屠佳佳， 孫 磊， 毛慧敏， 戴 寧， 朱婉珍， 史偉民

(1. 浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化學(xué)院， 浙江 杭州 310053)

近年來，在機(jī)器換人、智能制造等國家政策的引導(dǎo)和支持下，紡織行業(yè)的勞動密集程度已明顯改善，企業(yè)布局自動化生產(chǎn)裝備的意愿增強(qiáng)、速度加快[1-2]。例如，針織圓緯機(jī)依靠成圈系統(tǒng)(即進(jìn)紗路數(shù)或成圈路數(shù))多、轉(zhuǎn)速高、產(chǎn)量高、花形變化快、織物品質(zhì)好、工序少、產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，贏得了市場的青睞[3]。針織圓緯機(jī)在生產(chǎn)過程中，需要在紗架上完成上下料工作，包括：供紗區(qū)空筒下料、滿筒上料、備紗區(qū)滿筒下料、滿筒補(bǔ)料，以及紗筒的搬運(yùn)等工作，目前仍處于純?nèi)斯るA段。由于進(jìn)紗路數(shù)多、產(chǎn)量高，導(dǎo)致紗筒數(shù)量多，更換也較為頻繁。以某紡織廠為例，單臺圓緯機(jī)需要192路紗筒供紗，按照每個紗架左右各8層計(jì)算，需要紗架12個。每個工人負(fù)責(zé)2臺圓緯機(jī)的生產(chǎn)，即384個紗筒，24個紗架。通常情況下，24 h內(nèi)所有紗筒須更換1次，平均每3.75 min就要更換1個紗筒，期間還要從備紗區(qū)取紗筒，另外紗架高度在2 m以上，高層換紗需要托舉。因此工作持續(xù)性長，勞動強(qiáng)度大，導(dǎo)致高工資也很難招到合適的工人。

目前在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)自動換筒仍然是個難題，由于紗架與紗筒形態(tài)結(jié)構(gòu)上的特性，使得取空紗筒、放新紗筒等工序?qū)τ跈C(jī)器人或者機(jī)械手來說是一項(xiàng)比較復(fù)雜的動作，而且相關(guān)方面的研究也比較少，技術(shù)上仍未完全突破。國內(nèi)鄒鯤等研究的智能紗架能夠?qū)崿F(xiàn)紗筒運(yùn)送、換筒，但采用的并不是普通紗架和紗筒，換紗原理也不同[4-6]。張洪等研究的整經(jīng)機(jī)筒子架自動換筒機(jī)器人利用AGV小車進(jìn)行定位換筒，闡述了詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方案，但并未給出實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測試情況[7]。

隨著社會和科技的不斷進(jìn)步，考慮到技術(shù)、成本和效益等原因，企業(yè)需求也隨之轉(zhuǎn)變，“黑燈”工廠、智能工廠已成為企業(yè)未來發(fā)展的方向。紡織行業(yè)的高度自動化、智能化控制已是必然發(fā)展趨勢[8-9]。因此，本文將在智能紗架、整經(jīng)機(jī)筒子架自動換筒等現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、樣機(jī)研制、實(shí)驗(yàn)測試等方面對圓緯機(jī)紗架自動換筒展開研究，對實(shí)現(xiàn)圓緯機(jī)全流程自動化生產(chǎn)和建設(shè)智能車間具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針織圓緯機(jī)生產(chǎn)過程中，由紗架上的紗筒供紗。常用紗架的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由左右兩側(cè)8層筒子架和簡易支架結(jié)構(gòu)組成，同層筒子架放置同種類型的紗筒，本項(xiàng)目中用A、B位來區(qū)分左右兩側(cè)的紗筒和筒子架。圖中左側(cè)定義為A位筒子架，右側(cè)定義為B位筒子架，對應(yīng)的有A、B位紗筒和空筒。

