圓緯機紗架自動換筒技術

屠佳佳， 孫 磊， 毛慧敏， 戴 寧， 朱婉珍， 史偉民

(1. 浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江機電職業技術學院 自動化學院， 浙江 杭州 310053)

近年來，在機器換人、智能制造等國家政策的引導和支持下，紡織行業的勞動密集程度已明顯改善，企業布局自動化生產裝備的意愿增強、速度加快[1-2]。例如，針織圓緯機依靠成圈系統(即進紗路數或成圈路數)多、轉速高、產量高、花形變化快、織物品質好、工序少、產品適應性強等眾多優點，贏得了市場的青睞[3]。針織圓緯機在生產過程中，需要在紗架上完成上下料工作，包括：供紗區空筒下料、滿筒上料、備紗區滿筒下料、滿筒補料，以及紗筒的搬運等工作，目前仍處于純人工階段。由于進紗路數多、產量高，導致紗筒數量多，更換也較為頻繁。以某紡織廠為例，單臺圓緯機需要192路紗筒供紗，按照每個紗架左右各8層計算，需要紗架12個。每個工人負責2臺圓緯機的生產，即384個紗筒，24個紗架。通常情況下，24 h內所有紗筒須更換1次，平均每3.75 min就要更換1個紗筒，期間還要從備紗區取紗筒，另外紗架高度在2 m以上，高層換紗需要托舉。因此工作持續性長，勞動強度大，導致高工資也很難招到合適的工人。

目前在技術上實現自動換筒仍然是個難題，由于紗架與紗筒形態結構上的特性，使得取空紗筒、放新紗筒等工序對于機器人或者機械手來說是一項比較復雜的動作，而且相關方面的研究也比較少，技術上仍未完全突破。國內鄒鯤等研究的智能紗架能夠實現紗筒運送、換筒，但采用的并不是普通紗架和紗筒，換紗原理也不同[4-6]。張洪等研究的整經機筒子架自動換筒機器人利用AGV小車進行定位換筒，闡述了詳細的實現方案，但并未給出實驗設備和測試情況[7]。

隨著社會和科技的不斷進步，考慮到技術、成本和效益等原因，企業需求也隨之轉變，“黑燈”工廠、智能工廠已成為企業未來發展的方向。紡織行業的高度自動化、智能化控制已是必然發展趨勢[8-9]。因此，本文將在智能紗架、整經機筒子架自動換筒等現有研究成果的基礎上，從系統總體設計、機構設計、控制系統設計、樣機研制、實驗測試等方面對圓緯機紗架自動換筒展開研究，對實現圓緯機全流程自動化生產和建設智能車間具有重要意義。

1 系統總體設計

針織圓緯機生產過程中，由紗架上的紗筒供紗。常用紗架的結構如圖1所示，由左右兩側8層筒子架和簡易支架結構組成，同層筒子架放置同種類型的紗筒，本項目中用A、B位來區分左右兩側的紗筒和筒子架。圖中左側定義為A位筒子架，右側定義為B位筒子架，對應的有A、B位紗筒和空筒。

圖1 紗架結構圖

紗架具體供紗方式如下：生產開始前，工人先將紗架放滿紗筒，同層筒子架A、B位放置同種類型紗筒，并將A位紗筒頭線通過風管引至圓緯機用于生產，將A位紗筒尾線與B位紗筒頭線打結，B位紗筒尾線處于自由狀態等待下一次換筒時使用。當A位紗筒使用完畢后會自動跳轉去使用B位紗筒，然后取下A位空筒，換上同型號的滿筒，再將A位紗筒頭線和B位紗筒尾線打結，當B位紗筒用完后又會跳轉到A位紗筒。如此循環往復，實現為針織圓緯機持續不斷供紗。

綜合考慮紗架結構、供紗方式，紗筒搬運和換筒控制的準度要求，以及企業需求和項目可行性等因素，設計了基于桁架機器人和伺服控制的針織圓緯機紗架自動換筒系統，其結構框圖如圖2所示。該系統主要由觸摸屏、主控模塊、桁架機器人、換筒機械手、伺服控制等組成。其中桁架機器人主要由X軸、Y軸、Z軸機構及其伺服控制系統組成；換筒機械手主要由撐爪、頂桿、翻轉座、氣缸和齒輪機構及其伺服驅動等組成；桁架機器人和換筒機械手的控制均由主控模塊編程控制伺服和氣缸的運行狀態來實現。

