自動穿經機上軸車改造設計

李進　方楚橋　王紹祥　吳曉

摘要：某紡織企業穿綜車間是通過人工推動上軸車來實現對經軸的轉運，由于上軸車和經軸的體積和質量大，導致操作工人勞動強度大，工作效率低。應企業要求，提出了一套上軸車的驅動機構改造設計方案。通過現場考察和對設計要求的分析，運用三維軟件繪制出總體的改造設計方案，并根據受力狀態計算確定驅動機構中的氣缸和驅動電機的型號，完成上軸車的改造。結果表明：改造后的上軸車通過氣彈簧減震和主從動切換兩種功能，實現了在車間內對經軸的靈活轉運，且能適應不同的車間環境，運行效果良好，

減少了車間生產成本和工人的工作強度，提高了工作效率。

關鍵詞：自動穿經機；上軸車；經軸；驅動機構；改造

中圖分類號：TP23????? 文獻標志碼：A?? 文章編號：2097-2911-（2023）02-0090-07

Reconstruction Design of Upper Axle Trolley of AutomaticDrawing-in Machine

LIJin，FANG Chuqiao，WANG Shaoxiang，WU Xiao

（School of Mechanical Engineering and Automation， Wuhan Textile University，Wuhan， 430200）

Abstract：The upper axle trolley were pushed manually to transport the warp beamin a heddle-in workshop of a textile enterprise. The large volume and mass of the upper axle trolley and the warp beam led to high labor inten- sity and low work efficiency of operators. As required by the enterprise，a set of design scheme for the transfor- mation of the upper axle trolley driving mechanism was proposed. Through site investigation and analysis of de- sign requirements， the overall reconstruction design scheme was drawn by using 3D software， and the model of cylinder and motor in the driving mechanism were determined by force state calculation to complete the trans- formation of the upper axle trolley. The result indicates that the modified upper axle trolley has two functions of air spring shock absorption and master-slave dynamic switching， which realizes the flexible transfer of the warp shaft in the workshop， and can adapt to different workshop environment.The operation effect is good， workshop production cost and workers workload are reduced， and the working efficiency is improved.

Keywords：automatic drawing-in machine；upper axle trolley；warp beam；driving mechanism；transformation

在織布工藝過程中，從紗線到織物，需經過絡筒、整經、漿紗、穿經、織造、整理等多道工藝[1]，其中穿經就是將經紗按工藝要求穿好停經片、綜絲、鋼筘[2-4]。這道工序占用人工較多，隨著市場競爭的日益激烈，現代紡織行業自動化程度的不斷提高，越來越多的紡織廠采用自動穿經機來代替人工[5-6]。自動穿經機工作前，需要按照要求將滿紗經軸上機才能進行相關工藝，之后還要將穿好綜、筘的經軸運輸到織機上進行下一步工藝，而上軸車就起到運輸經軸的作用[7-9]。目前某企業的自動穿經機上軸車是由人工推動的無動力車。但經軸和上軸車的體積以及重量過大，車間內活動空間有限，人工推動勞動強度高，效率低[10-11]。本文針對該問題對上軸車進行了自動化改造，使其根據需要進行動力切換，不僅能在車間內任意行走，還減少車間工人的工作強度，提高生產效率。

1總體設計

1.1設計要求

根據現場條件和生產情況，本次上軸車

的改造設計應滿足以下要求：首先，滿足主、從動切換要求。上軸車在聯上穿經機之前作為有動力小車，在車間拖動經軸自由運行；當經軸上機后，上軸車切換為無動力小車沿穿經機的銜接軌道行走。其次，對車間環境的適應性要求。由于經軸和上軸車的重量大，上軸車作為動力車時，必須確保遇到凹凸不平的地面時仍具有足夠的抓地力（現有車間地面的平整性不好）；上軸車還必須行走靈活，以適應車間相對狹小的運行空間，車間、設備平面布局示意圖如圖1所示。最后，運行操作要求。上軸車可利用控制面板按鈕操作，也可用遠程遙控操作。