圖1 紗架結(jié)構(gòu)圖

紗架具體供紗方式如下：生產(chǎn)開始前，工人先將紗架放滿紗筒，同層筒子架A、B位放置同種類型紗筒，并將A位紗筒頭線通過風(fēng)管引至圓緯機(jī)用于生產(chǎn)，將A位紗筒尾線與B位紗筒頭線打結(jié)，B位紗筒尾線處于自由狀態(tài)等待下一次換筒時使用。當(dāng)A位紗筒使用完畢后會自動跳轉(zhuǎn)去使用B位紗筒，然后取下A位空筒，換上同型號的滿筒，再將A位紗筒頭線和B位紗筒尾線打結(jié)，當(dāng)B位紗筒用完后又會跳轉(zhuǎn)到A位紗筒。如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)為針織圓緯機(jī)持續(xù)不斷供紗。

綜合考慮紗架結(jié)構(gòu)、供紗方式，紗筒搬運(yùn)和換筒控制的準(zhǔn)度要求，以及企業(yè)需求和項(xiàng)目可行性等因素，設(shè)計(jì)了基于桁架機(jī)器人和伺服控制的針織圓緯機(jī)紗架自動換筒系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由觸摸屏、主控模塊、桁架機(jī)器人、換筒機(jī)械手、伺服控制等組成。其中桁架機(jī)器人主要由X軸、Y軸、Z軸機(jī)構(gòu)及其伺服控制系統(tǒng)組成；換筒機(jī)械手主要由撐爪、頂桿、翻轉(zhuǎn)座、氣缸和齒輪機(jī)構(gòu)及其伺服驅(qū)動等組成；桁架機(jī)器人和換筒機(jī)械手的控制均由主控模塊編程控制伺服和氣缸的運(yùn)行狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。

圖2 圓緯機(jī)紗架自動換筒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主控模塊作為系統(tǒng)的核心控制單元，利用編程實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)器人和換筒機(jī)械手取空筒、取滿筒、放滿筒等動作；通過采集桁架機(jī)器人和換筒機(jī)械手的實(shí)時位置信號，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位；采用自帶的以太網(wǎng)接口和串口與上位機(jī)通信，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體調(diào)度。取換筒功能通過操作觸摸屏的人機(jī)交互界面來實(shí)現(xiàn)，采用按鍵式控制，簡單方便、可行性高。系統(tǒng)通過“機(jī)器換筒、人工接頭”的方式可進(jìn)一步提高圓緯機(jī)生產(chǎn)自動化程度，有效減輕工人的勞動強(qiáng)度，切實(shí)為企業(yè)解決工資高、招工難等問題。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 桁架機(jī)器人設(shè)計(jì)

桁架式機(jī)器人也稱直角坐標(biāo)機(jī)器人和龍門式機(jī)器人[10]，屬于高準(zhǔn)度設(shè)備。工業(yè)應(yīng)用中，它是能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度、運(yùn)動自由度間成空間直角關(guān)系和多用途的操作機(jī)器人，能夠搬運(yùn)物體、操作工具，以完成各種作業(yè)[11]。

本文研制的系統(tǒng)中，桁架機(jī)器人是將換筒機(jī)械手運(yùn)送至對應(yīng)紗架位置進(jìn)行換筒的載體，是能否實(shí)現(xiàn)精確定位、精準(zhǔn)換筒的關(guān)鍵部分。目前桁架機(jī)械手的定位準(zhǔn)度可以達(dá)到0.02 mm，重復(fù)定位精度可以達(dá)到±0.01 mm，因此采用桁架機(jī)器人可以滿足在紗架上自動換筒所需的準(zhǔn)度及穩(wěn)定性。為了保證桁架機(jī)器人的準(zhǔn)度，設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮了結(jié)構(gòu)與剛性、運(yùn)動重量、控制及定位方式等影響因素，并采用同步帶傳動。桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 桁架機(jī)器人仿真結(jié)構(gòu)

