噴頭與棉包精準運動控制平臺的結構設計

■ 呂德凱 李付堂 戎立斌 侯學謙

〔北京中棉機械成套設備有限公司，北京100089〕

噴頭與棉包精準運動控制平臺的結構設計

■ 呂德凱 李付堂 戎立斌 侯學謙

〔北京中棉機械成套設備有限公司，北京100089〕

一、引言

自2003年我國棉花質量檢驗體制改革后，棉包即采用國際通用的包型。GB 6795-2013《棉花包裝》國家標準規定Ⅰ型棉包的外形尺寸為1 400 mm×700 mm×530 mm（長×寬×高）。該標準要求用棉布包裝的棉包應在兩頭用黑色刷明標志（簡稱嘜頭），內容包括：棉花產地（省、自治區、直轄市和縣）、棉花加工單位、棉花質量標識、批號、包號、毛重、異性纖維含量代號、生產日期等。

由此可見，棉包的外形尺寸是固定的，這為實現棉包兩頭自動化刷嘜提供了便利。《棉花包裝》標準要求，加工時應杜絕對棉花的二次污染。通過考察，我們選用高解析噴頭，這種噴頭使用速干墨，單次出墨量小，不污染棉花，而且可以達到實體噴印的清晰效果。但由于這種噴頭對噴印距離有要求，因此，為了使棉包在流水線上快速完成自動化刷嘜工作，保證刷嘜效果，需要對噴頭與棉包相對位置進行精準控制，為此我們設計了旋轉平臺棉包精準運動控制裝置。

二、噴頭與棉包的運動原理分析

棉包嘜頭通常由上下5至7行內容組成（見圖1），居于棉包端面中間，棉包兩端都需要刷嘜。筆者分析了嘜頭的內容和結構形式，設計了一種完成整個嘜頭噴印工作的可行性方案。該方案采用單噴頭加輸包平臺結構，完成棉包一端刷嘜后自動轉包，再完成另一端嘜頭噴印。

圖1 五行棉包嘜頭示意圖

本方案優點是只需一組噴頭，噴頭控制技術上容易實現，成本低、可靠性高。雖然刷嘜速度相對較慢，但是只要能滿足生產工藝產量（最大40包/h）要求，速度不是問題。從噴頭控制技術的實現難易程度和制造及用戶使用成本來考慮，我們圍繞單噴頭加輸包平臺的方案進行了設計。

根據該方案，本文提出一種簡單可行的自動刷嘜工作方法，原理是棉包一頭先貼近噴頭，到達噴頭的有效噴印位置后，啟動噴頭從上至下逐行噴印，噴印完成后棉包旋轉180°，使棉包另一頭貼緊噴頭，再次啟動噴頭逐行打印，棉包兩頭都噴印完畢后，將棉包自動輸送出平臺，等待下一個棉包到來，流程如圖2所示。

圖2 自動刷嘜流程圖

按照以上所述，要實現棉包嘜頭自動噴印工作，保證刷嘜效果，必須精確控制棉包的運動狀態以及與噴頭的相對位置。

三、機構選型

噴頭與棉包精準運動控制平臺的機構選型是個非常重要的問題，因為運動機構是否精確靈活將直接關系到預定目標能否實現，所以在此提出以下幾點運動機構的選型原則。

（一）總體選型原則

刷嘜設備要放在原有出包流水線上，即電子秤和傳動帶之間，為此設備的總體尺寸（長、寬、高）盡可能小，安裝方式靈活，以提高設備的適應性，滿足產品要求，刷嘜速度要保證20包/h～40包/h。另外，設備的結構要合理，易于現場安裝、維護和檢修等。

（二）滿足現有加工廠生產工藝要求

通過多次實地調研，目前加工廠的棉包出包工藝有直線型和90°轉角型兩種，新設計的運動控制平臺需要滿足這兩者的安裝要求，即設備可旋轉。

（三）機構的運動精度高

為滿足噴頭的有效打印距離要求，棉包在此平臺上的前進、后退，甚至旋轉應能被精確控制，噴印時棉包都應貼緊噴頭，保證每次嘜頭的噴印效果均達到最佳狀態。這涉及到運動副型式和驅動機構的最佳傳遞方式的選擇，如果機構設計不合理，可能會導致對棉包的運動精度控制不夠，最終影響嘜頭的噴印效果，所以必須考慮機構的運動精度要求。