1.2改造方案

1.2.1總體方案

由上述設計要求可知，本次改造的主要任務是給上軸車設計一套驅動機構，為其提供動力，并且要求操作靈活、可主從動切換、作為主動時，保證足夠抓地力。現有上軸車是一個門式結構，外形尺寸和重量都比較大[12]。為保證運行穩定、靈活，本方案采用六輪行走機構，門架兩個立柱下端分別設置兩個萬向輪和一個 AGV 舵輪，由舵輪作為主動輪，帶動上軸車運動，如圖2所示[13]。門架下方需要裝載經軸，兩主動輪之間無法采用主軸聯接，因此，本方案選擇兩個獨立的主動輪單獨驅動，通過電控系統控制兩主動輪的轉速和轉動方向，以實現靈活的直線行走、轉彎等各種運動。

1.2.2驅動機構設計方案

上軸車的驅動機構如圖3所示，主要包括氣缸、導軌滑塊、轉向電機、舵輪、驅動電機、電箱，該機構使上軸車具有主、從動兩種運動狀態切換功能。當需要上軸車主動運輸時，通過氣缸向下伸出，使AGV舵輪壓緊地面，轉向電機和驅動電機分別賦予舵輪轉向和驅動動力。此時，上軸車可沿Y軸方向直線行走，通過調整兩個舵輪的轉速差可實現上軸車的轉彎；由轉向電機控制舵輪旋轉90°后，上軸車可沿X軸方向行走。當需要上軸車從動運行時（上軸車與穿經機聯接后或者空載人工推行），氣缸向上提起AGV舵輪，使其懸空，此時只有無動力的萬向輪與地面接觸。

1.2.3控制系統

驅動機構的控制系統主要包括：遙控器、控制面板、遙控接收器、主控制模塊、供電模塊、電機驅動模塊等，硬件組成框圖如圖4所示。該系統中主控制模塊負責控制電機的各種工作狀態，通過調整兩輪的速度差來實現上軸車的全方位移動。首先由控制面板或遙控器向主控制模塊發送運動命令，在接到命令后主控制模塊通過算法計算，得出舵輪需要轉動的角度以及行駛速度，并將命令發送給驅動器，驅動器再控制電機驅動舵輪完成指定的運動。驅動機構的控制系統流程圖如圖5所示。供電模塊用于為電機、控制器和其它電子元器件提供穩定的電源。

2電氣設備的計算與選型

2.1上軸車力學分析與氣缸選型

2.1.1上軸車力學分析

由上文的結構設計可知，上軸車處于主動工作狀態時，驅動機構中的氣缸對舵輪施加推力，使其一直壓緊地面，且氣缸具有氣彈簧的功能，即使通過凹凸不平的路面時，上軸車仍有足夠的抓地力。舵輪給地面的正壓力是由舵輪的自重加上氣缸的推力組成，為使上軸車在主動運輸時兩個舵輪能帶動設備運動，需要計算氣缸施加給舵輪的推力，選擇合適的氣缸，確保整個驅動機構能提供足夠的驅動力；同時為避免上軸車做主動運動時四個萬向輪處于懸空狀態，氣缸對舵輪的推力不能過大；另外，上軸車做從動運動時要確保氣缸的拉力能收起舵輪使其懸空。

這里首先選擇上軸車進行受力分析。上軸車受到自身重力、地面的支撐力、地面對車輪的摩擦力以及經軸的拉力共同作用，如圖6所示，

列出力的平衡方程如下：

為避免四個萬向輪處于懸空狀態，必須有：

式中，F 是地面對舵輪向前的摩擦力，即驅動力； Ff1為地面對上軸車萬向輪向后的摩擦力；F拉為經軸對上軸車的拉力；?為摩擦系數；FN1為地面對上軸車萬向輪的作用力；W 為上軸車總重量； F0為地面對上軸車舵輪的支撐力。

