噴頭與棉包精準(zhǔn)運(yùn)動控制平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

■ 呂德凱 李付堂 戎立斌 侯學(xué)謙

〔北京中棉機(jī)械成套設(shè)備有限公司，北京100089〕

噴頭與棉包精準(zhǔn)運(yùn)動控制平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

■ 呂德凱 李付堂 戎立斌 侯學(xué)謙

〔北京中棉機(jī)械成套設(shè)備有限公司，北京100089〕

一、引言

自2003年我國棉花質(zhì)量檢驗(yàn)體制改革后，棉包即采用國際通用的包型。GB 6795-2013《棉花包裝》國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Ⅰ型棉包的外形尺寸為1 400 mm×700 mm×530 mm（長×寬×高）。該標(biāo)準(zhǔn)要求用棉布包裝的棉包應(yīng)在兩頭用黑色刷明標(biāo)志（簡稱嘜頭），內(nèi)容包括：棉花產(chǎn)地（省、自治區(qū)、直轄市和縣）、棉花加工單位、棉花質(zhì)量標(biāo)識、批號、包號、毛重、異性纖維含量代號、生產(chǎn)日期等。

由此可見，棉包的外形尺寸是固定的，這為實(shí)現(xiàn)棉包兩頭自動化刷嘜提供了便利?！睹藁òb》標(biāo)準(zhǔn)要求，加工時應(yīng)杜絕對棉花的二次污染。通過考察，我們選用高解析噴頭，這種噴頭使用速干墨，單次出墨量小，不污染棉花，而且可以達(dá)到實(shí)體噴印的清晰效果。但由于這種噴頭對噴印距離有要求，因此，為了使棉包在流水線上快速完成自動化刷嘜工作，保證刷嘜效果，需要對噴頭與棉包相對位置進(jìn)行精準(zhǔn)控制，為此我們設(shè)計了旋轉(zhuǎn)平臺棉包精準(zhǔn)運(yùn)動控制裝置。

二、噴頭與棉包的運(yùn)動原理分析

棉包嘜頭通常由上下5至7行內(nèi)容組成（見圖1），居于棉包端面中間，棉包兩端都需要刷嘜。筆者分析了嘜頭的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計了一種完成整個嘜頭噴印工作的可行性方案。該方案采用單噴頭加輸包平臺結(jié)構(gòu)，完成棉包一端刷嘜后自動轉(zhuǎn)包，再完成另一端嘜頭噴印。

圖1 五行棉包嘜頭示意圖

本方案優(yōu)點(diǎn)是只需一組噴頭，噴頭控制技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，成本低、可靠性高。雖然刷嘜速度相對較慢，但是只要能滿足生產(chǎn)工藝產(chǎn)量（最大40包/h）要求，速度不是問題。從噴頭控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難易程度和制造及用戶使用成本來考慮，我們圍繞單噴頭加輸包平臺的方案進(jìn)行了設(shè)計。

根據(jù)該方案，本文提出一種簡單可行的自動刷嘜工作方法，原理是棉包一頭先貼近噴頭，到達(dá)噴頭的有效噴印位置后，啟動噴頭從上至下逐行噴印，噴印完成后棉包旋轉(zhuǎn)180°，使棉包另一頭貼緊噴頭，再次啟動噴頭逐行打印，棉包兩頭都噴印完畢后，將棉包自動輸送出平臺，等待下一個棉包到來，流程如圖2所示。

圖2 自動刷嘜流程圖

按照以上所述，要實(shí)現(xiàn)棉包嘜頭自動噴印工作，保證刷嘜效果，必須精確控制棉包的運(yùn)動狀態(tài)以及與噴頭的相對位置。

三、機(jī)構(gòu)選型

噴頭與棉包精準(zhǔn)運(yùn)動控制平臺的機(jī)構(gòu)選型是個非常重要的問題，因?yàn)檫\(yùn)動機(jī)構(gòu)是否精確靈活將直接關(guān)系到預(yù)定目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，所以在此提出以下幾點(diǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的選型原則。

（一）總體選型原則

刷嘜設(shè)備要放在原有出包流水線上，即電子秤和傳動帶之間，為此設(shè)備的總體尺寸（長、寬、高）盡可能小，安裝方式靈活，以提高設(shè)備的適應(yīng)性，滿足產(chǎn)品要求，刷嘜速度要保證20包/h～40包/h。另外，設(shè)備的結(jié)構(gòu)要合理，易于現(xiàn)場安裝、維護(hù)和檢修等。

（二）滿足現(xiàn)有加工廠生產(chǎn)工藝要求

通過多次實(shí)地調(diào)研，目前加工廠的棉包出包工藝有直線型和90°轉(zhuǎn)角型兩種，新設(shè)計的運(yùn)動控制平臺需要滿足這兩者的安裝要求，即設(shè)備可旋轉(zhuǎn)。

（三）機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度高

為滿足噴頭的有效打印距離要求，棉包在此平臺上的前進(jìn)、后退，甚至旋轉(zhuǎn)應(yīng)能被精確控制，噴印時棉包都應(yīng)貼緊噴頭，保證每次嘜頭的噴印效果均達(dá)到最佳狀態(tài)。這涉及到運(yùn)動副型式和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的最佳傳遞方式的選擇，如果機(jī)構(gòu)設(shè)計不合理，可能會導(dǎo)致對棉包的運(yùn)動精度控制不夠，最終影響嘜頭的噴印效果，所以必須考慮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度要求。