機(jī)構(gòu)部分主要由X軸、Y軸、Z軸機(jī)構(gòu)和底座與立柱等組成，其中X軸為左右兩根側(cè)梁，Y軸為中間部分橫梁，Z軸為懸掛在Y軸上的豎梁。其中Y軸采用雙梁設(shè)計(jì)，一方面便于Z軸安裝，另一方面可以保證桁架機(jī)器人在作業(yè)過程中快速平穩(wěn)運(yùn)行。

控制部分采用穩(wěn)定性和準(zhǔn)度更好的伺服驅(qū)動方式來實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)器人各軸的運(yùn)行。通過x、y、z3個方向上的聯(lián)動可到達(dá)任意坐標(biāo)點(diǎn)。

2.2 換筒機(jī)械手設(shè)計(jì)

換筒機(jī)械手安裝在桁架機(jī)器人的Z軸豎梁上，利用桁架機(jī)器人在X軸、Y軸和Z軸方向上高準(zhǔn)度的聯(lián)動來實(shí)現(xiàn)換筒機(jī)械手的紗架換筒精準(zhǔn)定位。作為取換筒的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，換筒機(jī)械手的設(shè)計(jì)是能否實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換筒”的關(guān)鍵。實(shí)際生產(chǎn)過程中，換筒機(jī)械手應(yīng)滿足以下要求：1)能適應(yīng)不同內(nèi)徑尺寸紗筒的穩(wěn)固抓??；2)能抓取滿筒最大質(zhì)量為5 kg的紗筒；3)能適應(yīng)紗架A、B位的取換筒；4)能將紗筒平穩(wěn)送入筒子架；5)取換筒過程中不與紗架產(chǎn)生干涉。根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)的換筒機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—撐爪；2—頂桿；3—導(dǎo)向盤；4—剎車盤；5—撐爪座；6—驅(qū)動盤；7—齒輪；8—剎車氣缸；9—頂桿氣缸；10—翻轉(zhuǎn)座；11—旋轉(zhuǎn)座；12—翻轉(zhuǎn)氣缸；13—并聯(lián)氣缸；14—推桿。

為適應(yīng)不同內(nèi)徑尺寸的紗筒，設(shè)計(jì)撐爪作為紗筒抓取機(jī)構(gòu)，其采用三瓣式結(jié)構(gòu)，由撐爪夾緊伺服控制撐爪的伸縮來實(shí)現(xiàn)紗筒的抓取與釋放；為了保證5 kg紗筒的穩(wěn)固抓取，配合撐爪設(shè)計(jì)了頂桿和頂桿氣缸，在紗筒抓取后將撐爪頂住，防止紗筒松動；目前使用的紗筒最大內(nèi)徑約為56 mm，最小內(nèi)徑約為22 mm，綜合考慮功能與強(qiáng)度需求，設(shè)計(jì)撐爪完全撐開后的直徑為80 mm，收攏后最大直徑為16 mm。為方便撐爪伸入內(nèi)徑為22 mm的內(nèi)筒，頂部采用圓錐形設(shè)計(jì)，錐度為1∶5，另外撐爪表面做螺紋磨砂處理，以增加紗筒抓取時的摩擦力，提高紗筒抓取牢固程度。通過設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)座來實(shí)現(xiàn)換筒機(jī)械手的A、B位轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)紗架A、B位的取換筒功能；設(shè)計(jì)推桿作為紗筒送入筒子架的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；預(yù)留頭線吸取機(jī)構(gòu)以備后期功能擴(kuò)展。

換筒機(jī)械手設(shè)計(jì)主要考慮2點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)取換筒功能和精簡結(jié)構(gòu)防止與紗架產(chǎn)生干涉。

2.3 換筒動作設(shè)計(jì)

