數(shù)字化縱植機(jī)與工藝設(shè)計(jì)

姜立新，尹冬冬，陸前明

（金輪科創(chuàng)股份有限公司，江蘇 南通 226009）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外彈性帶條針布制造廠所用的縱植機(jī)都是由一臺(tái)0.75kW的電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，帶動(dòng)凸輪軸的皮帶盤傳動(dòng)其上的凸輪完成動(dòng)作來滿足制作帶條針布的需要。屬于單輸入多輸出類純機(jī)械設(shè)備，各類動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)全部由機(jī)械控制完成，產(chǎn)品調(diào)配、機(jī)件加工困難、復(fù)雜。為了適應(yīng)彈性帶條針布調(diào)整的多樣化，對(duì)縱植機(jī)進(jìn)行數(shù)字化改進(jìn)，使其具有良好的柔性和靈活性，同時(shí)解決了生產(chǎn)難題。

1 設(shè)計(jì)思路

本次縱植機(jī)數(shù)字化改進(jìn)在國(guó)內(nèi)外尚屬首例，無任何相關(guān)技術(shù)可借鑒。我們計(jì)劃主要從3個(gè)方面進(jìn)行數(shù)字化改造：① 凸輪主軸的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)；② 橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)；③ 提升機(jī)構(gòu)的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)。

2 基本結(jié)構(gòu)

2.1 取消主軸飛輪、凸輪軸的皮帶盤和交流電機(jī)等傳動(dòng)部件，主軸選用伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)凸輪軸。

2.2 取消級(jí)輪、軋頭和滑動(dòng)主滑桿等橫動(dòng)部件，采用伺服電機(jī)結(jié)合滾珠絲杠副進(jìn)行底布橫動(dòng)傳動(dòng)控制。

2.3 取消角輪、提升棘輪、三眼盤和卷布羅拉等提升部件，采用伺服電機(jī)結(jié)合橫動(dòng)花鍵副進(jìn)行底布上升傳動(dòng)控制。

3 設(shè)計(jì)過程

3.1 凸輪主軸

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制提升和橫移動(dòng)作，必須清楚凸輪主軸的相位。在凸輪軸的端部安裝一套伺服減速電機(jī)，直接帶動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)，原凸輪軸上各凸輪的功能分配見圖1。

圖1 凸輪功能分配

為了驅(qū)動(dòng)凸輪軸，實(shí)現(xiàn)可靠的植針動(dòng)作，伺服系統(tǒng)必須能可靠地驅(qū)動(dòng)飛輪。飛輪總質(zhì)量22kg，直徑350mm，額定轉(zhuǎn)速300r/min；飛輪從靜止到額定速度時(shí)間為2s；凸輪軸（含凸輪）重約10kg，直徑約60mm；由于作用在凸輪軸上的裝置較多，將其統(tǒng)一換算集中到飛輪上面，所以飛輪可視為一個(gè)重50kg、直徑350mm的圓盤來進(jìn)行計(jì)算。

飛輪的角加速度：

飛輪慣量：

驅(qū)動(dòng)飛輪所需扭矩：

驅(qū)動(dòng)飛輪所需功率：

式（1）～（4）中：

ωa——角加速度/（rad·s-2）；

ω0——從靜止到額定速度之差/（r·min-1）；

t1——飛輪從靜止到額定速度時(shí)間之差/s；

J1——飛輪慣量/（kg·m2）；

G1——飛輪重力/N；

D1——飛輪直徑/m；

g——重力加速度常數(shù)；

T1——驅(qū)動(dòng)飛輪所需扭矩/（N·m）；

P1——驅(qū)動(dòng)飛輪所需功率/kW；

n1——飛輪的額定轉(zhuǎn)速/（r·min-1）。

3.2 橫向移動(dòng)

3.2.1 結(jié)構(gòu)改造

要實(shí)現(xiàn)縱植機(jī)橫向植針和縱向植針的數(shù)字化控制，必須對(duì)橫向移動(dòng)和底布提升部件進(jìn)行數(shù)字化改造。取消原級(jí)輪橫向組合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的方式，由伺服電機(jī)配減速器驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，通過專用彈性聯(lián)軸器和編碼器，向驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿的伺服電機(jī)配減速器發(fā)出速度或角度信號(hào)跟進(jìn)；同時(shí)經(jīng)PLC控制，驅(qū)動(dòng)帶花鍵副卷布軸的伺服電機(jī)配減速器，提升底布運(yùn)動(dòng)。

縱植機(jī)橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)由級(jí)輪傳動(dòng)改為滾珠絲桿副傳動(dòng)。利用滾珠絲桿副可滿足縱植機(jī)生產(chǎn)帶條針布橫向針尖距0.3mm～1.5mm的要求，保留橫動(dòng)主滑桿，用滾珠絲桿代替級(jí)輪，優(yōu)化橫動(dòng)碰擊部件，使之與滾珠絲杠聯(lián)動(dòng)。直徑21mm、螺距5mm的滾珠絲杠，用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)帶條機(jī)構(gòu)橫向移動(dòng)。橫向移動(dòng)部件約10kg。

