轉(zhuǎn)式筒子架集體翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于舊設(shè)備改造升級(jí)，能將翻轉(zhuǎn)筒子架耗時(shí)縮短到30 s 之內(nèi)，效率提高明顯。

（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，使用內(nèi)設(shè)棘齒的蝸輪構(gòu)成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)紗單元的集體翻轉(zhuǎn)方式和單獨(dú)翻轉(zhuǎn)方式共存，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和提高效率的同時(shí)，保持了使用靈活性；使用電磁鐵和定位盤為主構(gòu)成定位機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)紗單元位置的自動(dòng)鎖止，提高了整個(gè)翻轉(zhuǎn)裝置的使用可靠性。

（3）控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面，將腳踏開關(guān)設(shè)計(jì)為從旁路直接導(dǎo)通電磁鐵，可以在不影響使用前提下節(jié)省控制器輸入口；選用回差距離較大的霍爾開關(guān)既可抵抗電磁鐵動(dòng)作的電磁干擾，也可防止機(jī)械零件精度不高帶來(lái)的機(jī)械抖動(dòng)干擾。

（4）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，檢查所有位置開關(guān)是否均動(dòng)作可以防止啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械故障；啟動(dòng)蝸桿驅(qū)動(dòng)軸電機(jī)后，延時(shí)2 s～3 s 給電磁鐵斷電，既可避免發(fā)熱，又可便于采用機(jī)械方法進(jìn)行自動(dòng)定位；啟動(dòng)電機(jī)后檢查所有位置開關(guān)是否均已復(fù)位，可以判別是否完成翻轉(zhuǎn)，定位和報(bào)告故障位置。