布鞋鞋幫收口機(jī)氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 河南 洛陽(yáng)　471003)

引言

在布鞋的制作過(guò)程中，依靠拉緊鞋幫口鎖邊線(xiàn)的兩端，使鞋幫口緊貼于鞋楦是一個(gè)重要工序[1]?，F(xiàn)代化制鞋生產(chǎn)雖然應(yīng)用了很多先進(jìn)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也做了研究,胡小兵等提出基于蟻群算法的三維空間機(jī)器人路徑規(guī)劃[2]。Kim．J．Y等[3]提出了通過(guò)鞋底的三視圖以及三維CAD掃描的方法生成涂膠軌跡路徑，對(duì)于鞋面數(shù)據(jù)采取激光掃描數(shù)據(jù)獲取，然后再導(dǎo)入CATIA中進(jìn)行軌跡生成[3]。他們的研究也大多集中在皮鞋涂膠的過(guò)程控制研究,在皮鞋制鞋設(shè)備中可以使用,不適合在布鞋生產(chǎn)中采用，并且三維空間機(jī)器人的研究成本高，加工效率比較低。由于布鞋所用材料的特殊性及產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)，產(chǎn)品加工要占用大量的勞動(dòng)力，仍屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)。

布鞋的生產(chǎn)流程為：針車(chē)車(chē)間加工鞋幫—收口成型車(chē)間成型—鞋底車(chē)間上底。收口成型包括拉線(xiàn)收口和穿線(xiàn)打結(jié)兩步動(dòng)作。拉線(xiàn)收口是拉緊鞋幫口鎖邊線(xiàn)的兩端，使鞋幫口與鞋楦緊密結(jié)合的工藝過(guò)程。穿線(xiàn)打結(jié)是通過(guò)雙手的鉤布、繞線(xiàn)的動(dòng)作配合打結(jié)固定已被拉緊的鎖邊線(xiàn)，使鞋幫在搬運(yùn)、注塑上底過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，很好的固定在鞋楦上。目前,此工藝過(guò)程靠工人雙手拉緊，由于需要很大的拉力，很多時(shí)候工人帶雙層手套或手指纏繞多層帆布，依舊會(huì)手指受傷。收口成型工藝過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，并且由于“勞工荒”問(wèn)題，出現(xiàn)招工困難，人力成本急劇上升[4]，所以研制出自動(dòng)化鞋幫收口機(jī)來(lái)替代人工勞動(dòng)具有重要的實(shí)際意義。

針對(duì)上述問(wèn)題，在對(duì)鞋幫收口工藝過(guò)程分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合PLC控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新穎的氣壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的布鞋鞋幫收口機(jī)。著重介紹拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)和穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)作原理以及氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型。

1　收口機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1　收口機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

收口機(jī)整體結(jié)構(gòu)由機(jī)架、拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)、穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、托幫機(jī)構(gòu)、指針機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)機(jī)構(gòu)的配合達(dá)到收口目的，其結(jié)構(gòu),如圖1所示。

1.機(jī)架　2.拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)　3.鞋幫　4.鞋楦　5.穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)6.定位機(jī)構(gòu)　7.托幫機(jī)構(gòu)　8.直針機(jī)構(gòu)圖1　收口機(jī)的總體設(shè)計(jì)

在圖1中，收口機(jī)的機(jī)架1用于安裝各機(jī)構(gòu)和鞋楦定位，拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)2用于鞋幫鎖邊線(xiàn)兩端的拉緊，穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)5、定位機(jī)構(gòu)6和直針機(jī)構(gòu)8共同完成鞋幫鎖邊線(xiàn)的打結(jié)動(dòng)作，托幫機(jī)構(gòu)7用來(lái)托頂鞋幫面以提高收口質(zhì)量。

1.2　收口機(jī)的動(dòng)作原理

收口動(dòng)作開(kāi)始前，將鞋幫套在鞋楦上，再將鞋楦固定在機(jī)架上的鞋楦滑槽內(nèi)。鞋幫鎖邊線(xiàn)的兩端分別纏繞于拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)氣缸活塞桿頂端的夾線(xiàn)片中間，此時(shí)通過(guò)電磁閥控制使托幫機(jī)構(gòu)的曲面上升，托起鞋幫緊貼到鞋楦的側(cè)面上，其它機(jī)構(gòu)都保持在初始位置。