3.2.2 關(guān)于橫向移動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)的計(jì)算

雖然橫向移動(dòng)部分的總重量約10kg，考慮到裝配中的阻尼等因素，取移動(dòng)部件重量為20kg，選用直徑32mm、導(dǎo)程5mm的滾珠絲桿和滾珠導(dǎo)軌，可極大地降低設(shè)備摩擦阻力和設(shè)備功耗。

植針動(dòng)作周期按300針/min計(jì)算，得到200 ms/針的動(dòng)作周期，其中橫向移動(dòng)的時(shí)間只占動(dòng)作周期的37.5%，即只有75ms。設(shè)加速時(shí)間和減速時(shí)間t2=20ms，勻速時(shí)間t3=35ms，植針針間距5.8mm～12mm。

橫移植針部件的慣量：

（下面取1.5×10-5kg·m2進(jìn)行計(jì)算）

取摩擦因數(shù)0.05，效率0.98，則工作扭矩為：

設(shè)橫向移動(dòng)每步距離12mm，則在75ms內(nèi)移動(dòng)12mm，其加速度和速度分別為：

換算成絲桿轉(zhuǎn)速：

此時(shí)其加速扭矩為：

若橫向移動(dòng)每步的距離是5.8mm，則在75 ms內(nèi)移動(dòng)5.8mm。以公式（3）～（5），計(jì)算可得到絲桿的轉(zhuǎn)速為1 267r/min，此時(shí)其加速扭矩為0.1 N·m。

式（5）～（9）中：

J2——拖板慣量/（kg·m2）；

T2——驅(qū)動(dòng)絲桿所需工作扭矩/（N·m）；

a1——拖板直線運(yùn)動(dòng)加速度/（m·s-2）；

v1——拖板做直線運(yùn)動(dòng)最高線速度/（m·min-1）；

ω1——絲桿最高轉(zhuǎn)速/（r·min-1）；

Δn——從靜止到額定速度之差/（r·min-1）；

Ma——驅(qū)動(dòng)所需加速轉(zhuǎn)矩/（N·m）。

通過計(jì)算可以看出，加速扭矩大于靜扭矩；電機(jī)的力矩為電機(jī)驅(qū)動(dòng)自身所需力矩的4倍（經(jīng)驗(yàn)值），則伺服減速機(jī)側(cè)的輸出轉(zhuǎn)矩不得小于0.83N·m。

3.3 底布提升

采用滾動(dòng)花鍵副（見圖2），既能實(shí)現(xiàn)提升羅拉跟隨橫動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸向運(yùn)動(dòng)又能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)羅拉提升底布的功能。提升輪系進(jìn)行獨(dú)立的伺服電機(jī)控制，取消了六角輪、提升棘輪、三眼盤等零部件，只保留了提升羅拉功能。由于沒有輪系存在，極大地降低了設(shè)備的摩擦阻力和運(yùn)行噪聲。

圖2 滾動(dòng)花鍵副結(jié)構(gòu)

在滾動(dòng)花鍵軸桿端部連接伺服減速電機(jī)，驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)花鍵軸桿和花鍵套，實(shí)現(xiàn)帶條的縱向提升。花鍵套外徑27.5mm，我們?nèi)∽顦O端的配置進(jìn)行理論計(jì)算。設(shè)加速時(shí)間和減速時(shí)間t2=20ms，勻速時(shí)間t3=35ms。

設(shè)提升動(dòng)作在75ms內(nèi)提升帶條1.5mm，則

換算成羅拉轉(zhuǎn)速：

將凸輪主軸的絕對(duì)相位值輸入上位控制器，經(jīng)過預(yù)先輸入與產(chǎn)品配對(duì)的程序從而控制橫移伺服電機(jī)和提升伺服電機(jī)的動(dòng)作，結(jié)合機(jī)械控制的送絲、切斷、成型和彎針動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)完整植針的功能。

4 數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

對(duì)凸輪主軸時(shí)序進(jìn)行分析并按照正弦曲線進(jìn)行分解，如圖3所示。當(dāng)凸輪主軸轉(zhuǎn)動(dòng)65°（相對(duì)于參考點(diǎn)）時(shí)，橫向移動(dòng)伺服電機(jī)開始啟動(dòng)（y軸），進(jìn)行橫向移動(dòng)動(dòng)作，移動(dòng)的距離（或位置）預(yù)先通過系統(tǒng)總線設(shè)置好。橫向移動(dòng)或縱向提升必須在主軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到225°之前完成。提升電機(jī)的動(dòng)作是在橫移電機(jī)到達(dá)邊沿，與橫移電機(jī)的換向動(dòng)作同時(shí)動(dòng)作。

