北京眾仁智杰科技發(fā)展有限公司 畢麗蘊 劉廣喜/文

產(chǎn)品開發(fā)

一種粗紗機自動落紗機器人

北京眾仁智杰科技發(fā)展有限公司 畢麗蘊 劉廣喜/文

關鍵詞：粗紗機 自動落紗 時序 控制系統(tǒng)

1. 引言

目前，帶有自動落紗系統(tǒng)的粗紗機已不鮮見，但各粗紗機生產(chǎn)商的自動落紗系統(tǒng)完全是為各自所生產(chǎn)的粗紗機定制的配套系統(tǒng)。而且，與標準的獨立粗紗機相比，帶有自動落紗系統(tǒng)的粗紗機機械結構發(fā)生了很大改動，以適應自動落紗系統(tǒng)的需求。也就是說，帶有自動落紗系統(tǒng)的粗紗機是一種全新的紡機設備，其自動落紗系統(tǒng)與已經(jīng)裝機的普通粗紗機沒有兼容性。

無錐輪的粗紗機自2000年進入市場以來，已經(jīng)成為紡織廠的首選機型，到2012年之前，市場銷售國產(chǎn)粗紗機都是不帶自動落紗系統(tǒng)的。因此，目前紡織廠運轉的粗紗機絕大多數(shù)不具備自動落紗系統(tǒng)。

基于上述兩個方面的現(xiàn)狀，雖然目前的粗細絡聯(lián)自動生產(chǎn)線技術已經(jīng)成熟，在新建工廠也容易實現(xiàn)，但是對于紡紗設備使用年限還不長、生產(chǎn)工藝先進、產(chǎn)品質量較高的紡紗企業(yè)而言，實現(xiàn)粗細絡聯(lián)還有許多工作要做。近幾年，細紗機短車自動落紗及粗細聯(lián)的研發(fā)工作取得了很大成果，也已經(jīng)有不少成功案例，但對現(xiàn)有粗紗機配套自動落紗系統(tǒng)的研制卻較少見。為此，基于對粗紗機設計和粗紗工藝的充分理解，研發(fā)人員設計了全新的粗紗機自動落紗機器人。該自動落紗機器人可以在不改變粗紗機結構的前提下，與已裝機運行的粗紗機配套使用，達到節(jié)約人工成本，提高生產(chǎn)效率的目的。

2. 總體結構

粗紗機自動落紗機器人的總體結構如圖1所示。粗紗機自動落紗機器人從功能上可以分為5大部分，分別是：行走系統(tǒng)、取放機械手、滿紗吊裝機械手、空管輸送系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)。各個部分之間既相對獨立又相互關聯(lián)，通過網(wǎng)絡信息交互構成細化的時序、交叉、關聯(lián)控制系統(tǒng)，使粗紗機自動落紗機器人能夠實現(xiàn)有效、準確、快速的落紗操作。

圖1 粗紗機自動落紗機器人總體結構

3. 落紗時序分析

粗紗機落紗停機時間是重要的粗紗工藝參數(shù)，因此必須精確控制落紗機器人的落紗動作，根據(jù)落紗機器人的功能結構和控制組合，對落紗部分進行動作節(jié)拍分析，優(yōu)化控制，縮短落紗停機時間。圖2 為粗紗機自動落紗機器人工作時序圖，橫軸時間以秒為單位，整個完整落紗循環(huán)所用時間為240秒。

圖2 粗紗機自動落紗機器人工作時序圖

對照粗紗機自動落紗機器人工作時序圖對落紗動作進行節(jié)拍分析如下：

0. 機器人移動到起始位置，（10s）；

1. 取放機械手抬起到位置1，同時取放機械手旋轉90度，（0.5s）；

2. 取放機械手推出，（0.5s）；

3. 取放機械手落下到位置0，（0.5s）；

4. 取放機械手漲緊，（0.5s）；

5. 取放機械手抬起到位置1，（0.5s）；

6. 取放機械手退回，（0.5s）；

7. 取放機械手回旋90度，同時取放機械手抬起到位置3，（0.5s）；

8. 取放機械手推出，（0.5s），同時空管開始進入位置；

9. 取放機械手松開，同時滿紗托盤上升到位置1，（0.5s）；

10. 滿紗托盤下降到位置0，（0.5s）；

11. 取放機械手退回，（0.5s），空管進入位置完成；

12. 取放機械手落下到位置2，（0.5s），同時滿紗托盤上升到位置2，（1s）；

13. 取放機械手漲緊，（0.5s）；

14. 取放機械手抬起到位置3，（0.5s）；

15. 取放機械手旋轉90度，（0.5s），同時空管托盤開始退出；吊裝機械手開始工作；

16. 取放機械手落下到位置1，（0.5s）；

17. 取放機械手推出，（0.5s）；

18. 取放機械手落下到位置0，（0.5s）；

19. 取放機械手松開，（0.5s）；

20. 取放機械手抬起到位置1，（0.5s），吊裝機械手結束工作，空托盤推出結束，滿紗托盤退回到位置0開始；機器人移動到下一位置（2s），重復步驟2-19，共19次；