圖2 圓緯機紗架自動換筒系統結構框圖

主控模塊作為系統的核心控制單元，利用編程實現桁架機器人和換筒機械手取空筒、取滿筒、放滿筒等動作；通過采集桁架機器人和換筒機械手的實時位置信號，實現精準定位；采用自帶的以太網接口和串口與上位機通信，來實現系統的整體調度。取換筒功能通過操作觸摸屏的人機交互界面來實現，采用按鍵式控制，簡單方便、可行性高。系統通過“機器換筒、人工接頭”的方式可進一步提高圓緯機生產自動化程度，有效減輕工人的勞動強度，切實為企業解決工資高、招工難等問題。

2 機構設計

2.1 桁架機器人設計

桁架式機器人也稱直角坐標機器人和龍門式機器人[10]，屬于高準度設備。工業應用中，它是能夠實現自動控制、可重復編程、多功能、多自由度、運動自由度間成空間直角關系和多用途的操作機器人，能夠搬運物體、操作工具，以完成各種作業[11]。

本文研制的系統中，桁架機器人是將換筒機械手運送至對應紗架位置進行換筒的載體，是能否實現精確定位、精準換筒的關鍵部分。目前桁架機械手的定位準度可以達到0.02 mm，重復定位精度可以達到±0.01 mm，因此采用桁架機器人可以滿足在紗架上自動換筒所需的準度及穩定性。為了保證桁架機器人的準度，設計中重點考慮了結構與剛性、運動重量、控制及定位方式等影響因素，并采用同步帶傳動。桁架機器人結構如圖3所示。

圖3 桁架機器人仿真結構

機構部分主要由X軸、Y軸、Z軸機構和底座與立柱等組成，其中X軸為左右兩根側梁，Y軸為中間部分橫梁，Z軸為懸掛在Y軸上的豎梁。其中Y軸采用雙梁設計，一方面便于Z軸安裝，另一方面可以保證桁架機器人在作業過程中快速平穩運行。

控制部分采用穩定性和準度更好的伺服驅動方式來實現桁架機器人各軸的運行。通過x、y、z3個方向上的聯動可到達任意坐標點。

2.2 換筒機械手設計

換筒機械手安裝在桁架機器人的Z軸豎梁上，利用桁架機器人在X軸、Y軸和Z軸方向上高準度的聯動來實現換筒機械手的紗架換筒精準定位。作為取換筒的末端執行機構，換筒機械手的設計是能否實現“機器換筒”的關鍵。實際生產過程中，換筒機械手應滿足以下要求：1)能適應不同內徑尺寸紗筒的穩固抓取；2)能抓取滿筒最大質量為5 kg的紗筒；3)能適應紗架A、B位的取換筒；4)能將紗筒平穩送入筒子架；5)取換筒過程中不與紗架產生干涉。根據上述要求設計的換筒機械手結構如圖4所示。

1—撐爪；2—頂桿；3—導向盤；4—剎車盤；5—撐爪座；6—驅動盤；7—齒輪；8—剎車氣缸；9—頂桿氣缸；10—翻轉座；11—旋轉座；12—翻轉氣缸；13—并聯氣缸；14—推桿。

為適應不同內徑尺寸的紗筒，設計撐爪作為紗筒抓取機構，其采用三瓣式結構，由撐爪夾緊伺服控制撐爪的伸縮來實現紗筒的抓取與釋放；為了保證5 kg紗筒的穩固抓取，配合撐爪設計了頂桿和頂桿氣缸，在紗筒抓取后將撐爪頂住，防止紗筒松動；目前使用的紗筒最大內徑約為56 mm，最小內徑約為22 mm，綜合考慮功能與強度需求，設計撐爪完全撐開后的直徑為80 mm，收攏后最大直徑為16 mm。為方便撐爪伸入內徑為22 mm的內筒，頂部采用圓錐形設計，錐度為1∶5，另外撐爪表面做螺紋磨砂處理，以增加紗筒抓取時的摩擦力，提高紗筒抓取牢固程度。通過設計旋轉座來實現換筒機械手的A、B位轉變，以適應紗架A、B位的取換筒功能；設計推桿作為紗筒送入筒子架的執行機構；預留頭線吸取機構以備后期功能擴展。