（四）棉包的較正功能

棉包在運動時并不能一直與傳送帶保持平行狀態，可能偏向傳送帶的兩側，與傳送帶形成夾角。為此，該設備必須具有棉包較正功能，既能保證棉包端面與噴頭始終平行，又可保證嘜頭被噴印在棉包端面的中間固定位置，以確保所有棉包嘜頭位置一致。

（五）噴頭的運動形式

為了使用最基本的最少的噴頭數量，完成棉包嘜頭全部信息噴印，還需要控制噴頭的運動，保證用一組基本的噴頭單元，通過多行噴印完成整個棉包刷嘜。為此，噴頭的運動機構以及控制也很重要。

根據以上所述選型原則和對加工廠棉包出包工藝的實地考察，噴頭的運動部分采用沉入式的升降機構，并配合噴頭的水平運動機構完成噴頭的打印動作；棉包的運動控制采用設置有輸包和夾包裝置的旋轉平臺，既實現了棉包的水平旋轉，又完成了棉包的前進、后退及棉包傾斜較正的控制。

四、結構設計

結構設計除了滿足噴頭與棉包的精準運動控制要求，還要考慮剛性好、重量輕、易制造，需要優選簡單、緊湊、實用性好的結構型式，結構工藝性要好、制造成本要低、可靠性要好，盡可能多地采用標準件，降低制造難度，同時還應便于整機的裝配調整。

本文設計的噴頭與棉包精準運動控制平臺的三維模型如圖3所示，其主要包括四大機構：旋轉機構、輸包機構、夾包機構、噴頭升降運動機構，圖4為運動控制平臺的簡化模型。旋轉機構、輸包機構、夾包機構主要控制棉包的運動，噴頭升降運動機構主要控制噴頭的升降和水平移動。

圖3 棉包精準運動控制平臺三維模型圖

圖4 簡化模型

對于旋轉機構、輸包機構均采用齒輪傳動。相比其它類型的結構，這種結構傳動承載能力大、傳動平穩、精度高，使用安全可靠，制造工藝簡單。在保證整機剛度和強度的要求前提下，整個基座全部使用方管焊接而成，有利于減輕整機的重量，優選齒輪傳動結構；執行機構均采用步進電機提供動力；減速機均選用尺寸小、承載能力大、傳動系數更高的減速機。傳動鏈中的齒輪間隙對輸包輥的運動精度有直接影響，經分析，輸包輥之間的過度齒輪采用偏心套調整法。這種方法結構簡單可靠、裝配時調整方便，能夠達到消除齒輪間隙的目的，明顯提高輸包輥的傳動精度。

夾包機構安裝在旋轉機構的安裝基架上，見圖4。夾包機構采用左右對稱式設計，從而避免左右兩側受力不均造成一側過度磨損問題。這樣的設計結構緊湊、占用空間小、整體性好、運動靈活可靠。

根據機構的整體設計要求，沉入式噴頭升降運動機構功能上要實現噴頭的升降和噴頭的水平移動；尺寸上要滿足高度設計要求，噴頭落到底以后，噴頭頂部距離輸包輥的頂部要有一定的距離，保證棉包能從噴頭頂部順利通過，即升降機構的整體高度要小于輸包機構頂部輸包輥的高度。通過對運動過程的分析，筆者認為此處采用滾珠絲杠作為動力傳動件比較合適，均能滿足噴頭上下升降和水平運動的傳動精度要求，而且滾珠絲杠屬于標準件，滾珠絲杠兩端定制加工簡單。升降運動機構通過基座上的安裝孔與轉包機構固定到一起，保證了設備的一體性。

為了防止安全事故的發生，將非必要的運動部件保護起來也是工業設計中不可缺少的一個環節，同時還可以起到防塵的作用。在轉包機構四周、轉包側板上和升降機構四周均設有防護板，這些防護板不僅可以保護人身安全，還可以防止棉絮和灰塵進入，提高設備的使用壽命。

五、結束語

本次研制成的噴頭與棉包精準運動控制平臺的主要傳動鏈均采用齒輪傳動的方式，同時增加了齒輪間隙的調整措施，保證棉包的運動能被精確控制，從而滿足進口高解析噴頭的噴印精度要求。☆

“棉花產后增值關鍵技術裝備研發與產業化示范”課題研究，課題編號（2015BAD19B04）