收口動(dòng)作開(kāi)始時(shí)，電磁閥控制拉線(xiàn)氣缸縮回，使鎖邊線(xiàn)拉緊到一定程度，鞋幫口緊貼于鞋楦面。通過(guò)比例調(diào)壓閥調(diào)壓使拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)壓力減小，拉線(xiàn)氣缸在鎖邊線(xiàn)的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)并且保持一定的背壓，為進(jìn)行穿線(xiàn)動(dòng)作做好準(zhǔn)備。

在穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)上部旋轉(zhuǎn)下降氣缸的帶動(dòng)下，使其下部的穿線(xiàn)部分下降到一定高度后旋轉(zhuǎn)90°，鎖邊線(xiàn)進(jìn)入到穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)的預(yù)定位置。然后，穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)上兩頂緊鞋幫的氣缸同時(shí)動(dòng)作，穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)底部頂緊鞋幫內(nèi)側(cè)，定位機(jī)構(gòu)氣缸電磁閥通電使穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)定位在工作位置。緊接著，擺動(dòng)氣缸旋轉(zhuǎn)，線(xiàn)鼻鉤針由初始位置旋轉(zhuǎn)，鉤到鎖邊線(xiàn)，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)穿透鞋幫，最終在兩側(cè)形成兩個(gè)線(xiàn)鼻。此后，直鉤針向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)設(shè)置在穿線(xiàn)部分上的導(dǎo)向孔，進(jìn)入到一側(cè)線(xiàn)鼻內(nèi)，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，鉤到另一側(cè)的線(xiàn)鼻后，鎖邊線(xiàn)進(jìn)入直針的掛鉤，直鉤針向外運(yùn)動(dòng)，使得鎖邊線(xiàn)穿過(guò)線(xiàn)鼻，達(dá)到最終的鎖邊線(xiàn)打結(jié)固定的目的。

由于收口機(jī)的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)較多，本文主要介紹拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)和穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理、氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型。

2　拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.1　拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

收口是布鞋生產(chǎn)中布鞋能否成為合格品的關(guān)鍵工序，拉緊鎖邊線(xiàn)使鞋幫口緊貼于鞋楦上的拉線(xiàn)過(guò)程尤其重要。電機(jī)或氣壓驅(qū)動(dòng)可以作為鎖邊線(xiàn)拉緊動(dòng)力來(lái)源。電-氣驅(qū)動(dòng)效率高，速度和位置精度都很高，使用方便、控制靈活。然而，由于人工固定鎖邊線(xiàn)長(zhǎng)短有差別，每次拉緊鎖邊線(xiàn)所需要的行程也不盡相同，電-氣驅(qū)動(dòng)要適應(yīng)線(xiàn)長(zhǎng)的不同，進(jìn)行拉緊力的調(diào)整就會(huì)很復(fù)雜。氣壓驅(qū)動(dòng)具有很強(qiáng)的柔軟性，只要?dú)飧走M(jìn)口壓力一樣，氣缸提供的拉力不變，鎖邊線(xiàn)受力相同，不會(huì)因行程差別造成拉線(xiàn)松緊程度不一。同時(shí)，氣壓驅(qū)動(dòng)還具有調(diào)整拉緊力方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)[5]。綜上所述，本機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方案選用氣壓驅(qū)動(dòng)。

拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。在氣缸活塞桿頂端安裝拉線(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)，其上有間距可調(diào)的兩個(gè)夾線(xiàn)片，將鎖邊線(xiàn)纏繞在夾線(xiàn)片中間并夾緊。緊固螺母與夾線(xiàn)片之間設(shè)置壓緊彈簧，這樣可以調(diào)節(jié)夾緊片對(duì)鎖邊線(xiàn)的夾緊力，裝拆鎖邊線(xiàn)均快捷方便，還能有效保護(hù)鎖邊線(xiàn)的拉緊效果。

1.拉線(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)　2.鞋幫　4.鎖邊線(xiàn)　5.鞋楦滑槽圖2　拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)示意圖

2.2　拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)系統(tǒng)采用雙氣缸并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)方式，每根氣缸拉緊鎖邊線(xiàn)的一端。氣缸的進(jìn)氣口安裝有單向節(jié)流閥，實(shí)現(xiàn)排氣節(jié)流調(diào)速。在系統(tǒng)的進(jìn)氣氣路安裝比例減壓閥，可以通過(guò)PLC控制滿(mǎn)足收口拉緊和穿線(xiàn)固定兩個(gè)動(dòng)作過(guò)程對(duì)系統(tǒng)氣路壓力自動(dòng)變化的需求。本機(jī)構(gòu)的氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖，如圖3所示。