換筒機械手設計主要考慮2點：實現取換筒功能和精簡結構防止與紗架產生干涉。

2.3 換筒動作設計

利用AutoCAD軟件模擬換筒動作、測試干涉情況和驗證可行性。以最小內徑為22 mm圓錐筒為例，模擬了從右側紗架B位取滿筒，放置到左側紗架A位的過程。換筒動作具體如下：1)桁架機器人將換筒機械手運送至備紗區取筒位置，準備抓取B位紗筒；2)撐爪伸入內筒取筒，然后撐爪撐開、頂桿推出，將紗筒提升內筒半徑高度，xy方向走斜線脫離筒子架；3)y方向走直線運動，退出到主通道，將紗筒運送至用紗區；4)換筒機械手進行A、B位翻轉；5)到達換筒位置，y方向走直線運行到距離右側支架端30 mm；6)xy方向走斜線運行至距離筒子架頭部30 mm，且距離筒子架底端130 mm；7)將紗筒下降內筒半徑高度，推桿推出紗筒125 mm；8)機械手沿筒子架方向后退150 mm，最終回到主通道。

3 控制系統設計

控制系統設計分為硬件設計和軟件設計2部分，其中硬件設計由主控模塊選型與電氣設計、伺服電機選型與電氣設計兩部分組成；軟件設計包括主控模塊程序設計和觸摸屏界面設計。

3.1 硬件設計

3.1.1 主控模塊選型與電氣設計

由于換筒機械手在取換筒過程中必須支持走斜線功能，還要支持X軸機構、Y軸機構、Z軸機構、A、B位翻轉座和撐爪等機構的控制，因此選擇臺達AS300系列工業控制器作為主控模塊，該系列設備是專為自動化設備設計的高功能泛用型控制器。采用臺達自行開發的32 bit SoC CPU，可大幅提升效能，最多可擴展32臺模塊或最大1024點I/O；具有強大的定位控制功能，可同時支持最多8軸CANopen運動網絡/6軸200 kHz脈沖控制[12]，能適應紡織設備的自動化控制需求。AS320T不僅支持兩軸同步運行，能實現走斜線功能，而且成本可控。

AS320T通過控制伺服驅動器輸出脈沖來實現桁架機器人和換筒機械手的協同工作完成取換筒功能。設計X軸、Y軸、Z軸和A、B位翻轉伺服為位置控制模式，設計撐爪夾緊伺服為轉矩控制方式，并預留位置控制方式。AS320T與伺服驅動器的接線方式如圖5所示。

圖5 主控模塊接線圖

圖中S、C分別為主控模塊的電源、地公共端；X0.0～X0.7為輸入接口，主要連接開關型傳感器；Y0.0～Y0.11為輸出接口，其中Y0.0、Y0.2、Y0.4、Y0.6、Y0.8分別與X軸、Y軸、Z軸、A、B位和撐爪伺服驅動器的CA*脈沖接口連接；Y0.1、Y0.3、Y0.5、Y0.7、Y0.9分別與以上伺服的方向控制接口CB*相相連，實現伺服電動機的位置控制模式。同時撐爪夾緊伺服驅動器的CONT3和CONT4分別與Y0.10和Y0.11相連，實現扭矩的正反轉方向控制；TREF和M5與DA擴展模塊的DA+和DA-相連，通過輸出模擬量數值來控制伺服電動機的扭矩，從而控制撐爪撐開程度。

3.1.2 伺服電動機選型

伺服驅動器主要靠脈沖來定位，伺服電動機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移。而伺服電動機本身也具備發出脈沖的功能，所以伺服電動機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，從而形成閉環控制。伺服驅動器能夠精確控制電動機轉動，從而實現精準定位，準度可以達到0.001 mm，配合桁架機構能夠滿足紗架上換筒的準度要求。

伺服電動機選型原則：1)連續工作扭矩小于伺服電動機額定扭矩；2)瞬時最大扭矩小于伺服電動機最大扭矩(加速時)；3)慣量比小于電動機規定的慣量比；4)連續工作速度小于電動機額定轉速。