利用AutoCAD軟件模擬換筒動作、測試干涉情況和驗(yàn)證可行性。以最小內(nèi)徑為22 mm圓錐筒為例，模擬了從右側(cè)紗架B位取滿筒，放置到左側(cè)紗架A位的過程。換筒動作具體如下：1)桁架機(jī)器人將換筒機(jī)械手運(yùn)送至備紗區(qū)取筒位置，準(zhǔn)備抓取B位紗筒；2)撐爪伸入內(nèi)筒取筒，然后撐爪撐開、頂桿推出，將紗筒提升內(nèi)筒半徑高度，xy方向走斜線脫離筒子架；3)y方向走直線運(yùn)動，退出到主通道，將紗筒運(yùn)送至用紗區(qū)；4)換筒機(jī)械手進(jìn)行A、B位翻轉(zhuǎn)；5)到達(dá)換筒位置，y方向走直線運(yùn)行到距離右側(cè)支架端30 mm；6)xy方向走斜線運(yùn)行至距離筒子架頭部30 mm，且距離筒子架底端130 mm；7)將紗筒下降內(nèi)筒半徑高度，推桿推出紗筒125 mm；8)機(jī)械手沿筒子架方向后退150 mm，最終回到主通道。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)2部分，其中硬件設(shè)計(jì)由主控模塊選型與電氣設(shè)計(jì)、伺服電機(jī)選型與電氣設(shè)計(jì)兩部分組成；軟件設(shè)計(jì)包括主控模塊程序設(shè)計(jì)和觸摸屏界面設(shè)計(jì)。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 主控模塊選型與電氣設(shè)計(jì)

由于換筒機(jī)械手在取換筒過程中必須支持走斜線功能，還要支持X軸機(jī)構(gòu)、Y軸機(jī)構(gòu)、Z軸機(jī)構(gòu)、A、B位翻轉(zhuǎn)座和撐爪等機(jī)構(gòu)的控制，因此選擇臺達(dá)AS300系列工業(yè)控制器作為主控模塊，該系列設(shè)備是專為自動化設(shè)備設(shè)計(jì)的高功能泛用型控制器。采用臺達(dá)自行開發(fā)的32 bit SoC CPU，可大幅提升效能，最多可擴(kuò)展32臺模塊或最大1024點(diǎn)I/O；具有強(qiáng)大的定位控制功能，可同時支持最多8軸CANopen運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)/6軸200 kHz脈沖控制[12]，能適應(yīng)紡織設(shè)備的自動化控制需求。AS320T不僅支持兩軸同步運(yùn)行，能實(shí)現(xiàn)走斜線功能，而且成本可控。

AS320T通過控制伺服驅(qū)動器輸出脈沖來實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)器人和換筒機(jī)械手的協(xié)同工作完成取換筒功能。設(shè)計(jì)X軸、Y軸、Z軸和A、B位翻轉(zhuǎn)伺服為位置控制模式，設(shè)計(jì)撐爪夾緊伺服為轉(zhuǎn)矩控制方式，并預(yù)留位置控制方式。AS320T與伺服驅(qū)動器的接線方式如圖5所示。

圖5 主控模塊接線圖

圖中S、C分別為主控模塊的電源、地公共端；X0.0～X0.7為輸入接口，主要連接開關(guān)型傳感器；Y0.0～Y0.11為輸出接口，其中Y0.0、Y0.2、Y0.4、Y0.6、Y0.8分別與X軸、Y軸、Z軸、A、B位和撐爪伺服驅(qū)動器的CA*脈沖接口連接；Y0.1、Y0.3、Y0.5、Y0.7、Y0.9分別與以上伺服的方向控制接口CB*相相連，實(shí)現(xiàn)伺服電動機(jī)的位置控制模式。同時撐爪夾緊伺服驅(qū)動器的CONT3和CONT4分別與Y0.10和Y0.11相連，實(shí)現(xiàn)扭矩的正反轉(zhuǎn)方向控制；TREF和M5與DA擴(kuò)展模塊的DA+和DA-相連，通過輸出模擬量數(shù)值來控制伺服電動機(jī)的扭矩，從而控制撐爪撐開程度。

