分段旋轉(zhuǎn)式筒子架翻轉(zhuǎn)裝置及其控制系統(tǒng)設(shè)計

徐 帥 楊曉芳 武銀飛 孫百勝

（1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城，224005；2.鹽城市榮意來紡機有限公司，江蘇鹽城，224008）

隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代整經(jīng)機加工頭份更多、生產(chǎn)速度更快［1-2］，整經(jīng)換筒更加頻繁，縮短換筒停機時間對于提高整經(jīng)機生產(chǎn)效率具有重要的意義。張洪等設(shè)計了一款整經(jīng)機筒子架自動換筒機器人，通過自動化機械手將換筒過程由人工完成切換為自動化［3-5］，可以大大減輕人工勞動強度，并一定程度縮短換筒時間，但其面向的是大V 形筒子架，需要較大的使用空間。矩形分段旋轉(zhuǎn)式筒子架由于占地面積小，使用靈活，是普遍使用的筒子架，然而目前其換筒時的翻轉(zhuǎn)過程仍由人工完成，自動化程度較低。通過為矩形分段旋轉(zhuǎn)式筒子架加裝普通蝸輪蝸桿機構(gòu)，可以實現(xiàn)其集體翻轉(zhuǎn)，但會使得每個儲紗單元不能獨立翻轉(zhuǎn)，降低了使用靈活性。通過為每個儲紗單元加裝驅(qū)動電機及減速機構(gòu)，可以實現(xiàn)集體翻轉(zhuǎn)、單獨翻轉(zhuǎn)兩種方式共存，但改造成本顯著上升。因此，紡織生產(chǎn)企業(yè)急需一種改造成本低、實施簡單的翻轉(zhuǎn)裝置，以達到既能自動地快速翻轉(zhuǎn)所有儲紗單元，又能靈活地單獨翻轉(zhuǎn)單個儲紗單元。

1 總體設(shè)計

本裝置的設(shè)計目標在于實現(xiàn)儲紗單元的集體翻轉(zhuǎn)方式和單獨翻轉(zhuǎn)方式共存，并且集體翻轉(zhuǎn)由電機驅(qū)動完成，單獨翻轉(zhuǎn)仍由人工完成。對于集體翻轉(zhuǎn)，由于儲紗單元數(shù)量在10 個左右，因此采用長軸和齒輪傳動仍是理想選擇。使用長軸前提下要實現(xiàn)單獨翻轉(zhuǎn)，常規(guī)方法是使用電磁離合器，但儲紗單元轉(zhuǎn)軸豎直安裝的結(jié)構(gòu)不便于離合器安裝。在儲紗單元上安裝內(nèi)設(shè)棘齒的蝸輪，配合裝于長軸上的蝸桿，再加上電磁鐵、定位盤為主的定位機構(gòu)，在位置開關(guān)和電控系統(tǒng)協(xié)調(diào)下，可以實現(xiàn)上述設(shè)計目標，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 分段旋轉(zhuǎn)式筒子架集體翻轉(zhuǎn)裝置總體結(jié)構(gòu)

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 傳動機構(gòu)設(shè)計

圖2 是筒子架集體翻轉(zhuǎn)裝置傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 中，與儲紗單元同樣數(shù)量的蝸輪安裝在每個儲紗單元的轉(zhuǎn)軸上，蝸輪對應(yīng)的蝸桿安裝在蝸桿軸上；蝸桿軸被自帶的電機驅(qū)動。工作時，電機驅(qū)動蝸桿軸旋轉(zhuǎn)，使得其上的蝸桿帶動蝸輪旋轉(zhuǎn)，各儲紗單元隨之集體翻轉(zhuǎn)。

圖2 傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

為實現(xiàn)儲紗單元的集體翻轉(zhuǎn)方式和單獨翻轉(zhuǎn)方式共存，蝸輪采用如圖3 所示的結(jié)構(gòu)。蝸輪內(nèi)部設(shè)有棘齒、撐頭、轉(zhuǎn)環(huán)和彈簧，轉(zhuǎn)環(huán)和蝸輪之間通過滾珠可實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動；撐頭和彈簧安裝在轉(zhuǎn)環(huán)上，并且彈簧處于壓縮狀態(tài)；儲紗單元轉(zhuǎn)軸固裝在轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)。需要集體翻轉(zhuǎn)時，自帶電機驅(qū)動蝸桿軸沿圖2 所示箭頭方向旋轉(zhuǎn)，形成電機→蝸桿軸→蝸桿→各儲紗單元蝸輪→蝸輪撐頭→轉(zhuǎn)環(huán)的傳動路線，轉(zhuǎn)環(huán)帶著儲紗單元轉(zhuǎn)軸按圖3 箭頭所示方向轉(zhuǎn)動。需要單獨翻轉(zhuǎn)某個儲紗單元時，人工方式按照圖3 中箭頭所示方向轉(zhuǎn)動儲紗單元，儲紗單元轉(zhuǎn)軸隨之轉(zhuǎn)動，由于此時轉(zhuǎn)環(huán)連同其上的撐頭順著棘齒轉(zhuǎn)動，其將滑過每個棘齒，因而蝸輪蝸桿整體保持嚙合不動。

