吳曉，李超凡，袁志剛

（武漢紡織大學(xué) 湖北省數(shù)字化紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430200）

0 引言

棉紗的用途非常廣泛，常見(jiàn)用于生產(chǎn)日常用品，例如床單、衣服、書(shū)包等[1]。在棉紗的制作過(guò)程中，有一道工序是更換棉紗的筒芯，一般都是將棉紗筒新筒芯壓入到棉紗的中心，替換原來(lái)的舊筒芯。由于需要的擠壓力很大，通常借助工裝設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)換筒芯的目的。目前，某企業(yè)通過(guò)自己開(kāi)發(fā)的換筒芯設(shè)備來(lái)完成該工藝動(dòng)作，但是該裝備每次只能更換一個(gè)棉紗筒的筒芯，并且需要大量的人工輔助動(dòng)作，生產(chǎn)效率低，安全性也得不到保障。為此，應(yīng)廠家要求設(shè)計(jì)了一套生產(chǎn)效率和安全性能高的自動(dòng)換筒芯裝置，包括棉紗輸送、換筒芯、成品棉 紗的輸送以及舊筒芯的收集等幾大部分。該裝置能較好的滿足廠家的要求，大大提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和工作安全性，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化流水線式工作要求，具有很大的推廣價(jià)值。

1 半自動(dòng)換殼機(jī)總體方案規(guī)劃

1.1 功能需求

原紗筒的中心有一個(gè)直徑110 mm 的光滑塑料筒芯，如圖1(a)所示，現(xiàn)需要用直徑65 mm 的網(wǎng)狀小筒芯替換光滑塑料筒芯，采用擠壓的工藝形式，利用小筒芯將大筒芯擠掉，得到如圖1(b)所示紗筒。目前工廠換殼機(jī)的效率為每分鐘換4 個(gè)廠家要求新 換殼機(jī)生產(chǎn)效率為每分鐘換殼12 個(gè)左右。

圖1 棉紗筒 Fig.1 Cotton yarn canister

從功能上來(lái)講，換殼機(jī)需要實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化流水線式生產(chǎn)，工人只需要把棉紗筒和新筒芯放到指定位置，機(jī)器就可以自動(dòng)識(shí)別和更換筒芯，并且將已經(jīng)換好的棉紗筒輸送到指定位置。從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，換殼機(jī)的結(jié)構(gòu)在能滿足使用要求的情況下，盡量簡(jiǎn)化，務(wù)必使其操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行通暢，安全可靠，方便維修等[2]。

1.2 總體方案概述

根據(jù)棉紗換殼機(jī)的工藝特點(diǎn)和技術(shù)需求，制訂了換殼機(jī)的工藝動(dòng)作流程，如圖2 所示。為了實(shí)現(xiàn)該工藝流程的所有動(dòng)作，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)換殼機(jī)包括棉紗筒輸送部件、棉紗筒芯輸送部件、整體輸送部件、換筒芯部件和成品輸送部件等五大部分[3-6]，其整體方案如圖3 所示。操作工人將棉紗筒和棉紗新筒芯分別放在棉紗筒輸送帶和棉紗筒芯輸送帶上，傳送帶將它們輸送到到指定位置，然后棉紗輸送部分氣缸將5 個(gè)棉紗筒頂起，此時(shí)整體輸送部分的手指氣缸將棉紗筒抓住，與此同時(shí)，機(jī)架上的漏斗下降到指定位置，棉紗新筒芯輸送部分將需要更換的筒芯推入漏斗，新筒芯通過(guò)漏斗正好掉到待更換筒芯的棉紗筒的中心位置，然后漏斗整體上移，手指氣缸沿著滑軌將棉紗筒以及新筒芯運(yùn)送到指定位置。同時(shí)，手指氣缸上的推桿將上一周期已經(jīng)換好筒芯的棉紗筒推到成品輸送帶上，并輸送到指定位置。隨后，機(jī)架下面的保壓氣缸上升托住棉紗筒，手指氣缸松開(kāi)并后退，同時(shí)，保壓氣缸緩慢下移，使棉紗筒平穩(wěn)的落到指定工位，壓機(jī)開(kāi)始工作，完成換殼動(dòng)作，被擠出的舊筒芯則通過(guò)漏斗滑到指定位置。