根據以上原則，以Z軸伺服為例，按以下步驟計算、分析與選型。

1)確定機構類型，Z軸伺服為同步帶傳動。

2)確定同步帶輪直徑D、負載質量W、最大速度Vmax、同步帶效率η、摩擦因數μ、加速時間t和安全系數h。

3)計算負載慣量JW的公式為

(1)

若減速比為i，則電動機匹配慣量JW1為

JW1=JW/i2

(2)

4)預選電動機，查表得電動機慣量Jm、扭矩T、最大扭矩Tmax，并計算慣量比JW1/Jm。

5)計算電動機額定轉速N，公式為

N=i(Vmax/πD)

(3)

6)計算移動轉矩Tf和最大轉矩Ta，公式為

(4)

(5)

式中，g為重力加速度。

7)比較轉矩，如果Tf

根據上述步驟選型的X軸、Y軸、Z軸、A、B位和撐爪伺服電動機如表1所示。

表1 伺服電機的型號及參數

由表1可知，X、Z軸伺服電動機功率≥1.5 kW采用三相220 V供電，Y軸、A、B位和撐爪≤0.75 kW采用單相220 V供電，出于安全考慮，Z軸和撐爪采用具有斷電瞬間抱閘自鎖功能的帶剎車電動機。伺服驅動器支持位置、速度和轉矩3種控制模式，可通過觸摸屏設置運行模式。其中X軸、Y軸、Z軸和A、B位伺服設為位置模式；撐爪夾緊伺服設為位置轉矩模式，默認為轉矩模式。

3.2 軟件設計

系統軟件設計包含主控模塊AS320T換筒控制程序設計以及觸摸屏DOP-107BV軟件界面設計兩部分。

3.2.1 換筒控制程序設計

主控模塊采用ISPsoft V3.07軟件設計程序，下載后可實現自動換筒，具體流程如圖6所示。

圖6 圓緯機紗架自動換筒流程

系統上電即初始化各類參數，主要包括伺服電動機的運行模式、加減速時間以及運行速度等，接著對X軸、Y軸和Z軸依次進行原點歸位，然后等待換筒命令。實際生產時，換筒命令可能來自多個通道，比如上位機調度平臺、空筒檢測系統、觸摸屏人機交互界面等。本文僅對觸摸屏人機交互界面控制換筒進行介紹，暫不涉及空筒檢測和調度問題。

當主控模塊接收換筒命令后，獲取空筒位置、A、B位以及紗筒類型等基礎信息，然后控制桁架機器人和換筒機械手到達指定紗架換筒位置，再根據紗筒類型和空筒在紗架上的位置選擇后續流程：分別為圓柱筒A位、圓柱筒B位、圓錐筒A位、圓錐筒B位。桁架機器人和換筒機械手按照換筒流程協同動作后將空筒取出，然后運行至回收區釋放空筒，再到備紗區抓取同類型的新紗筒，最后將新紗筒運送至原空筒位置，根據紗筒類型調用相應的落筒程序完成放新筒動作。其中取空筒和放新筒時，為了提高準確性和可靠性，預留了視覺偏差檢測功能接口，后期將進行深入研究。

主控模塊AS320T的程序設計按照換筒流程進行，換筒工序根據程序設定不斷循環，當滿足原點歸位條件時各軸進行原點歸位，原點歸位條件包括運行次數或運行距離達到設定值，以及上位機控制歸零等。定期原點歸位有助于消除桁架機器人和換筒機械手運行時的累計誤差，保證換筒的穩定性和可靠性。

3.2.2 觸摸屏界面設計

觸摸屏選用臺達DOP-107BW，軟件界面采用DOPSoft 4.06開發，換筒機主界面如圖7所示。

圖7 換筒機人機交互界面

如圖，左側顯示為桁架機器人、換筒機械手和紗架的工作示意圖；中間部分為功能執行按鈕，目前已實現的功能包括歸零按鈕、到標記點、取圓筒、取錐筒、爪子撐開、爪子縮回等，吸線測試、爪子停止、風機開和風機關，為后期系統升級預留了功能端口；中上側3個按鈕分別為自動運行、調試模式、急停按鈕；右側為菜單欄，包括主界面、參數設定、手動測試、報警信息和退出菜單。

