基于緩沖對刀策略的自動化鏟板組件設計

丁彩紅， 李署程， 季興躍

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

化纖紡絲生產中由于紡絲溶液從噴絲板噴絲孔擠出時的膨化脹大效應[1]，噴絲板在使用一段時間后，噴絲孔周圍以及噴絲板面上會積累一些結焦物，也可能會積累微小顆粒或者出現熔融細流黏結在噴絲板面的現象[2]，影響紡絲細流的質量。通過定期鏟板，可使噴絲板面及噴絲孔周圍保持清潔，確保紡絲質量和紡絲過程順暢[3-4]。

目前，噴絲板的清潔主要采用人工操作，對熟練工人的依賴性高，鏟板不當易損傷板面，且高溫作業對工人健康損害大。國外的德國歐瑞康紡織集團、日本東麗株式會社，國內的恒科新材料有限公司、銳冠科技有限公司等企業陸續提出鏟板自動化技術，在鏟板結構形式上都采用機械緩沖以減小對刀時鏟刀對噴絲板面的沖擊，在鏟板方式、鏟刀布局上各有不同，但都采用旋轉刮鏟方式。日本東麗株式會社的技術涉及紡絲不停絲狀況下的設計，國內企業目前只涉及紡絲停絲狀況下的設計。總體來看國內外鏟板自動化的研究與設備開發仍處于起步階段。為此，本文圍繞鏟板自動化技術開展研究，提出一種串并聯組合彈簧緩沖對刀結構方案和自動鏟板方法，完成鏟板組件的設計、動態仿真和實驗論證。

1 鏟刀組件設計

1.1 鏟板方式

以大多數用于聚酯纖維的多孔圓形噴絲板(尺寸為104 mm×94 mm)為研究對象，如圖1所示。由于噴絲孔之間的間距較窄，孔數較多，為提高鏟板效率，在鏟刀組件上設計周向均勻布置的3個鏟刀[5]。

圖1 多孔噴絲板的鏟板方式Fig.1 Scraping method of porous spinneret

通常，噴絲板的材質采用不銹鋼(630)，為保證噴絲板不被劃傷，鏟刀材質選用硬度遠低于不銹鋼(630)的黃銅(H62)[6]。

1.2 鏟刀組件的結構

紡絲車間人工鏟板工藝及相關鏟刀參數如表1所示。由此設計鏟刀的厚度為3 mm，刀刃角為30°，鏟刀長度為42 mm，寬度為18 mm，鏟刀與噴絲板面間的傾角為45°。

表1 人工鏟板工藝參數Tab.1 Technical parameters of manual scraping

鏟板過程中，必須保證鏟刀刀刃始終貼緊噴絲板面才能有效清潔，且為防止鏟板組件對刀時鏟刀刀刃發生嚴重損傷，應設計合理的對刀緩沖機構。彈簧排列方式不同可實現不同的緩沖防護效果[7]，為此，提出了一種鏟板組件結構如圖2所示。

圖2 鏟刀組件結構圖Fig.2 Structure of scraper component

鏟板組件包含3個刀組，每個刀組均通過一組3個并聯的彈簧K1與底座法蘭彈性連接，使刀組在豎直方向相對于底座法蘭可彈性移動。每個刀組的鏟刀座固聯在刀組底座上，鏟刀安裝在鏟刀固定板上，而鏟刀固定板通過一個銷軸相對于鏟刀座可回轉，其結構關系示意如圖3所示。鏟刀座內置有頂桿和彈簧K2，頂桿的上端與鏟刀相抵觸，當鏟刀上行抵觸噴絲板面時，鏟刀順時針轉動，頂桿被下壓，底部的彈簧K2被壓縮。由此可見，鏟刀組件通過彈簧的并聯和串聯實現了對刀時的機械緩沖，并為鏟刀提供鏟板力。彈簧K2主要起緩沖作用，鏟板力取決于彈簧K1的壓縮。鏟刀組件的底座法蘭可固連在機器人末端，由機器人舉升該鏟刀組件完成鏟板。

圖3 鏟刀與刀座的結構關系Fig.3 Structural relationship between scraper and holder

2 鏟刀組件動態特性分析

2.1 鏟刀組件動力學分析與參數設計

2.1.1 對刀參數設計

鏟刀組件在對刀時，具有一定速度的鏟刀抵觸噴絲板面的過程具有物體碰撞的現象。通過實驗及鏟刀與噴絲板面的碰撞模擬分析可知，鏟刀最大碰撞變形量為0.1 mm時的碰撞速度為87.07 mm/s，取安全系數為1.5，確定鏟刀組件的最大對刀速度vm為58 mm/s。圖4示出對刀運動規劃。設定鏟刀組件開始接觸噴絲板面的時刻為t0，對刀完成的時刻為t2，將t0～t1階段定義為對刀階段1，鏟刀刀刃由抵觸至完全貼緊噴絲板面為止；t1～t2階段定義為對刀階段2，鏟刀組件繼續上行直至鏟刀接觸力(可近似為鏟板力)達到設定值。為實現階段1的緩沖對刀和階段2的快速對刀，規劃對刀過程中鏟刀接觸力的變化趨勢如圖4(b)所示。為方便進行后續分析，設計鏟刀接觸力的特征參數為：t2取0.15 s時，令f2(0.05)=4 N，f2(0.15)=50 N，x2(0.05)=0.8 mm，x2(0.15)=2.5 mm。