圖2 換殼機(jī)工藝動(dòng)作流程圖 Fig.2 Process action flow chart of shell changing machine

圖3 半自動(dòng)換殼機(jī)總體方案 Fig.3 General scheme of semi-automatic shell changer

2 核心部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 棉紗筒輸送部分設(shè)計(jì)

圖4 是棉紗筒輸送部分[7-8]，其作用是將棉紗筒輸送到指定位置。主要由以下結(jié)構(gòu)組成：傳送帶V1、傳送帶V2、過(guò)渡支撐板、對(duì)射傳感器、限位板、頂尖法蘭、阻擋氣缸以及頂起氣缸等。

本方案設(shè)計(jì)中，要求一次實(shí)現(xiàn)5 個(gè)棉紗筒的換芯動(dòng)作，整體輸送部分需要將棉紗筒輸送到指定位置后頂起，然后由5 個(gè)HFT 的手指氣缸抓住棉紗筒送至換筒工位。因此，輸送過(guò)程中對(duì)棉紗筒的位置精度要求較高。

圖4 筒紗輸送部分 Fig.4 Cotton drum conveyor components

5 個(gè)并排的換筒工位之間必須保持一定的距離，由于輸送皮帶起始位置的棉紗筒是人工隨手?jǐn)[放的，并且最好是一個(gè)挨一個(gè)擺放，而輸送帶的另一端，需要將棉紗筒按照換筒工位之間的距離分 開(kāi)，為解決該問(wèn)題，輸送部分采用兩段不同速度的傳送帶，設(shè)前一段傳送帶速度為V1，后一段傳動(dòng)帶速度為V2。通過(guò)設(shè)置不同的速度V1、V2來(lái)對(duì)第二條皮帶上的棉紗筒進(jìn)行初步分距，利用阻擋氣缸進(jìn)行粗定位，然后利用頂尖法蘭的錐面進(jìn)行精確定位。在前一段皮帶上的兩個(gè)相連紗筒之間的距離S（1即為棉紗筒的直徑），而第二條皮帶上相鄰兩棉紗筒之間的距離S2應(yīng)為換筒工位之間的距離，由于 S2= V2* S1/ V1，而同一批棉紗筒的外徑相差不大，可認(rèn)為S1恒定，所以實(shí)際運(yùn)行中通過(guò)控制兩條皮帶的輸送速度V1、V2，即可對(duì)棉筒紗做出一個(gè)初步定位。

綜上所述，棉紗筒輸送部分采用的是兩條皮帶，在實(shí)際中，兩皮帶的對(duì)接處會(huì)存在一定的間隙，如果不采取任何措施，則筒紗被輸送到這個(gè)間隙的位置時(shí)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，甚至傾倒。為此，本方案在兩皮帶連接處設(shè)置過(guò)度支撐板，如圖5 所示，設(shè)兩傳送帶帶輪軸的中心距離是S1，傳送帶1 和傳送帶2半徑均為R1，設(shè)過(guò)渡支撐板寬度為L(zhǎng)1，過(guò)渡部分的間隙為S2，棉紗筒外徑為R2，棉紗筒舊芯半徑為R3，最長(zhǎng)受力截距為2L2。