圖3 蝸輪結(jié)構(gòu)示意圖

綜上，借助內(nèi)裝棘輪機構(gòu)的蝸輪，實現(xiàn)了一種既能在換批時集體翻轉(zhuǎn)儲紗單元，又能在需要時單獨翻轉(zhuǎn)儲紗單元的筒子架傳動機構(gòu)。

2.2 定位機構(gòu)設(shè)計

圖2 中，在矩形分段旋轉(zhuǎn)式筒子架上，所有儲紗單元供紗時均應(yīng)固定在與機架縱梁平行的同一平面。采用上述傳動機構(gòu)能實現(xiàn)儲紗單元可被人力轉(zhuǎn)動，當(dāng)然其也能被紗線或慣性力等外力拉動，不能保證其始終處于與機架縱梁平行的同一平面內(nèi)，此時就需要定位機構(gòu)。

對定位機構(gòu)的要求在于，一方面需要其能可靠地將儲紗單元固定在特定位置，另一方面能在需要時自動打開，使翻轉(zhuǎn)得以進行。對此，設(shè)計如圖4 所示的定位機構(gòu)，其安裝位置在圖2 中虛線框A 處。

圖4 定位機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 中，定位盤固裝在儲紗單元轉(zhuǎn)軸上，定位盤下方設(shè)有固定的電磁鐵，電磁鐵的伸縮桿恰伸入定位盤上的定位孔中。圖5 示出了定位盤上的定位孔，為兩個180°對稱的圓孔，直徑略大于電磁鐵伸縮桿的直徑。電磁鐵不通電時，由于其內(nèi)部彈簧作用，電磁鐵伸縮桿插入定位盤定位孔中，此時儲紗單元不可轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)位置鎖定；電磁鐵通電時，電磁鐵伸縮桿克服內(nèi)部彈簧彈力回縮，從定位盤定位孔中退出，此時儲紗單元可以轉(zhuǎn)動。

圖5 定位盤結(jié)構(gòu)示意圖

采用圖4、圖5 結(jié)構(gòu)，還能實現(xiàn)儲紗單元翻轉(zhuǎn)到位時的自動定位，具體過程如圖6 所示。圖6（a）為位置鎖定狀態(tài)，此時電磁鐵不得電、伸縮桿恰伸入定位盤中的定位孔，儲紗單元不可翻轉(zhuǎn)。圖6（b）為解除位置鎖定狀態(tài)，此時電磁鐵得電、伸縮桿完全回縮，儲紗單元翻轉(zhuǎn)可以進行。圖6（c）為等待位置鎖定狀態(tài)，此時電磁鐵再次失電，其伸縮桿頂端恰抵在定位盤上，同時因電磁鐵內(nèi)部彈簧作用伸縮桿保持復(fù)位（伸出）的趨勢；待定位盤隨儲紗單元翻轉(zhuǎn)滿180°后，電磁鐵伸縮桿由于彈簧彈力隨即復(fù)位并伸入另一定位圓孔中，實現(xiàn)鎖止，即重新進入圖6（a）的位置鎖定狀態(tài)。一旦進入位置鎖定，必須立刻停止對儲紗單元的傳動或人工轉(zhuǎn)動，圖4 中在伸縮桿下方的位置開關(guān)和其可識別的磁鐵正是為此目的而設(shè)置的，其能及時提供伸縮桿所處位置的電信號給控制系統(tǒng)。

值得指出的是，上述定位機構(gòu)中的電磁鐵在有壓縮空氣的場合完全可以替換為氣缸，但氣缸類型應(yīng)為單作用氣缸，即氣缸桿回縮為壓縮空氣驅(qū)動，氣缸桿復(fù)位為內(nèi)部彈簧驅(qū)動，如此才能實現(xiàn)氣缸伸縮桿以一個恰當(dāng)?shù)牧α康肿《ㄎ槐P。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)硬件

目前整經(jīng)機已普遍采用PLC 控制器，因此本筒子架集體翻轉(zhuǎn)裝置的控制系統(tǒng)也基于PLC 設(shè)計，具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖7 所示。圖7 中輸入信號主要有啟動、停止和位置開關(guān)信號，輸出主要控制蝸桿軸驅(qū)動電機、電磁鐵的啟停以及輸出故障信息。由于電磁鐵工作時電流較大，超過了PLC 的允許范圍，故采用中間繼電器間接控制。

圖7 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為方便工人單獨翻轉(zhuǎn)某一儲紗單元，每個儲紗單元附近均設(shè)有一只腳踏開關(guān)，用于控制電磁鐵伸縮桿的回縮。腳踏開關(guān)不與控制器連接，腳踏開關(guān)從旁路直接導(dǎo)通電磁鐵，以達到節(jié)省控制器輸入口的目的，具體的接線方法如圖8 所示。圖8 中，JT1、JT2、…、JTn是腳踏開關(guān)，它們從旁路導(dǎo)通各自對應(yīng)的電磁鐵導(dǎo)通中間繼電器KA1、KA2、…、KAn，并且不影響中間繼電器接受控制器的控制。