圖4 對刀運動規劃Fig.4 Tool movement planning. (a)Tool setting stage;(b)Contact force of scraper

2.1.2 鏟刀組件的力學模型

針對圖2所示的鏟刀組件結構，建立其力學模型如圖5所示。圖5(a)、(b)所示過程對應對刀階段1，此時彈簧K1和K2同時壓縮，而對刀階段2僅彈簧K1被壓縮。

圖5 鏟刀組件的對刀過程Fig.5 Tool setting process of scraper component.(a)Scraper starting to touch spinneret;(b) Scraper tightly pressed upon spinneret

對刀階段1，鏟刀組件3個自由度x1、x2和θ有如下平衡關系：

(1)

(2)

(3)

式中：m1為底座法蘭的質量，kg；m2為刀組底座、鏟刀座及連接件的總質量，kg；m3為鏟刀固定板、鏟刀及連接件的總質量，kg；g為重力加速度，其值為 9.8 m/s2；f1、f2為驅動力和鏟刀接觸力，N；x1、x2為底座法蘭和刀組底座在對刀時上升的位移，均為時間t的函數，mm；J3為底座法蘭的轉動慣量，kg·mm2；k1、k2分別為彈簧K1和K2的剛度系數，N/mm；l1、l2分別為如圖5所示的距離，l3為鏟刀質心至鏟刀轉動中心的距離，mm；θ為鏟刀轉角弧度，rad，由于轉動角度微小，可近似認為：

θ(t)≈x2(t)/R

(4)

式中，R為刀刃抵觸點繞銷軸的轉動半徑，mm。

對刀階段2，鏟刀刀刃已全部接觸噴絲板面，鏟刀組件繼續上行，此時只有彈簧K1繼續被壓縮，系統只有1個自由度，m2與m3均保持相對靜止狀態，鏟刀組件的力學模型如式(1)所示。

對刀階段2結束后，鏟刀接觸力達到設定所需值，此時鏟刀組件處于力平衡，則有：

(5)

由鏟刀組件的具體結構設計可獲得參數m1、m2、m3、l1、l2、l3、J3、R的具體值。根據前述設計的鏟刀接觸力的特征參數進行計算，由式(5)可求得彈簧系統的k1=9.555 N/mm；聯立式(2)～(4)可求得k2=6.132 N/mm。最后取彈簧剛度系數k1=10 N/mm，k2=6 N/mm，由此完成鏟刀組件的結構設計和參數計算，后續將對鏟刀組件進行Adams仿真驗證。

2.2 Adams動力學仿真

2.2.1 仿真設置

應用Adams對鏟刀組件的對刀運動和動態特性進行模擬仿真。對刀時產生的碰撞力由二部分組成，即鏟刀與噴絲板相互擠壓產生的彈性力和相對速度產生的阻尼力。在Adams中采用impact函數來建立接觸碰撞力模型[8]，獲得碰撞力F的計算公式為

式中：k為接觸表面的剛度，N/mm；e為碰撞力指數，金屬材料取1.5；q1為兩碰撞構件的初始距離，mm；q為兩構件碰撞過程的實際距離， mm；C為最大阻尼系數，N/(mm/s)；d為最大阻尼時的侵入深度，mm；step()為三次多項式逼近海維賽階躍函數，是Adams軟件中提供的一種表示黏性阻尼模型的函數，其返回值為阻尼系數。

應用圖2所示的結構建立鏟刀組件接觸噴絲板的Adams虛擬樣機模型，在底座法蘭和刀組底座、頂桿與鏟刀座之間分別建立滑動約束，在鏟刀固定板與鏟刀座之間以銷軸為中心添加旋轉副，底座法蘭與大地添加圓柱副；在噴絲板與鏟刀之間添加接觸，設定侵入深度為0.1 mm；在鏟刀固定板與頂桿之間添加接觸，因彈簧K2的剛度遠小于鏟刀固定板與頂桿的剛度，侵入深度完全被彈簧K2的壓縮所抵消，因此，設定侵入深度為0；設定靜摩擦系數為0.18，動摩擦系數為0.12，并分別添加彈簧K1、K2，普通鋼制彈簧的阻尼非常小，可忽略不計[9]。

2.2.2 仿真結果

實際對刀時，鏟刀距離噴絲板較遠，為提高Adams仿真效率，將鏟刀與噴絲板接觸碰撞的初始距離q1設定為4.35 mm，設置總仿真時間為0.4 s，設定仿真0.15 s后鏟刀組件以最大對刀速度 58 mm/s 抵觸噴絲板面，繼續經過0.15 s后完成對刀。

對刀運動Adams仿真的速度變化如圖6所示。可知：仿真初始在彈簧作用下存在一定波動，但隨鏟刀組件的加速快速達到平穩；0.15 s時鏟刀運動速度產生突變，表示對刀運動進入對刀階段1；0.22 s時鏟刀刀刃全部接觸噴絲板面，速度再次突變，表示對刀運動進入對刀階段2；底座法蘭繼續上升至 0.3 s 時完成對刀，速度降為零。