（四）棉包的較正功能

棉包在運(yùn)動時并不能一直與傳送帶保持平行狀態(tài)，可能偏向傳送帶的兩側(cè)，與傳送帶形成夾角。為此，該設(shè)備必須具有棉包較正功能，既能保證棉包端面與噴頭始終平行，又可保證嘜頭被噴印在棉包端面的中間固定位置，以確保所有棉包嘜頭位置一致。

（五）噴頭的運(yùn)動形式

為了使用最基本的最少的噴頭數(shù)量，完成棉包嘜頭全部信息噴印，還需要控制噴頭的運(yùn)動，保證用一組基本的噴頭單元，通過多行噴印完成整個棉包刷嘜。為此，噴頭的運(yùn)動機(jī)構(gòu)以及控制也很重要。

根據(jù)以上所述選型原則和對加工廠棉包出包工藝的實(shí)地考察，噴頭的運(yùn)動部分采用沉入式的升降機(jī)構(gòu)，并配合噴頭的水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)完成噴頭的打印動作；棉包的運(yùn)動控制采用設(shè)置有輸包和夾包裝置的旋轉(zhuǎn)平臺，既實(shí)現(xiàn)了棉包的水平旋轉(zhuǎn)，又完成了棉包的前進(jìn)、后退及棉包傾斜較正的控制。

四、結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計除了滿足噴頭與棉包的精準(zhǔn)運(yùn)動控制要求，還要考慮剛性好、重量輕、易制造，需要優(yōu)選簡單、緊湊、實(shí)用性好的結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)工藝性要好、制造成本要低、可靠性要好，盡可能多地采用標(biāo)準(zhǔn)件，降低制造難度，同時還應(yīng)便于整機(jī)的裝配調(diào)整。

本文設(shè)計的噴頭與棉包精準(zhǔn)運(yùn)動控制平臺的三維模型如圖3所示，其主要包括四大機(jī)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輸包機(jī)構(gòu)、夾包機(jī)構(gòu)、噴頭升降運(yùn)動機(jī)構(gòu)，圖4為運(yùn)動控制平臺的簡化模型。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輸包機(jī)構(gòu)、夾包機(jī)構(gòu)主要控制棉包的運(yùn)動，噴頭升降運(yùn)動機(jī)構(gòu)主要控制噴頭的升降和水平移動。

圖3 棉包精準(zhǔn)運(yùn)動控制平臺三維模型圖

圖4 簡化模型

對于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輸包機(jī)構(gòu)均采用齒輪傳動。相比其它類型的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)傳動承載能力大、傳動平穩(wěn)、精度高，使用安全可靠，制造工藝簡單。在保證整機(jī)剛度和強(qiáng)度的要求前提下，整個基座全部使用方管焊接而成，有利于減輕整機(jī)的重量，優(yōu)選齒輪傳動結(jié)構(gòu)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)均采用步進(jìn)電機(jī)提供動力；減速機(jī)均選用尺寸小、承載能力大、傳動系數(shù)更高的減速機(jī)。傳動鏈中的齒輪間隙對輸包輥的運(yùn)動精度有直接影響，經(jīng)分析，輸包輥之間的過度齒輪采用偏心套調(diào)整法。這種方法結(jié)構(gòu)簡單可靠、裝配時調(diào)整方便，能夠達(dá)到消除齒輪間隙的目的，明顯提高輸包輥的傳動精度。

夾包機(jī)構(gòu)安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的安裝基架上，見圖4。夾包機(jī)構(gòu)采用左右對稱式設(shè)計，從而避免左右兩側(cè)受力不均造成一側(cè)過度磨損問題。這樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、整體性好、運(yùn)動靈活可靠。

根據(jù)機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計要求，沉入式噴頭升降運(yùn)動機(jī)構(gòu)功能上要實(shí)現(xiàn)噴頭的升降和噴頭的水平移動；尺寸上要滿足高度設(shè)計要求，噴頭落到底以后，噴頭頂部距離輸包輥的頂部要有一定的距離，保證棉包能從噴頭頂部順利通過，即升降機(jī)構(gòu)的整體高度要小于輸包機(jī)構(gòu)頂部輸包輥的高度。通過對運(yùn)動過程的分析，筆者認(rèn)為此處采用滾珠絲杠作為動力傳動件比較合適，均能滿足噴頭上下升降和水平運(yùn)動的傳動精度要求，而且滾珠絲杠屬于標(biāo)準(zhǔn)件，滾珠絲杠兩端定制加工簡單。升降運(yùn)動機(jī)構(gòu)通過基座上的安裝孔與轉(zhuǎn)包機(jī)構(gòu)固定到一起，保證了設(shè)備的一體性。

為了防止安全事故的發(fā)生，將非必要的運(yùn)動部件保護(hù)起來也是工業(yè)設(shè)計中不可缺少的一個環(huán)節(jié)，同時還可以起到防塵的作用。在轉(zhuǎn)包機(jī)構(gòu)四周、轉(zhuǎn)包側(cè)板上和升降機(jī)構(gòu)四周均設(shè)有防護(hù)板，這些防護(hù)板不僅可以保護(hù)人身安全，還可以防止棉絮和灰塵進(jìn)入，提高設(shè)備的使用壽命。

五、結(jié)束語

本次研制成的噴頭與棉包精準(zhǔn)運(yùn)動控制平臺的主要傳動鏈均采用齒輪傳動的方式，同時增加了齒輪間隙的調(diào)整措施，保證棉包的運(yùn)動能被精確控制，從而滿足進(jìn)口高解析噴頭的噴印精度要求?！?/p>

“棉花產(chǎn)后增值關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化示范”課題研究，課題編號（2015BAD19B04）