圖3 植針機(jī)凸輪主軸時(shí)序曲線

主軸選用帶單圈絕對(duì)值編碼器的伺服電機(jī)，橫移伺服電機(jī)選用多圈絕對(duì)值編碼器，提升伺服電機(jī)選用普通增量式編碼器。在凸輪主軸上安裝一個(gè)光電開關(guān)，用于配合主軸伺服系統(tǒng)進(jìn)行尋零動(dòng)作，然后形成凸輪主軸的絕對(duì)相位值，并將凸輪主軸的相位輸入上位控制器。橫移伺服系統(tǒng)在導(dǎo)軌兩端安裝兩個(gè)極限位置保護(hù)開關(guān)和一個(gè)尋零開關(guān)，初次使用時(shí)，命令橫移伺服系統(tǒng)執(zhí)行尋零動(dòng)作。找到零位開關(guān)，確定零位位置，執(zhí)行完尋零動(dòng)作后，橫移伺服系統(tǒng)即以絕對(duì)位置坐標(biāo)進(jìn)行工作。由于伺服系統(tǒng)帶有鋰電池，因此下次使用時(shí)不必再次執(zhí)行尋零操作。上位PLC根據(jù)橫移絕對(duì)位置坐標(biāo)和主軸相位關(guān)系，確定提升機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)機(jī)，并根據(jù)橫移絕對(duì)位置坐標(biāo)以及工藝參數(shù)確定下次橫移位置。

5 植針工藝

以QRT27/31-1型為例，該品種相關(guān)參數(shù)為：針間距7.62mm，行間距0.577mm，六行一組，每行6針，每行錯(cuò)開1.27mm。圖4為具體參數(shù)示意。程序通過判斷橫向移動(dòng)電機(jī)反饋的實(shí)際位移數(shù)據(jù)來判斷植針位置。首先，主軸尋零，橫移尋零。橫向絕對(duì)值坐標(biāo)等于零，橫移坐標(biāo)歸零。再啟動(dòng)設(shè)備，令伺服從右向左移動(dòng)，進(jìn)行植針，橫向移動(dòng)6針距離：

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到38.10mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時(shí)，令伺服繼續(xù)向左移動(dòng)；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到39.37mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時(shí)，令伺服反向，向右移動(dòng)；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到1.27mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時(shí)，令伺服反向，向左移動(dòng)；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到2.54mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時(shí)，令伺服繼續(xù)向左移動(dòng)；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到40.64mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時(shí)，令伺服反向，向右移動(dòng)；

圖4 QRT27/31-1型彈性針布植針參數(shù)

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到38.1mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時(shí)，伺服繼續(xù)向右移動(dòng)；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到0.0mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時(shí)，伺服反向，向左移動(dòng)；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到1.27mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時(shí)，伺服繼續(xù)向左移動(dòng)；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到39.37mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時(shí)，伺服繼續(xù)向左；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到40.64mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時(shí)，伺服反向；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到2.54mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時(shí)，伺服繼續(xù)向右移動(dòng)；

當(dāng)橫移坐標(biāo)達(dá)到0.0mm，且主軸旋轉(zhuǎn)的角度大于65°小于225°時(shí)，開始重復(fù)執(zhí)行從步驟1～12。

6 結(jié)語(yǔ)

本次縱植機(jī)數(shù)字化改進(jìn)在國(guó)內(nèi)外尚屬首例，無任何相關(guān)技術(shù)可借鑒。由工作時(shí)序可知，在植針?biāo)俣?00針/min時(shí)，留給電控系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間最多只有75ms。在這么短的時(shí)間內(nèi)要完成電機(jī)啟動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到位，然后即時(shí)準(zhǔn)確停止，加之設(shè)備慣量較大，考慮到實(shí)際的動(dòng)作時(shí)間會(huì)更短，可能只有50ms，因此整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型更加困難。

目前數(shù)字化縱植機(jī)已經(jīng)調(diào)試成功，速度范圍為0～320針/min，可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速；橫向移動(dòng)、縱向提升伺服驅(qū)動(dòng)，動(dòng)作迅速、可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行噪聲小于機(jī)械縱植機(jī)；設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)于原機(jī)械化縱植機(jī)。

數(shù)字化縱植機(jī)調(diào)試成功，極大地提高了工作效率，減少了備品備件。傳統(tǒng)縱植機(jī)更改品種的話，需要更換升棘輪、提升棘、六角輪等諸多部件，而數(shù)字化縱植機(jī)只需在觸摸屏上選擇相應(yīng)的產(chǎn)品型號(hào)，更換針頭排、針頭板，對(duì)植針針形略作調(diào)整即可，使改車時(shí)間從原來的2d縮短為2h左右；且植針設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性極大提高。