圖8 腳踏開關(guān)接線圖

位置開關(guān)用于檢測電磁鐵伸縮桿的位置，實際安裝位置已在圖4 中示出，其具體類型優(yōu)先選用抗干擾電磁能力較強、反應(yīng)快的霍爾開關(guān)，以防止電磁鐵得電時強大電流的電磁干擾。另一方面，由于定位盤采用常規(guī)鋼板制作，表面平面度、公差等未特別要求，故實際使用中發(fā)現(xiàn)伸縮桿有上下竄動、抖動的情況，此時應(yīng)選擇回差距離較大的霍爾開關(guān)，以防止機械抖動干擾［6］。

3.2 控制系統(tǒng)軟件

由于傳動機構(gòu)采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，施加在儲紗單元上的力較大，這就要求在電磁鐵伸縮桿未全部退出定位孔前不能傳動，加之儲紗單元數(shù)量較多，必須在出現(xiàn)故障時準確報告出故障位置，故本系統(tǒng)軟件設(shè)計要求較高。圖9 是集體翻轉(zhuǎn)裝置控制軟件的程序流程圖。

圖9 程序流程圖

程序執(zhí)行過程：確認翻轉(zhuǎn)按鈕按下后，立即給所有電磁鐵通電，短延時250 ms 后，檢查所有位置開關(guān)是否均動作，如否，則證明有電磁鐵損壞或者其伸縮桿被卡在定位孔中，查找出具體哪一只電磁鐵的伸縮桿未縮回到位后，給所有電磁鐵斷電，并顯示出故障信息；如是，則證明所有電磁鐵伸縮桿縮回到位，啟動蝸桿驅(qū)動軸電機。啟動電機后，緊跟著啟動一個2 s～3 s 的延時，延時時間到后立即給所有電磁鐵斷電，一方面防止電磁鐵因為長時間吸合而發(fā)熱損壞，另一方面為自動定位創(chuàng)造條件。由于此時電磁鐵伸縮桿頭端抵住定位盤，因此其不能伸出，位置開關(guān)因而也不能復(fù)位。接下來，不斷掃描所有位置開關(guān)，發(fā)現(xiàn)任何一只位置開關(guān)復(fù)位，則說明電磁鐵伸縮桿已復(fù)位、已經(jīng)有儲紗單元翻轉(zhuǎn)到位，立刻停止蝸桿驅(qū)動軸電機。停止驅(qū)動軸電機后，檢查是否所有位置開關(guān)均已復(fù)位，如出現(xiàn)沒有復(fù)位的位置開關(guān)，說明該開關(guān)處的定位盤沒有旋轉(zhuǎn)到位，亦即儲紗單元沒有翻轉(zhuǎn)到位，查找出具體是哪一個位置開關(guān)后，顯示出故障信息。如所有的位置開關(guān)均復(fù)位，則表明所有定位盤旋轉(zhuǎn)到位，翻轉(zhuǎn)完成，結(jié)束程序，給出完成翻轉(zhuǎn)信號。

4 結(jié)語

（1）設(shè)計的矩形分段旋轉(zhuǎn)式筒子架集體翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于舊設(shè)備改造升級，能將翻轉(zhuǎn)筒子架耗時縮短到30 s 之內(nèi)，效率提高明顯。

（2）機械結(jié)構(gòu)方面，使用內(nèi)設(shè)棘齒的蝸輪構(gòu)成傳動機構(gòu)，可以實現(xiàn)儲紗單元的集體翻轉(zhuǎn)方式和單獨翻轉(zhuǎn)方式共存，在實現(xiàn)自動化和提高效率的同時，保持了使用靈活性；使用電磁鐵和定位盤為主構(gòu)成定位機構(gòu)，可以實現(xiàn)儲紗單元位置的自動鎖止，提高了整個翻轉(zhuǎn)裝置的使用可靠性。

（3）控制系統(tǒng)硬件設(shè)計方面，將腳踏開關(guān)設(shè)計為從旁路直接導(dǎo)通電磁鐵，可以在不影響使用前提下節(jié)省控制器輸入口；選用回差距離較大的霍爾開關(guān)既可抵抗電磁鐵動作的電磁干擾，也可防止機械零件精度不高帶來的機械抖動干擾。

（4）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計方面，檢查所有位置開關(guān)是否均動作可以防止啟動時的機械故障；啟動蝸桿驅(qū)動軸電機后，延時2 s～3 s 給電磁鐵斷電，既可避免發(fā)熱，又可便于采用機械方法進行自動定位；啟動電機后檢查所有位置開關(guān)是否均已復(fù)位，可以判別是否完成翻轉(zhuǎn)，定位和報告故障位置。