21. 夾具退回，（0.5s）；

22. 夾具回旋90度，同時夾具落下到位置0，（0.5s）；

23. 機器人移動到停放位置，（10s）。

落紗步驟2到20所需時間為9.0s，120錠粗紗機需要重復20次共需時間180s；在落紗期間機器人移動19次，共需時間38s；夾具起始到位所需時間（即步驟0到2）11.0s；夾具返回停放位置時間（即步驟21至23）11.0s；這樣整個落紗所需時間為：240s（4.0min）。

目前市場上幾種粗紗機自動落紗機型及其落紗時間如表1所示。對比表1中的粗紗機自動落紗系統(tǒng)落紗用時，本文所設計的落紗機器人在落紗時間上具備一定的優(yōu)勢。

表1 粗紗機自動落紗機型及其落紗時間

4. 控制系統(tǒng)

為了完成自動落紗功能并實現(xiàn)前述的準確時序，一套完整的驅動控制系統(tǒng)是該設備的關鍵。粗紗機落紗機器人的控制系統(tǒng)可分為六個部分：主控系統(tǒng)、行走控制、取放機械手控制、吊裝機械手控制、空管輸入控制和滿紗輸送控制。粗紗機自動落紗機器人控制系統(tǒng)框圖詳見圖3。

圖3 粗紗機自動落紗機器人控制系統(tǒng)框圖

下面，本文將分述每個部分的系統(tǒng)配置和功能。

4.1 主控系統(tǒng)

由嵌入式工控機、觸摸屏和PLC構成，通過人機界面實現(xiàn)了人機對話；通過現(xiàn)場總線與其它五個部分進行信息交換；采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫方式存儲，實現(xiàn)在線故障診斷、查詢和統(tǒng)計分析。通過互聯(lián)網(wǎng)，可實現(xiàn)設備參數(shù)的遠程監(jiān)控和故障遠程診斷。

4.2 行走控制

由PLC、伺服驅動、傳感器等構成，PLC通過現(xiàn)場總線與主控系統(tǒng)進行信息交換。伺服驅動以位置控制模式工作，由PLC控制啟動，按照設定的步幅自動到位。每個步幅可以現(xiàn)場調(diào)整、修改，控制框圖見圖4 。

圖4 行走控制系統(tǒng)框圖

以120錠粗紗機為例，在落紗停車過程中，落紗機器人需要行走19次、完成20次落紗操作。因此每次行走的定位精度對機器人準確完成操作至關重要；同時，行走用時是決定落紗機器人性能、效率指標的關鍵參數(shù)。從今后現(xiàn)場施工和應用（一配多）的角度考慮，行走軌道采用工字鋼搭建，驅動輪由伺服電機驅動。伺服驅動系統(tǒng)采用位置控制模式，以保證每段行走的位置精度。

保證位置精度的關鍵是避免驅動輪與軌道之間的滑動位移，尤其在機器人啟動和停止過程中，因此慢起、緩停是保證位置精度的最佳選擇，與其相矛盾的是我們要最大限度的減少落紗停機時間，因此如何在保證控制精度的條件下，提高運動速度、縮短各個環(huán)節(jié)的用時是設計關鍵。所以給伺服控制系統(tǒng)設置最優(yōu)的加速、減速參數(shù)是關鍵工作。

我們通過下面的計算來確定加減速參數(shù)：

加減速過程中，影響驅動輪旋轉的主要受力是伺服電機傳遞的扭矩和軌道摩擦施加給驅動輪的轉矩，忽略其它阻力的影響，驅動輪受力圖如圖5所示，

圖5 行走驅動輪受力圖

驅動輪的動力學方程如下：

其中：FX=μ·N

式中：

I —等效到驅動輪上的轉動慣量；

R —驅動輪滾動半徑；

ω —驅動輪轉速；

M d —伺服電機傳給驅動輪的驅動扭矩；

μ—輪軌之間摩擦系數(shù)；

N —驅動輪載荷；

V—機器人速度；

Fz —軌道支撐力；

Fx —驅動輪的水平力；

Fp —驅動輪軸的水平力；

m —驅動輪質量。

等效驅動慣量公式：

驅動輪受到的扭矩：

式中：Is 為伺服電機的轉動慣量；

I0為減速器的轉動慣量；

Iw 為驅動輪的轉動慣量；

Me 為伺服電機的輸出扭矩。

通過公式推導可以得到伺服控制器所需的加減速參數(shù)：

在實際控制中，啟動時伺服加速度要克服機器人的靜摩擦力Fx，此時μ為靜摩擦系數(shù)；而停止時伺服加速度要克服機器人的慣力Fp和摩擦力Fx，此時μ為動摩擦系數(shù)，因此行走啟動時和停止時，驅動伺服電機的加速度參數(shù)是不同的。