3.1.2 伺服電動機(jī)選型

伺服驅(qū)動器主要靠脈沖來定位，伺服電動機(jī)接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移。而伺服電動機(jī)本身也具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電動機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，從而形成閉環(huán)控制。伺服驅(qū)動器能夠精確控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，準(zhǔn)度可以達(dá)到0.001 mm，配合桁架機(jī)構(gòu)能夠滿足紗架上換筒的準(zhǔn)度要求。

伺服電動機(jī)選型原則：1)連續(xù)工作扭矩小于伺服電動機(jī)額定扭矩；2)瞬時最大扭矩小于伺服電動機(jī)最大扭矩(加速時)；3)慣量比小于電動機(jī)規(guī)定的慣量比；4)連續(xù)工作速度小于電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

根據(jù)以上原則，以Z軸伺服為例，按以下步驟計(jì)算、分析與選型。

1)確定機(jī)構(gòu)類型，Z軸伺服為同步帶傳動。

2)確定同步帶輪直徑D、負(fù)載質(zhì)量W、最大速度Vmax、同步帶效率η、摩擦因數(shù)μ、加速時間t和安全系數(shù)h。

3)計(jì)算負(fù)載慣量JW的公式為

(1)

若減速比為i，則電動機(jī)匹配慣量JW1為

JW1=JW/i2

(2)

4)預(yù)選電動機(jī)，查表得電動機(jī)慣量Jm、扭矩T、最大扭矩Tmax，并計(jì)算慣量比JW1/Jm。

5)計(jì)算電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速N，公式為

N=i(Vmax/πD)

(3)

6)計(jì)算移動轉(zhuǎn)矩Tf和最大轉(zhuǎn)矩Ta，公式為

(4)

(5)

式中，g為重力加速度。

7)比較轉(zhuǎn)矩，如果Tf

根據(jù)上述步驟選型的X軸、Y軸、Z軸、A、B位和撐爪伺服電動機(jī)如表1所示。

表1 伺服電機(jī)的型號及參數(shù)

由表1可知，X、Z軸伺服電動機(jī)功率≥1.5 kW采用三相220 V供電，Y軸、A、B位和撐爪≤0.75 kW采用單相220 V供電，出于安全考慮，Z軸和撐爪采用具有斷電瞬間抱閘自鎖功能的帶剎車電動機(jī)。伺服驅(qū)動器支持位置、速度和轉(zhuǎn)矩3種控制模式，可通過觸摸屏設(shè)置運(yùn)行模式。其中X軸、Y軸、Z軸和A、B位伺服設(shè)為位置模式；撐爪夾緊伺服設(shè)為位置轉(zhuǎn)矩模式，默認(rèn)為轉(zhuǎn)矩模式。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含主控模塊AS320T換筒控制程序設(shè)計(jì)以及觸摸屏DOP-107BV軟件界面設(shè)計(jì)兩部分。

3.2.1 換筒控制程序設(shè)計(jì)

主控模塊采用ISPsoft V3.07軟件設(shè)計(jì)程序，下載后可實(shí)現(xiàn)自動換筒，具體流程如圖6所示。

圖6 圓緯機(jī)紗架自動換筒流程

系統(tǒng)上電即初始化各類參數(shù)，主要包括伺服電動機(jī)的運(yùn)行模式、加減速時間以及運(yùn)行速度等，接著對X軸、Y軸和Z軸依次進(jìn)行原點(diǎn)歸位，然后等待換筒命令。實(shí)際生產(chǎn)時，換筒命令可能來自多個通道，比如上位機(jī)調(diào)度平臺、空筒檢測系統(tǒng)、觸摸屏人機(jī)交互界面等。本文僅對觸摸屏人機(jī)交互界面控制換筒進(jìn)行介紹，暫不涉及空筒檢測和調(diào)度問題。