1.比例減壓閥　2.拉線(xiàn)缸　3.單向節(jié)流閥　4.換向閥圖3　拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)控制氣路原理

拉線(xiàn)動(dòng)作開(kāi)始前，換向閥4右側(cè)電磁閥帶電，兩氣缸處于伸出狀態(tài)。此時(shí)將鎖邊線(xiàn)纏繞于拉線(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)兩夾線(xiàn)片之間，并夾緊線(xiàn)頭。開(kāi)始拉線(xiàn)時(shí)，換向閥左側(cè)帶電，兩氣缸有桿腔進(jìn)氣，氣缸收回，在氣壓驅(qū)動(dòng)下拉緊鎖邊線(xiàn)，直到氣缸停止運(yùn)動(dòng)，完成鎖邊線(xiàn)的收口拉緊動(dòng)作。當(dāng)拉緊完成后，比例減壓閥1自動(dòng)將進(jìn)氣壓力調(diào)低，這樣使拉線(xiàn)氣缸可以在鎖邊線(xiàn)的拉動(dòng)下保持一定的背壓，為穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作做好準(zhǔn)備。

2.3　拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)氣缸選型

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，人工操作時(shí)鎖邊線(xiàn)的拉緊力FZ的范圍為160 N到180 N，又因?yàn)闅飧桌€(xiàn)的時(shí)候?yàn)橛袟U腔做功，則需根據(jù)拉力做功時(shí)的公式(1)計(jì)算氣缸所需缸徑。

(1)

式中,FZ—— 工作時(shí)拉緊力，N

d/D—— 對(duì)于雙作用氣缸，預(yù)選0.25～0.4

p—— 系統(tǒng)使用的壓力，MPa

f—— 氣缸工作時(shí)的總阻力，包括慣性力、背壓阻力、摩擦阻力及氣缸的動(dòng)特性參數(shù)

本例中取FZ=170 N，d/D=0.35，p=0.5 MPa，f忽略。計(jì)算得到拉線(xiàn)氣缸的缸徑為D=22.211 mm，故選取25 mm缸徑的氣缸，此時(shí)氣缸的活塞桿直徑為10 mm。

根據(jù)公式(1)計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)供氣壓力低于0.35 MPa時(shí)，拉力不足；在0.42 MPa左右時(shí)，收口效果最好；當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)0.50 MPa時(shí)，拉力過(guò)緊，甚至?xí)霈F(xiàn)部分鎖邊線(xiàn)拉段的情況。

3　穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

3.1　穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

拉線(xiàn)機(jī)構(gòu)完成了鞋幫緊貼于鞋楦的收口拉緊要求，但由于鞋楦在搬運(yùn)、注塑上底過(guò)程中不斷受外力作用，使得鞋幫很容易出現(xiàn)松動(dòng)，如果不把拉緊的線(xiàn)加以打結(jié)固定，會(huì)嚴(yán)重影響布鞋成品的質(zhì)量。工廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，穿線(xiàn)打結(jié)的過(guò)程是鎖邊線(xiàn)通過(guò)工人的鉤布、繞線(xiàn)的動(dòng)作配合，使得鞋幫收口之后更好的固定在鞋楦上，以此保證布鞋生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，收口機(jī)必須進(jìn)行穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本機(jī)構(gòu)的由導(dǎo)向塊、線(xiàn)鼻鉤針、擺動(dòng)氣缸、上部氣缸、容線(xiàn)塊等組成，總體機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

1.導(dǎo)向塊　2.線(xiàn)鼻鉤針　3.齒輪　4.擺動(dòng)氣缸5.旋轉(zhuǎn)下降氣缸　6.頂出缸　7.容線(xiàn)塊圖4　穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)

