筒子紗包裝自動(dòng)縫紉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

夏 楠，馬思樂，郭政良，張?jiān)疵?，莊英豪

(1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué)海洋研究院，山東 青島 266237)

0 引言

筒子紗是紡織工業(yè)絡(luò)筒工序的產(chǎn)出品，同時(shí)也是紡織行業(yè)的核心產(chǎn)品。其大多采用以編織袋為主的包裝方式。與糧食、化肥等縱向灌入編織袋的包裝方式不同，筒子紗由于其自身特性，只能采用水平的包裝方式，將筒子紗按大小頭交錯(cuò)方式有序推入水平放置的編織袋內(nèi)，從而達(dá)到排列整齊、最大化利用袋內(nèi)空間等目的。這也對(duì)編織袋的縫紉封口提出了全新的要求[1]。

本文主要介紹全自動(dòng)筒子紗包裝生產(chǎn)線中的編織袋自動(dòng)縫紉封口系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種全新的縫紉及其夾持機(jī)構(gòu)，解決了筒子紗編織袋包裝時(shí)工業(yè)縫紉機(jī)頭無法移動(dòng)的問題。該機(jī)構(gòu)克服了編織袋自身和筒子紗作為物料都較為柔軟、容易變形的問題，對(duì)于不同硬度、質(zhì)量、不同尺寸的編織袋有很好的適應(yīng)性。

1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理設(shè)計(jì)

1.1 工藝要求

以圓臺(tái)形筒子紗為操作目標(biāo)，在整個(gè)全自動(dòng)筒子紗編織袋包裝生產(chǎn)線中，經(jīng)過前端筒子紗裝袋工藝，已經(jīng)將筒子紗根據(jù)包裝需求裝入編織袋內(nèi)[2]。但是編織袋仍然是開口狀態(tài)，只有經(jīng)過縫紉封口之后，才能進(jìn)入下一步的信息噴涂和物流運(yùn)輸環(huán)節(jié)。這就完成了全部的包裝流程[3-6]。

1.2 機(jī)械動(dòng)作原理設(shè)計(jì)

1.2.1 夾持移動(dòng)子系統(tǒng)

編織袋由于質(zhì)地較軟，在沒有外界輔助干預(yù)的情況下很容易在移動(dòng)過程中產(chǎn)生物理形變，無法按照預(yù)期狀態(tài)進(jìn)行縫紉。因此，對(duì)集料后的編織袋開口進(jìn)行縫紉前的夾持準(zhǔn)備工作，是保證縫紉質(zhì)量和效果的必要環(huán)節(jié)。夾持移動(dòng)子系統(tǒng)由步進(jìn)夾持機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成。

當(dāng)裝滿筒子紗的開口編織袋由皮帶輸送過來后，通過定位光電檢測，觸發(fā)第一夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。下夾持板首先沿Z軸正向抬起至指定位置，然后上夾持板沿Z軸負(fù)方向下落，夾緊編織袋袋口。夾持動(dòng)作完成后，平置的豎向57步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)整體動(dòng)作，拖動(dòng)編織袋沿X軸負(fù)方向位移。在夾持裝置外側(cè)的傳送機(jī)構(gòu)上固定有擋板，以阻擋袋內(nèi)筒子紗運(yùn)動(dòng)。這樣，通過拉扯編織袋袋口和阻止筒子紗運(yùn)動(dòng)的方式減少了編織袋內(nèi)空隙，使袋內(nèi)筒子紗更加緊湊。

步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到位后，夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)會(huì)在電機(jī)1的拖動(dòng)下，配合已被夾緊袋口的編織袋，沿Y軸負(fù)方向同步運(yùn)動(dòng)至縫紉移動(dòng)子系統(tǒng)，進(jìn)行縫紉封口。

1.2.2 縫紉移動(dòng)子系統(tǒng)