當(dāng)主控模塊接收換筒命令后，獲取空筒位置、A、B位以及紗筒類型等基礎(chǔ)信息，然后控制桁架機(jī)器人和換筒機(jī)械手到達(dá)指定紗架換筒位置，再根據(jù)紗筒類型和空筒在紗架上的位置選擇后續(xù)流程：分別為圓柱筒A位、圓柱筒B位、圓錐筒A位、圓錐筒B位。桁架機(jī)器人和換筒機(jī)械手按照換筒流程協(xié)同動作后將空筒取出，然后運(yùn)行至回收區(qū)釋放空筒，再到備紗區(qū)抓取同類型的新紗筒，最后將新紗筒運(yùn)送至原空筒位置，根據(jù)紗筒類型調(diào)用相應(yīng)的落筒程序完成放新筒動作。其中取空筒和放新筒時，為了提高準(zhǔn)確性和可靠性，預(yù)留了視覺偏差檢測功能接口，后期將進(jìn)行深入研究。

主控模塊AS320T的程序設(shè)計(jì)按照換筒流程進(jìn)行，換筒工序根據(jù)程序設(shè)定不斷循環(huán)，當(dāng)滿足原點(diǎn)歸位條件時各軸進(jìn)行原點(diǎn)歸位，原點(diǎn)歸位條件包括運(yùn)行次數(shù)或運(yùn)行距離達(dá)到設(shè)定值，以及上位機(jī)控制歸零等。定期原點(diǎn)歸位有助于消除桁架機(jī)器人和換筒機(jī)械手運(yùn)行時的累計(jì)誤差，保證換筒的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏選用臺達(dá)DOP-107BW，軟件界面采用DOPSoft 4.06開發(fā)，換筒機(jī)主界面如圖7所示。

圖7 換筒機(jī)人機(jī)交互界面

如圖，左側(cè)顯示為桁架機(jī)器人、換筒機(jī)械手和紗架的工作示意圖；中間部分為功能執(zhí)行按鈕，目前已實(shí)現(xiàn)的功能包括歸零按鈕、到標(biāo)記點(diǎn)、取圓筒、取錐筒、爪子撐開、爪子縮回等，吸線測試、爪子停止、風(fēng)機(jī)開和風(fēng)機(jī)關(guān)，為后期系統(tǒng)升級預(yù)留了功能端口；中上側(cè)3個按鈕分別為自動運(yùn)行、調(diào)試模式、急停按鈕；右側(cè)為菜單欄，包括主界面、參數(shù)設(shè)定、手動測試、報(bào)警信息和退出菜單。

觸摸屏界面設(shè)置菜單和按鈕，實(shí)現(xiàn)了換筒動作的調(diào)試模式和自動運(yùn)行模式的切換。當(dāng)按下調(diào)試模式按鈕后，再按下任意功能按鈕只執(zhí)行單步動作，且動作間具有互鎖功能；按下自動運(yùn)行按鈕后，再按下取圓筒或取錐筒按鈕，系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)置程序自動進(jìn)行換筒動作，直到完整的換筒流程結(jié)束，停止工作。觸摸屏人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)了圓柱和圓錐2種類型紗筒的換筒控制，支持參數(shù)設(shè)置、桁架速度調(diào)節(jié)、換筒次數(shù)記錄等功能。

4 實(shí)驗(yàn)測試及分析

根據(jù)針織圓緯機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、控制功能需求，以及實(shí)驗(yàn)室空間環(huán)境限制等內(nèi)容，項(xiàng)目組研制了圓緯機(jī)紗架自動換筒實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)，其實(shí)物圖如圖8所示。其中右側(cè)橫梁方向定義為X軸，左右方向定義為Y軸，上下方向定義為Z軸。實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)搭建完后，為了掌握桁架機(jī)器人的運(yùn)行準(zhǔn)度，分別對X軸、Y軸和Z軸做了輸出脈沖與行走距離的關(guān)系測試實(shí)驗(yàn)，擬合出的X軸、Y軸和Z軸脈沖數(shù)與測量距離的線性關(guān)系分別如式(6)～(8)所示：

圖8 圓緯機(jī)紗架換筒機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

y1=0.295 9x1+0.038 5

(6)

y2=0.019 2x2+0.211 3

(7)

y3=0.101 9x3-0.154 7

(8)

