龍門滾刀式全自動織物制樣機設計及應用

文/馮燁 聶鑫 謝利國

1 引言

在紡織品有害化學物質含量檢測中，需要將待測樣品裁剪為（5×5）mm的小塊，以利于后續萃取操作[1]。目前，大部分實驗室在該環節采用剪刀等簡單工具由手工完成制備過程，該方式無法保證樣品制備結果的穩定性和一致性[2]；部分實驗室采用的刀模式織物制樣機提高了該環節的效率，但其使用的刀模存在磨損快、易粘連的問題[3]。針對上述現狀本文介紹了一種采用龍門滾刀裁切方式的織物全自動制樣機，實現了安全高效、穩定可靠的樣品制備。

2 制樣機結構及工作原理

龍門滾刀式全自動織物制樣機整體設計方案如圖1所示，主要由切刀架機構、偏移機構、收集罩、氣源處理器、機身、觸摸屏、吹塵裝置、切割平板、旋轉平臺、雙直線導軌線性模組構成。

圖1 制樣機整體設計方案

制樣機采用PLC（可編程邏輯控制器）自動控制，一鍵啟動傻瓜式操作。檢測人員將待裁切樣品置于切割平板上，在觸摸屏中點擊啟動按鈕，雙直線導軌線性模組帶動切刀架機構向切割平板運動，同時刀架上的氣缸向下推動刀片串聯機構到裁切位置，刀片滾過待裁切樣品后將樣品裁切為寬度為5mm的長條，切刀架機構運行到雙直線導軌線性模組末端位置時，旋轉平臺內的氣缸帶動切割平板旋轉90°，雙直線導軌線性模組再次帶動切刀架機構返回到初始位置后，刀架上的氣缸向上帶動刀片串聯機構到初始位置，樣品被裁切為大小5mm×5mm的小塊。

3 制樣機關鍵部件設計

3.1 切刀架機構設計

采用進口34片圓刀片串聯形式組合為裁切刀組安裝于刀架機構上，同時選用可調式氣缸，配合兩側線規導向保證下刀和抬刀的平穩性和同步性，經過反復切布試驗，不斷調整設置參數，最終達到了將待裁切樣品裁切成5mm×5mm的小塊，外觀尺寸大小一致，同時保證了切割后小塊不粘連。圖2為制樣機切刀架機構設計。

圖2 制樣機切刀架機構設計

3.2 旋轉平臺設計

研制初期旋轉平臺驅動和定位方式采用旋轉氣缸加鎖定氣缸組合的形式，試驗過程中發現不能滿足設計需要，隨即改為帶齒輪齒條的擺動氣缸，試驗結果表明該方式可以保證旋轉90°后平臺不會出現微小松動，同時增設平面軸承提高旋轉平臺抗壓性和平穩性。平臺上的切割平板采用進口PEEK（聚醚醚酮塑料）防靜電板，在減少刀片損傷的同時，已能延長自身使用壽命。圖3為制樣機旋轉平臺設計。

圖3 制樣機旋轉平臺設計

3.3 偏移機構設計

偏移機構設計的目的是為了使滾刀片和切割平板的使用壽命達到最優化。制樣機每運行一次，刀片機構就會按觸摸屏上設定好的偏移值進行循環偏移。采用一體式T型絲桿步進電機，配合兩副高精度直線導軌驅動刀片組運動，保證了水平偏移的可靠性和平穩性，大大提高了滾刀片和切割平板的使用壽命。圖4為制樣機偏移機構設計。

圖4 制樣機偏移機構設計

進過一系列的優化改進，最終形成機械結構設計圖紙、電氣接線圖紙、PLC及HMI程序等設計輸出資料，樣機經過反復調試，結合試驗數據優化設置參數，初步確定樣機技術參數滿足設計輸入要求。圖5為制樣機物理樣機。

圖5 制樣機物理樣機

4 制樣機功能驗證試驗

樣機生產完成后，本文開展了功能驗證試驗。試驗結果表明：龍門滾刀式制樣機直接采用圓形刀片裁切待測樣品，避免了刀模中彈性材料老化帶來的切割不透、靜電粘連現象，采用圓形滾刀15秒完成樣品裁切，比刀模裁切樣品26秒效率提高40%，比手工制樣60秒效率提高3倍。圖6為刀模和滾刀裁切結果對比。

圖6 刀模和滾刀裁切結果對比

5 結語

本文介紹的龍門滾刀式全自動織物制樣機采用扁平化設計有效降低了整機高度；配置的負離子吹風收集裝置在去除刀片靜電的同時，收集制樣后殘渣，避免二次制樣污染。

全自動織物制樣機解決了長期困擾樣品制備環節勞動強度大，制備結果一致性差的問題，提高了該環節的儀器化水平，確保了檢測數據的可靠性。