縫紉移動(dòng)子系統(tǒng)由縫紉夾持機(jī)構(gòu)和縫紉機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成。縫紉夾持機(jī)構(gòu)的板材設(shè)有開口。工業(yè)用縫紉機(jī)機(jī)頭穿過其開口，在夾持移動(dòng)子系統(tǒng)攜帶編織袋運(yùn)動(dòng)到指定位置后，第二夾持機(jī)構(gòu)的上夾持板沿Z軸負(fù)方向落下，與固定在外部皮帶靜止的下夾持板配合，完成對(duì)編織袋袋口的二次夾緊。隨后，夾持移動(dòng)子系統(tǒng)回原位，縫紉機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)作?？p紉機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在沿Y軸正向動(dòng)作的同時(shí)，進(jìn)行縫紉機(jī)對(duì)編織袋的縫紉封口，從而完成編織袋靜止、縫紉機(jī)運(yùn)動(dòng)的縫紉工藝。

縫紉完成后，縫紉上夾持板抬起，編織袋在輸送機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下前往下一環(huán)節(jié)。之后縫紉機(jī)平臺(tái)沿Y軸負(fù)方向回原位，等待下一個(gè)編織袋就位。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2.3 優(yōu)勢分析

除去人工縫紉外，目前較為常見的縫紉方式是縫紉機(jī)頭固定而編織袋運(yùn)動(dòng)。袋口經(jīng)過輕微夾持后編織袋整體在輸送皮帶上運(yùn)輸，配合固定的縫紉機(jī)進(jìn)行縫紉。這要求編織袋袋口在夾持機(jī)構(gòu)間平整地運(yùn)動(dòng)至縫紉機(jī)。此設(shè)計(jì)較依賴編織袋自身塑性，對(duì)不同規(guī)格編織袋沒有很好的適應(yīng)性。此外，一旦袋口產(chǎn)生形變，輕則會(huì)堆積袋口使得縫紉失敗，重則會(huì)扯壞或撞斷縫紉機(jī)機(jī)針，使得包裝線停產(chǎn)。

相較于縫紉機(jī)頭固定而編織袋物料運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)縫紉封口機(jī)構(gòu)而言，本套系統(tǒng)的優(yōu)勢如下。

①編織袋自動(dòng)縫紉對(duì)編織袋袋口的平整度要求非常高，直接送袋縫紉往往達(dá)不到縫紉要求。通過設(shè)置一種縫紉前夾持平臺(tái)，夾持袋口保證袋口處于縫紉同一水平面的同時(shí)，拖動(dòng)編織袋使袋口更加平整。通過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，將編織袋袋口準(zhǔn)確運(yùn)送到縫紉位置，可提高縫紉效果，確保成功率。

②傳送機(jī)構(gòu)上設(shè)置擋板，阻擋筒子紗前進(jìn)。同時(shí)，57步進(jìn)電機(jī)配合拉動(dòng)編織袋，使編織袋內(nèi)筒子紗更加緊湊，縫紉點(diǎn)更靠近筒子紗，以減小袋內(nèi)無效空間，防止成排的筒子紗在后續(xù)運(yùn)輸過程中受外力影響而摔倒或位置錯(cuò)亂。

③縫紉機(jī)可移動(dòng)的全自動(dòng)編織袋自動(dòng)縫紉系統(tǒng)，解決了編織袋縫紉時(shí)縫紉機(jī)無法移動(dòng)的問題。當(dāng)裝滿筒子紗的編織袋運(yùn)動(dòng)到指定位置后，第二夾持機(jī)構(gòu)動(dòng)作，縫紉機(jī)橫向移動(dòng)進(jìn)行縫紉。

④系統(tǒng)對(duì)于編織袋袋口的整體夾持縫紉效果較好，克服了編織袋自身和筒子紗作為物料都較為柔軟、容易形變的問題。對(duì)于不同硬度、質(zhì)量、尺寸的編織袋，系統(tǒng)也有很好的適應(yīng)性。

2 自動(dòng)縫紉系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.1 整體程序設(shè)計(jì)