式中:y1，y2，y3為機(jī)構(gòu)行走距離，mm；x1，x2，x3為脈沖數(shù)。

將上述式子作為X軸、Y軸和Z軸輸出脈沖與行走距離的經(jīng)驗(yàn)公式，將脈沖數(shù)帶入各式后，計(jì)算可得到對應(yīng)的行走距離，即理論距離，兩者相減后可得到誤差值，具體數(shù)據(jù)如表2所示。由表可知，X軸、Y軸和Z軸的最大誤差分別為1.8、1.0、1.6 mm，結(jié)合換筒機(jī)械手撐爪16 mm的外徑尺寸以及頭部1∶5錐度設(shè)計(jì)和紗筒最小內(nèi)徑尺寸22 mm的要求，可判斷該自動換筒機(jī)構(gòu)能滿足換筒定位準(zhǔn)度要求。其中，X軸和Z軸運(yùn)行誤差大于1 mm的數(shù)據(jù)組數(shù)較多，經(jīng)過觀察是由于運(yùn)動時振動較大導(dǎo)致，后面將繼續(xù)研究分析，減小誤差，提高準(zhǔn)度。

表2 X軸、Y軸和Z軸測試數(shù)據(jù)

準(zhǔn)度測試達(dá)標(biāo)后，測試了換筒功能，由于桁架機(jī)器人空間及行程的限制，工作區(qū)和備料區(qū)的場地安排略顯緊湊，因此，測試時直接將2個功能區(qū)設(shè)置在相鄰的紗架上。

實(shí)驗(yàn)過程中，未明確區(qū)分工作區(qū)和備料區(qū)。先將空圓柱筒、空圓錐筒、滿圓柱筒和滿圓錐筒分別放在外側(cè)紗架不同層的A、B位上；然后控制桁架機(jī)器人和換筒機(jī)械手依次將各類筒子抓取后放置到內(nèi)側(cè)紗架對應(yīng)層的A、B位上，外側(cè)紗架的筒子取完后；再將內(nèi)側(cè)紗架上的所有紗筒放到外側(cè)紗架對應(yīng)的A、B位上；循環(huán)往復(fù)測試抓取、放置各類紗筒的重復(fù)性和穩(wěn)定性，如圖8所示。目前,兩相鄰紗架之間的換筒時間約為40 s，且每種紗筒耗時基本接近，而前面已經(jīng)知道實(shí)際生產(chǎn)中紗筒更換允許時間為3.75 min，即使加上桁架的運(yùn)送時間，自動換筒的時序也能滿足應(yīng)用。

目前仍然存在一些問題，比如由于當(dāng)前桁架機(jī)器人行程的限制，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離換筒測試；另外普通紗架采用拼裝式工藝，整體準(zhǔn)度低，長期放置紗筒，筒子架存在下傾現(xiàn)象，以及放滿筒時，機(jī)械手將筒子推出至筒子架時存在振動現(xiàn)象，會導(dǎo)致紗架移位，這些都會影響后續(xù)取放筒的準(zhǔn)確性，將繼續(xù)深入研究。

5 結(jié)束語

圓緯機(jī)紗架自動換筒實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)自搭建以來，對不同內(nèi)徑的圓柱筒和圓錐筒進(jìn)行了測試，主要包括空圓柱筒、空圓錐筒、滿圓柱筒和滿圓錐筒的抓取、搬運(yùn)和放置功能，涵蓋了圓緯機(jī)實(shí)際生產(chǎn)取放筒的所有情況，且目前測試運(yùn)行穩(wěn)定、重復(fù)性良好，基本實(shí)現(xiàn)了模仿人工換筒的功能。通過“機(jī)器換筒、人工接頭”的方式可有效減輕工人的勞動強(qiáng)度，能為企業(yè)解決工資高、招工難的問題提供幫助，而且對紡織智能制造以及無人工廠的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。