收口機(jī)的穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)是為了通過(guò)線(xiàn)鼻鉤針掛線(xiàn)、鉤布、穿線(xiàn)的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)人工鉤布、繞線(xiàn)的動(dòng)作，達(dá)到固定鞋幫到鞋楦上的目的。穿線(xiàn)動(dòng)作開(kāi)始時(shí)，旋轉(zhuǎn)下降氣缸運(yùn)動(dòng)，下降到一定高度后，鎖邊線(xiàn)位于容線(xiàn)塊中間，之后上部氣缸旋轉(zhuǎn)90°，鎖邊線(xiàn)進(jìn)入容線(xiàn)塊7，容線(xiàn)塊上有能容納鎖邊線(xiàn)的容線(xiàn)槽。接下來(lái)該機(jī)構(gòu)中兩并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的頂出缸6通過(guò)電磁閥控制伸出，穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)底部頂緊鞋幫內(nèi)側(cè)。

擺動(dòng)氣缸電磁閥通電，驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)氣缸4，通過(guò)齒輪3傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞給線(xiàn)鼻鉤針。由于線(xiàn)鼻鉤針上加工有可以在正向旋轉(zhuǎn)時(shí)掛到鎖邊線(xiàn)、反向旋轉(zhuǎn)將線(xiàn)脫離的掛鉤，所以此鉤針正向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在容線(xiàn)槽處掛到鎖邊線(xiàn)，扎穿相應(yīng)側(cè)鞋幫形成穿孔，之后帶動(dòng)線(xiàn)鼻鉤針旋轉(zhuǎn)完成穿線(xiàn)動(dòng)作，在兩側(cè)形成兩個(gè)線(xiàn)鼻。導(dǎo)向塊1的導(dǎo)向孔可以引導(dǎo)外部的直鉤針進(jìn)入到工作區(qū)域，順利穿過(guò)直鉤針?biāo)谝粋?cè)的線(xiàn)鼻，并且與另一側(cè)線(xiàn)鼻鉤針形成的線(xiàn)鼻子配合,通過(guò)回拉來(lái)完成穿線(xiàn)固定動(dòng)作。

3.2　穿線(xiàn)構(gòu)擺動(dòng)氣缸選型

穿線(xiàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)由擺動(dòng)氣缸帶動(dòng)線(xiàn)鼻鉤針來(lái)進(jìn)行鉤線(xiàn)穿幫動(dòng)作。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，穿透鞋幫需要的扭矩大小為1.50 N·m到1.65 N·m，則圖4中的擺動(dòng)氣缸需要提供的動(dòng)力約為1.65 N·m到1.82 N·m，而能提供此扭矩的電機(jī)需要配套減速器，其體積會(huì)大于鞋楦面的大小，并且輸出軸旋轉(zhuǎn)速度慢，效率低，故本機(jī)構(gòu)不能采用電-氣驅(qū)動(dòng)，而體積較小的單葉片擺動(dòng)氣缸可以滿(mǎn)足需求。

根據(jù)單葉片擺動(dòng)氣缸的輸出力矩公式(2)計(jì)算所需缸徑。

(2)

式中，M—— 擺動(dòng)氣缸承受的實(shí)際力矩，N·m

d/D—— 對(duì)于雙作用氣缸，預(yù)選0.25～0.4

p—— 系統(tǒng)使用的壓力，MPa

b—— 葉片的寬度，mm

η—— 負(fù)載率，靜負(fù)載的負(fù)載率0.9

本例中取M=1.7 N·m，d/D=0.27，p=0.6 MPa，b=30 mm，η=0.9。計(jì)算得到擺動(dòng)氣缸的缸徑為D=30.0448 mm，所以選取30 mm缸徑的氣缸，此時(shí)氣缸的活塞桿直徑為8 mm。

代入式(2)可以得到上述選型選用的擺動(dòng)氣缸在0.6 MPa的壓力下提供的扭矩為1.69 N·m，可以滿(mǎn)足使用要求，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，本氣缸的選用也很好的達(dá)到了預(yù)期效果。

4　結(jié)論

布鞋鞋幫收口機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)，通過(guò)PLC、氣壓系統(tǒng)和傳感器的聯(lián)合控制，較好的實(shí)現(xiàn)了布鞋鞋幫收口、穿線(xiàn)過(guò)程的自動(dòng)化生產(chǎn)，縮短了收口穿線(xiàn)的人工勞動(dòng)過(guò)程，降低了生產(chǎn)成本，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以滿(mǎn)足生產(chǎn)中替代人工勞動(dòng)的需求。該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，使用氣壓驅(qū)動(dòng)確保了綠色生產(chǎn)，PLC控制易于調(diào)試，可靠性高。

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