方形商標自動釘縫裝置的結構設計與力學分析

劉新穎，金守峰

(西安工程大學 a. 機電工程學院；b. 西安市現代智能紡織裝備重點實驗室，陜西 西安 710600)

0 引言

商標釘縫在襪子上讓消費者了解襪子的材質、產地、廠家等信息，釘縫的過程主要由人工來完成。由于襪子產量逐年增加，產品質量的提升以及人力成本的提高，人工釘縫商標已不能滿足生產需求。隨著機電一體化技術的快速發展，自動化設備取代人工已在各領域中廣泛應用。馬博文等采用“刷貼法”實現了貼標機出標、貼標、壓標、回收等工序的自動運行[1]。魏振曄等針對人工貼標不衛生、貼標效率低下等問題，設計了一種試管標簽粘貼機，實現試管貼標的自動化[2]。伍賢洪等設計了一種實時打印貼標機構，可根據包裝大小自動調整標簽大小及貼標位置[3]。李昭等通過對采血管的輸送與貼標裝置的設計，提出一款一次性采血管貼標裝備，可快速、可靠地完成采血管運輸和整理工作[4]。鄧智方等以FPGA為核心控制系統實現光纖激光打標的需求[5]。ANONYMOUS設計了一種新型集裝箱封蓋、貼標和封口自動貼標機，該自動貼標機適用于不同類型的罐、瓶等容器的自動貼標[6]。郝鑫等基于生態環保設計理念，實現了更加人性化的激光打標機設計[7]。陟俊杰等提出以ARM9處理器為基礎，設計一種多功能貼標控制系統，實現對多種規格瓶子的貼標控制[8]。綜上所述，對不同標簽的固定主要有激光打標、不干膠粘貼等方法，但是作為紡織品的襪子，上述方法不適合其商標的固定。因此本文采用自動釘縫的方法，在襪子表面固定標簽。

1 標簽自動釘縫機構的模塊化設計

1.1 手工釘縫工序分析與整體設計方案

襪子標簽人工釘縫過程是由在釘縫工位上的工人手持膠針槍將標簽釘縫在指定位置。手工釘縫過程柔性度較高，但是長時間工作勞動強度大，且具有一定的安全風險。本文根據人工釘縫工藝特點及方形標簽的結構特征，采用模塊化思想設計了如圖1所示的襪子方形標簽自動釘縫機構。該機構包括標簽存儲模塊、取標模塊、定位模塊及釘縫模塊等4個模塊化機構，并通過PLC控制各模塊之間的動作協調并完成操作。

圖1 標簽自動釘縫機構

標簽自動釘縫機構的工序流程如圖2所示，將待釘縫的襪子由傳送帶輸入到自動釘縫機構，當傳感器檢測到襪子運輸時，控制系統控制電機推送標簽，取標模塊將標簽從存儲模塊中取出，放置在釘縫區域。此時襪子已被運輸至定位模塊，并由定位模塊進行襪子的定位，在壓襪板的作用下固定好待釘縫的襪子，釘縫模塊中的膠針槍執行釘縫動作。完成釘縫后，壓襪板和膠針槍復位，傳送帶將襪子輸出自動釘縫機構。通過PLC控制建立各執行模塊之間的協調配合關系，該機構即可完成襪子標簽的釘縫。

圖2 襪子標簽釘縫機釘縫工藝流程

1.2 標簽存儲模塊的結構設計

為了便于不同尺寸標簽的存儲，保證釘縫過程的連續進行，本文根據如圖3(a)所示的帶圓角和釘縫孔的方形標簽圖形特點，設計了如圖3(b)所示的帶調節功能的標簽存儲結構。采用對稱的兩個90°的V型護板，形成了一個近似方形的區域，用于存儲一定量的標簽；固定護板固定安裝在機架上，位置不發生變化，根據方形標簽尺寸規格的不同，通過手動調節移動護板的左右移動，改變兩個V型護板之間的距離來適應不同規格的方形標簽。將批量的方形標簽放置在兩個V型護板構成的存儲區域中，在電動推桿的驅動下移動，并配合取標裝置實現標簽的取出。

圖3 標簽存儲模塊

1.3 取標模塊的結構設計

為了提高標簽取放的效率，本文設計了如圖4所示的回轉式單臂雙氣嘴結構，用于吸取標簽和放置標簽。單臂機構的兩端加工有調節槽，用于調節兩個氣嘴的距離，其中一個氣嘴完成吸取標簽，初始位置在可調節機構的正上方；另一個氣嘴完成標簽的放置，初始位置在放標區域的正上方。由擺動氣缸驅動單臂機構完成180°回轉運動，實現吸取和放置的連續進行。氣嘴的高度調節由氣動滑臺來實現，根據釘縫襪子和存儲裝置中標簽的高度進行往復移動。

圖4 取標模塊

1.4 定位與釘縫模塊的結構設計

為了使放置好的標簽在釘縫過程中不產生偏離，本文設計了如圖5(a)所示的標簽定位結構。根據方形標簽的結構特點，定位機構中的推標板設計成90°的V型結構，與方標的直角相吻合。在氣動滑臺的驅動下，推標板可在底座的導向作用下移動，將方標推送至打標處進行定位。在完成標簽的定位后，標簽及待釘縫的襪子均放置在如圖5(b)所示的釘縫機構下方。為防止在釘縫過程中襪子與標簽的相對移動，設計了壓襪板來保持釘縫時襪子的固定。壓襪板在氣缸的驅動下壓緊襪子，膠針槍的針頭正對標簽，實現襪子標簽的釘縫。

圖5 定位與釘縫模塊

2 推標板座的有限元分析

襪子標簽的釘縫過程中，推標板座在定位裝置對推標板的滑動有著導向作用，其本身結構為懸臂梁，工作過程中最易發生變形，影響定位裝置定位的準確性與穩定性。為了保證釘縫的質量和安全性能，采用ANSYS軟件對推標板座進行了有限元分析。推標板座的結構采用Solidworks軟件建模，將其生成x_t格式，導入ANSYS Workbench中。推標板座選取材料為碳纖維。在Engineering Date界面中設定材料為 aluminium alloy，并設定aluminium alloy材料屬性；在Mesh選項中添加Method進行網格劃分，設置網格劃分方法為 Multizone；在網格劃分詳細列表中將 Relevance設置為最大值100；將Relevance Center設置為Fine，網格大小設置為5mm，然后進行網格劃分。添加約束力后對壓襪板模型進行求解得到結果如圖6所示。

圖6 推標板座有限元分析結果

由圖6(b)可知，推標板座的最大應力在拐角處，最大應力為0.9MPa；圖6(c)中最大應變為1.53×10-6，圖6(d)中最大位移在推標板座的末端，為0.0049mm。通過有限元分析，推標板座所受應力與碳纖維的屈服強度σ=9.3MPa相比，小于該數值。由仿真分析可知，該推標板座的結構設計滿足釘縫過程中的應力需求，可保證其穩定和安全性。

3 結語

1)本文所設計的方形商標自動釘縫裝置能夠實現對不同尺寸的方形商標自動、準確、工整地釘縫。裝置結構簡單、操作方便，模塊化設計可通過分解、組合、互換，提高產品性能和可靠性。各模塊之間布局緊湊、配合協調合理，可保證裝置具有較高的生產率及較低的能耗。

2)通過對推標板座進行有限元分析，仿真結果表明該機構參數選擇合理、結構穩定，滿足了力學性能要求。

3)該裝置可廣泛應用于各大襪子企業的大批量、不同規格方標釘縫工作，可為企業創造更大的經濟效益，提高工作過程的安全性。