4.3 取放機械手控制

由PLC、伺服驅動、氣動元件、傳感器等構成，PLC通過現(xiàn)場總線與主控系統(tǒng)進行信息交換。三維空間位置控制由三臺伺服電機實現(xiàn)，伺服驅動以位置控制模式工作，各個伺服由PLC控制啟動，按照各自設定的步幅、角度自動控制到位。每個步幅、角度可以現(xiàn)場調(diào)整、修改，傳感器保護監(jiān)測。控制框圖見圖6。

圖6 取放機械手控制系統(tǒng)

取放機械手的運動速度決定了落紗機器人的核心性能，它反映了落紗機器人的工作效率與生產(chǎn)水平。取放機械手的運動速度越高，則工作效率和生產(chǎn)水平越高；但速度越高，機械手運動過程中啟動和制動時產(chǎn)生的沖擊和振動就越大，對機械手的定位精度的要求就越高。其程序控制流程圖見圖7。

圖7 取放機械手程序控制流程圖

4.4 空管輸入控制

由PLC、電機驅動、氣動元件、傳感器等構成，PLC通過現(xiàn)場總線與主控系統(tǒng)進行信息交換。控制流程由筒管托盤運送、空筒管喂入、空筒管排位組成，相互之間的動作配合根據(jù)各個位置傳感器的反饋進行協(xié)調(diào)實現(xiàn)。控制框圖見圖8。

圖8 筒管托盤運送系統(tǒng)框圖

筒管托盤運送由封閉成環(huán)狀的軌道構成，在軌道上安裝滾軸，滾軸由電機拖動，筒管托盤在滾軸上運動，運動方向由氣缸控制的導向門和推桿控制，位置控制也由氣缸實現(xiàn)。為保證落紗的效率，在落紗機器人工作期間，筒管托盤運送保持運轉狀態(tài)。

空筒管喂入程序控制流程圖見圖9。在空管喂入位置上由一只氣缸控制，氣缸推出時筒管托盤被擋住，此時筒管托盤到位傳感器有信號，同時在較高位置的空筒管探測傳感器沒有信號，以上兩個條件滿足后，空筒管喂入氣缸動作打開門擋，往筒管托盤上喂入一只空筒管，此時空筒管探測傳感器有信號，如果空筒管存儲區(qū)沒滿，該筒管托盤放行，重復喂入筒管。

圖9 空筒管喂入流程圖

空筒管按照粗紗機上相鄰6個筒管的位置排列，以方便取放機械手抓取空筒管。該階段控制程序流程圖見圖10。首先抬起前、后排出口阻擋器，關閉輸入和輸出導向門，放行三個筒管進入后排，然后停止放行；打開輸入導向門，再放行三個筒管進入前排，停止筒管放行，輸出筒管排列完成信號；當筒管被取走后，縮回后排出口阻擋器，將后排的筒管托盤放出，然后打開出口阻擋器，縮回前排出口阻擋器，將前排的筒管托盤放出，筒管軌道輸送到空筒喂入工位。

圖10 空筒管排列控制流程圖

4.5 吊裝機械手控制

由PLC、伺服驅動、氣動元件、傳感器等構成，PLC通過現(xiàn)場總線與主控系統(tǒng)進行信息交換。伺服驅動以位置控制模式工作，各個伺服由PLC控制啟動，按照各自設定的步幅、角度自動控制到位。每個步幅、角度可以現(xiàn)場調(diào)整、修改，傳感器保護監(jiān)測。控制框圖見圖11。

圖11 吊裝機械手系統(tǒng)框圖

該單元內(nèi)的升降平臺將取放機械手抓取的粗紗筒運送到吊裝機械手的操作工位，只是完成位置控制，由一臺以位置控制模式工作的伺服電機控制即可實現(xiàn)；吊裝機械手的握持器由氣動驅動，伺服實現(xiàn)吊裝的位置控制。

5. 結論

粗紗機自動落紗機器人可以提高落紗效率，降低人工勞動強度，具有很大的市場需求。粗紗機自動落紗機器人控制系統(tǒng)采用成熟的控制技術，可以實現(xiàn)準確、高效，將極大提高紡織工廠生產(chǎn)自動化程度和經(jīng)濟效益。