再對經軸受力分析得：

式中，Ff2為地面對經軸的摩擦力；FN2為地面對經軸的支撐力。

而驅動力 F 與氣缸對舵輪施加的壓力相關，對舵輪進行受力分析可得：

式中，G 為舵輪整機的重力；F汽為氣缸對舵輪施加的推力。

聯立（1）（2）（3）（4）式可得：

取上軸車總重量 W 為15000 N，滿紗經軸總重量 FN2為6000 N，舵輪整機重量 G 為460 N，摩擦系數μ為0.05，代入式（5）計算得F汽=6540 N且 F 汽<7040 N，這是上軸車受到最大靜摩擦力時氣缸需要施加的推力，即要使得上軸車能夠運動，氣缸對舵輪施加的推力要大于6540 N，且小于7040 N，對舵輪的拉力要大于460 N。

2.1.2氣缸選型

由設計要求可知，圖3中的氣缸在上軸車進行主動運動時要對舵輪施加豎直向下的推力，同時為避免地面對舵輪的支撐力過大使得上軸車的從動輪懸空，還需要限制氣缸的最大推力。根據上文計算的推力值，在選擇合適的缸徑和行程后，初步確定氣缸的型號，最后要計算出氣缸的拉力來驗證該氣缸滿足設計要求。

根據氣缸壓力計算公式[14]可得：

氣缸理論拉力：

式中：D為缸徑；d為活塞桿直徑；P為氣缸的工作氣壓。

在實際運算過程中還需要考慮氣缸的負載率。負載率η的選取與氣缸的運動狀態有關，在本設計中，氣缸是垂直安裝的，屬于靜負載（低速壓緊），因此取負載率η=0.7[15-16]。則

氣缸實際推力：

氣缸實際拉力：

取氣缸工作氣壓 P 為0.5 MPa，F3分別取6540 N和7040 N，代入式（8）中，可得氣缸缸徑D 最少為154.28 mm，最大為160.07 mm。

綜合考慮后，選取型號為 SC160×75的標準氣缸，該氣缸的缸徑 D=160 mm，活塞桿直徑 d=40 mm，行程為75 mm 。再將上述數據代入式（8）、（9）中，得 F3=7033.6 N，F4=6594 N，即氣缸施加的拉力大于舵輪總重量，該氣缸符合要求。

2.2驅動電機選型

由設計要求可知，圖3中的電機通過輸出扭矩來驅動 AGV 舵輪的旋轉以帶動上軸車運動，配合轉向電機實現橫向移動，同時電機要具備頻繁換向、啟停和立即制動等功能，因此初步確定選擇直流無刷電機作為驅動電機。另外本設計中采用兩個獨立的電機分別控制兩個舵輪，這樣可以利用舵輪速度差來實現上軸車的轉彎。

根據驅動電機轉速公式[17]：

式中，v為運動速度；i為減速比；d為舵輪直徑。

設置上軸車運動速度v為1m/s，減速比i為25：1，舵輪直徑d為250mm，代入上式得轉速n=1910.8 r/min。

驅動電機扭矩公式[18]：

式中，η′為機械效率。

根據式（4）計算得到驅動力F=374.68 N，機械效率取0.9[19]，代入上式計算得扭矩T=2.08156N?M。

功率計算公式：

將上文所求扭矩與轉速代入上式得P=0.42 kw。

綜合考慮后，本設計方案采用的驅動電機為80DH650-48V-30B 規格的直流無刷電機。直流無刷電機具備啟動力矩大、有一定的過載能力、無級調速、噪音小等優點，并且通過模擬量進行控制，可以實現電機的頻繁換向、啟停和立即制動等功能[20]，具體參數如表1所示。

3結論

本文根據某企業需求對自動穿經機上軸車進行自動化改造，為上軸車設計了一套驅動機構，由電機驅動上軸車運動，并通過受力分析確定了關鍵電氣設備的型號，使上軸車具備主動性和從動性切換功能，而且車輪由于氣彈簧的作用還有很強的抓地力，能適應不同的車間環境，滿足該企業紡織車間的工作需求。試用結果表明，本設計有效降低了車間工人勞動強度和提高了工作效率。

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（責任編輯：胥朝陽）