圖5 兩皮帶過(guò)渡位置 Fig.5 Transition position of two belts

由上圖可得：

設(shè)計(jì)中R1=30，R2=75，R3=55，L1=2，S1=80，代入上式可知，L2≈50，S2≈11，即L2＞S2。當(dāng)L2大于S2的時(shí)候，即棉紗筒就可以平穩(wěn)過(guò)渡。由上式計(jì)算得出L2是遠(yuǎn)大于S2。即在紗筒輸送過(guò)渡過(guò)程中，棉紗筒能夠平穩(wěn)過(guò)渡到第二條傳送帶。過(guò)渡支撐板上面的摩擦系數(shù)應(yīng)該盡可能小，方便棉紗筒平穩(wěn)通過(guò)。當(dāng)棉紗筒運(yùn)動(dòng)到過(guò)渡支撐板位置時(shí)，如圖5 所示，有距離為S1的間隙，在這段皮帶中傳送帶不能夠?yàn)榧喭蔡峁┹斔蛣?dòng)力，因此這里的棉紗筒要靠前面的棉紗筒提供推力以及棉紗筒自身的動(dòng)能來(lái)通過(guò)。

2.2 棉紗筒和筒殼對(duì)中設(shè)計(jì)

從圖6 中我們可以看出，棉紗筒芯要與棉紗筒完成對(duì)中，則需要兩個(gè)條件：①棉紗筒定位準(zhǔn)確；②新筒芯能夠落入到棉紗筒中去。棉紗筒的輸送皮帶已經(jīng)對(duì)棉紗筒進(jìn)行了一個(gè)初定位，然后由頂起裝置將棉紗筒頂起，而頂起法蘭上設(shè)計(jì)有錐面（見(jiàn)圖4），以方便利用該錐面和舊筒芯的孔內(nèi)進(jìn)行精確定位。當(dāng)?shù)诙l皮帶上的五個(gè)棉紗筒達(dá)到指定位置后，該皮帶停止，頂起法蘭通過(guò)氣缸將棉紗筒頂起，HFT 手指氣缸將棉紗筒抓住，同時(shí)棉紗筒上方的漏斗下降到指定位置，這時(shí)候，新筒芯傳送帶上的氣缸將新筒芯推入漏斗中，通過(guò)漏斗落入棉紗筒的中心，此時(shí)棉紗筒對(duì)中就結(jié)束了。

圖6 棉紗筒和新筒芯對(duì)中位置圖 Fig. 6 Centering graph of cotton yarn canister and new drum core

3 關(guān)鍵部位有限元受力分析

該裝置是一次同時(shí)對(duì)五個(gè)棉紗筒進(jìn)行壓殼換芯，如圖7 所示，在氣缸壓下進(jìn)行換殼的時(shí)候，氣缸梁受到的彎矩很大，容易發(fā)生塑性變形而失效，或者由于過(guò)大的彈性變形而導(dǎo)致各個(gè)工件受力不均，影響紗筒質(zhì)量。因此，氣缸梁是本裝置的關(guān)鍵零件，本文對(duì)其受力情況進(jìn)行了有限元分析，以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9-11]。

圖7 氣缸位置圖 Fig.7 Cylinder position diagram

圖8 工字鋼受力分析圖 Fig.8 Force analysis diagram of I-beam

本設(shè)計(jì)中，選擇10 號(hào)工字鋼作為氣缸梁，工字鋼的長(zhǎng)度是1550 mm，材質(zhì)為Q235 鋼，其屈服極限為235 MPa ?，F(xiàn)在設(shè)置彈性模量為2.1X1011N/m2，泊松比為0.33。在工作過(guò)程中，該梁受到15KN 的靜載荷，選用四面體網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后運(yùn)行算例得到的結(jié)果如圖8 所示。取安全系數(shù)為1.5，分析所得到的最大應(yīng)力為135 MPa，小于屈服極限，滿足強(qiáng)度要求。另外，分析得到工字鋼的最大彈性變形量（擾度）為0.522 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。故選用10 號(hào)工字鋼是可以同時(shí)滿足強(qiáng)度和剛度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

該半自動(dòng)換殼裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、操作方便舒適。維修方便，造價(jià)便宜，可針對(duì)不同的筒紗直徑進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改造，大大提高了筒紗換殼效率，適合流水線式生產(chǎn)，同時(shí)也具有很大的推廣價(jià)值。