圖6 鏟刀組件速度變化趨勢Fig.6 Velocity change trend of scraper component

彈簧K1、K2和鏟刀的接觸力變化如圖7所示?？芍哼M入對刀階段1，鏟刀接觸力緩慢增大，K1、K2均受壓；進入對刀階段2，鏟刀刀刃貼緊噴絲板面，K2基本保持不變，K1繼續受壓，鏟刀接觸力快速增大。

由圖7可見，Adams仿真所顯示的鏟刀接觸力的變化趨勢符合對刀運動鏟刀接觸力的設計規劃，驗證了彈簧串并聯緩沖結構參數設計的正確性以及對刀運動規劃的合理性。Adams仿真通過改變對刀速度和對刀時間以改變彈簧K1的壓縮量，獲得不同的鏟刀接觸力以適應不同的鏟板工況。

3 鏟板實驗

3.1 實驗平臺設計與搭建

本文搭建的自動化鏟板實驗平臺如圖8所示，包括鏟板機械系統、運動控制系統和數據采集系統。

圖8 噴絲板自動化鏟板實驗裝置Fig.8 Test device of automatic scraping for spinneret

采用步進電動機通過同步帶傳動帶動2組鏟刀組件旋轉構成一個自動化鏟板末端執行器，能同時刮鏟2塊噴絲板面；由伺服電動機+滾珠絲杠轉動，從而驅動鏟板末端執行器的上下往復運動，完成鏟刀對刀。采用西門子S7-200型可編程邏輯控制器控制末端執行器和鏟刀的運動，通過具有力傳感功能的鏟刀固定板反饋對刀時的接觸力，根據一定的閾值設置控制各運動的起停。

為使實驗接近實際紡絲工況，在實驗平臺上部的噴絲板處設置噴絲板加熱裝置，使用高溫陶瓷發熱片為噴絲板面加熱，使用與聚酯纖維黏結特性較一致的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)樹脂型熱熔膠模擬纖維結焦物，通過對噴絲板的持續加熱和溫度調節模擬實際鏟板時噴絲板的工況。

3.2 實驗及結果分析

首先在實驗平臺上開展接觸力測量實驗，設定接觸力達到42 N時鏟板組件停止上行，得到對刀過程的接觸力變化曲線如圖9所示。

圖9 對刀時的鏟刀接觸力Fig.9 Contact force of scraper during tool setting

由圖9可見：在對刀階段1，鏟刀刀刃抵觸噴絲板面時(t=0.15 s)接觸力存在突變，然后緩慢增加，由于鏟刀固定板與頂桿之間的滑移摩擦，使鏟刀接觸力出現波動；在對刀階段2，接觸力快速增加，待接觸力達到設定值后，鏟刀組件停止上行運動，接觸力也保持穩定，接著鏟刀將做旋轉刮鏟運動。可以看出，實驗得到鏟刀接觸力變化趨勢與仿真結果基本一致，進一步驗證了鏟刀組件設計的可行性。

繼續開展結焦物刮鏟實驗，分別以20、30、40 N的接觸力進行刮鏟，鏟板時間為5 s，鏟板速度為 2 r/s，模擬的結焦物和鏟板后的狀態如圖10所示。可以看出，鏟刀接觸力越大，鏟板效果越明顯。針對模擬結焦物工況實驗發現，當鏟刀接觸力達到40 N即可有效良好地清潔板面，繼續增大接觸力，板面更清潔，但清潔程度變化不大，而鏟刀由于其黃銅材質特性，在作用力達到一定值后出現快速磨損[10]，一定程度上縮短了鏟刀壽命，增加了磨刀頻率。

圖10 不同接觸力的鏟板效果Fig.10 Scraping effect with different contact forces.(a) Before scraping; (b) 20 N; (c) 30 N;(d) 40 N

4 結 論

通過對人工鏟板工藝進行分析，提出了一種串并聯彈簧緩沖對刀結構的自動化鏟板設計方案。圍繞該設計方案，開展了相關理論和實驗研究，得到如下結論。

1)完成了對刀運動在緩沖對刀和快速對刀 2個階段的速度規劃曲線和接觸力規劃曲線。

2)建立鏟刀組件結構的力學模型，取最大對刀速度(58 mm/s)和接觸力(50 N)進行計算，得到彈簧緩沖對刀結構的彈簧K1和K2的剛度系數分別為 10、6 N/mm。

3)應用Adams仿真驗證了鏟刀組件的結構設計符合對刀運動的速度規劃和接觸力規劃要求。

4)設計并搭建了自動化鏟板實驗平臺，通過實驗發現，實際對刀時的受力趨勢與仿真結果一致，且可有效清潔噴絲板面，驗證了鏟刀組件設計的正確性和有效性；隨著鏟刀接觸力的增大，噴絲板面的清潔效果越明顯，而鏟刀的磨損也隨之加劇，為此在滿足鏟板清潔要求的情況下不建議采用更大的接觸力。