作為筒子紗編織袋自動(dòng)化包裝的末端工藝，自動(dòng)縫紉系統(tǒng)的可靠性和效率是評(píng)估包裝線整體性能十分重要的一環(huán)。為此，在設(shè)置必要的光電開關(guān)和硬/軟限位開關(guān)保證系統(tǒng)的安全可靠的同時(shí)，更需要通過規(guī)劃系統(tǒng)的串行工序與并行工序，設(shè)計(jì)邏輯嚴(yán)密的梯形圖程序，以控制整套系統(tǒng)高效運(yùn)作。

自動(dòng)縫紉系統(tǒng)采用西門子S7-1200作為控制器。SIMATIC S7-1200 控制器具有模塊化和緊湊型設(shè)計(jì)，它功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活度高，具備最高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信的通信接口，可實(shí)現(xiàn)一整套強(qiáng)大的集成技術(shù)功能，滿足對(duì)自動(dòng)縫紉系統(tǒng)的控制需求[7]。軟件編程采用西門子的TIA Portal V14 SP1軟件，運(yùn)用梯形圖設(shè)計(jì)了整個(gè)整列模塊的控制程序。自動(dòng)縫紉系統(tǒng)順序動(dòng)作流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)縫紉系統(tǒng)順序動(dòng)作流程圖

2.2 I/O配置

對(duì)程序中所用到的自動(dòng)縫紉系統(tǒng)整體的輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行配置。除常規(guī)輸入輸出點(diǎn)外，考慮到本系統(tǒng)存在步進(jìn)電機(jī)，需激活S7-1200的CPU模塊高速脈沖輸出功能，用來對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送頻率和方向脈沖。自動(dòng)縫紉系統(tǒng)I/O配置如表1所示。

表1 自動(dòng)縫紉系統(tǒng)I/O配置表

3 系統(tǒng)測試、效率與故障統(tǒng)計(jì)

本部分主要統(tǒng)計(jì)自動(dòng)縫紉系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)效果：在不考慮前方編織袋包裝工序的前提下，對(duì)本套系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)測試；以1 h為限，對(duì)80個(gè)裝滿不同規(guī)格紗線的編織袋進(jìn)行縫紉數(shù)據(jù)測試，將縫紉效果差歸為縫紉失敗。系統(tǒng)運(yùn)行測試結(jié)果為評(píng)價(jià)本系統(tǒng)的縫紉效率、縫紉質(zhì)量、運(yùn)行穩(wěn)定性提供數(shù)據(jù)支撐。

自動(dòng)縫紉系統(tǒng)經(jīng)過山東某紡紗廠實(shí)際縫紉測試，實(shí)測效率如表2所示。

表2 自動(dòng)縫紉系統(tǒng)實(shí)測效率

由表2可知，每組計(jì)劃進(jìn)行80次封包，進(jìn)行9組共720次，編織袋自動(dòng)縫紉系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，總體成功率達(dá)到99.40%。失敗原因與工業(yè)縫紉機(jī)自身、氣源壓縮機(jī)壓力不足等因素有關(guān)，且故障后可以快速修復(fù)，保障生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

我國對(duì)于紡紗業(yè)末端筒子紗自動(dòng)包裝環(huán)節(jié)的探索與設(shè)計(jì)已經(jīng)比較成熟[8]。然而，工業(yè)4.0和中國制造2025的浪潮對(duì)傳統(tǒng)的筒子紗包裝行業(yè)也提出了新的要求，產(chǎn)業(yè)的革新和優(yōu)化勢在必行[9]。本文從筒子紗編織袋包裝的自動(dòng)縫紉封口工藝出發(fā)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種新型的筒子紗編織袋包裝自動(dòng)縫紉系統(tǒng)。該系統(tǒng)突破了編織袋運(yùn)動(dòng)而縫紉機(jī)頭靜止縫紉的傳統(tǒng)理念，通過夾持移動(dòng)子系統(tǒng)和縫紉移動(dòng)子系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，高效、良好地實(shí)現(xiàn)了編織袋的全自動(dòng)縫紉封口功能。