觸摸屏界面設置菜單和按鈕，實現了換筒動作的調試模式和自動運行模式的切換。當按下調試模式按鈕后，再按下任意功能按鈕只執行單步動作，且動作間具有互鎖功能；按下自動運行按鈕后，再按下取圓筒或取錐筒按鈕，系統根據內置程序自動進行換筒動作，直到完整的換筒流程結束，停止工作。觸摸屏人機交互界面實現了圓柱和圓錐2種類型紗筒的換筒控制，支持參數設置、桁架速度調節、換筒次數記錄等功能。

4 實驗測試及分析

根據針織圓緯機系統設計方案、控制功能需求，以及實驗室空間環境限制等內容，項目組研制了圓緯機紗架自動換筒實驗機構，其實物圖如圖8所示。其中右側橫梁方向定義為X軸，左右方向定義為Y軸，上下方向定義為Z軸。實驗機構搭建完后，為了掌握桁架機器人的運行準度，分別對X軸、Y軸和Z軸做了輸出脈沖與行走距離的關系測試實驗，擬合出的X軸、Y軸和Z軸脈沖數與測量距離的線性關系分別如式(6)～(8)所示：

圖8 圓緯機紗架換筒機構實物圖

y1=0.295 9x1+0.038 5

(6)

y2=0.019 2x2+0.211 3

(7)

y3=0.101 9x3-0.154 7

(8)

式中:y1，y2，y3為機構行走距離，mm；x1，x2，x3為脈沖數。

將上述式子作為X軸、Y軸和Z軸輸出脈沖與行走距離的經驗公式，將脈沖數帶入各式后，計算可得到對應的行走距離，即理論距離，兩者相減后可得到誤差值，具體數據如表2所示。由表可知，X軸、Y軸和Z軸的最大誤差分別為1.8、1.0、1.6 mm，結合換筒機械手撐爪16 mm的外徑尺寸以及頭部1∶5錐度設計和紗筒最小內徑尺寸22 mm的要求，可判斷該自動換筒機構能滿足換筒定位準度要求。其中，X軸和Z軸運行誤差大于1 mm的數據組數較多，經過觀察是由于運動時振動較大導致，后面將繼續研究分析，減小誤差，提高準度。

表2 X軸、Y軸和Z軸測試數據

準度測試達標后，測試了換筒功能，由于桁架機器人空間及行程的限制，工作區和備料區的場地安排略顯緊湊，因此，測試時直接將2個功能區設置在相鄰的紗架上。

實驗過程中，未明確區分工作區和備料區。先將空圓柱筒、空圓錐筒、滿圓柱筒和滿圓錐筒分別放在外側紗架不同層的A、B位上；然后控制桁架機器人和換筒機械手依次將各類筒子抓取后放置到內側紗架對應層的A、B位上，外側紗架的筒子取完后；再將內側紗架上的所有紗筒放到外側紗架對應的A、B位上；循環往復測試抓取、放置各類紗筒的重復性和穩定性，如圖8所示。目前,兩相鄰紗架之間的換筒時間約為40 s，且每種紗筒耗時基本接近，而前面已經知道實際生產中紗筒更換允許時間為3.75 min，即使加上桁架的運送時間，自動換筒的時序也能滿足應用。

目前仍然存在一些問題，比如由于當前桁架機器人行程的限制，無法實現遠距離換筒測試；另外普通紗架采用拼裝式工藝，整體準度低，長期放置紗筒，筒子架存在下傾現象，以及放滿筒時，機械手將筒子推出至筒子架時存在振動現象，會導致紗架移位，這些都會影響后續取放筒的準確性，將繼續深入研究。

5 結束語

圓緯機紗架自動換筒實驗機構自搭建以來，對不同內徑的圓柱筒和圓錐筒進行了測試，主要包括空圓柱筒、空圓錐筒、滿圓柱筒和滿圓錐筒的抓取、搬運和放置功能，涵蓋了圓緯機實際生產取放筒的所有情況，且目前測試運行穩定、重復性良好，基本實現了模仿人工換筒的功能。通過“機器換筒、人工接頭”的方式可有效減輕工人的勞動強度，能為企業解決工資高、招工難的問題提供幫助，而且對紡織智能制造以及無人工廠的實現具有重要意義。