穿經(jīng)機(jī)自動(dòng)穿筘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顏 鵬，王二化

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

穿筘是穿經(jīng)的重要工序，穿經(jīng)過(guò)程是指將紗線自動(dòng)穿過(guò)經(jīng)停片、綜絲和鋼筘。我國(guó)中小型紡織企業(yè)穿筘自動(dòng)化程度低，穿筘設(shè)備以G177自動(dòng)穿筘機(jī)為主[1-2]。該穿筘機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需求[3]。部分企業(yè)和院校研制了基于光電定位、激光定位或者CCD定位的自動(dòng)穿筘系統(tǒng)[4-5]，但是存在可靠性不佳、靈活性差等問(wèn)題，未能廣泛應(yīng)用。本文分析鋼筘的外形特征，設(shè)計(jì)了一種穿經(jīng)機(jī)自動(dòng)穿筘系統(tǒng)，該系統(tǒng)與自動(dòng)分紗等裝置結(jié)合，可以共同完成穿經(jīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)穿經(jīng)自動(dòng)化。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

鋼筘見(jiàn)圖1，鋼筘由筘齒和筘梁組成。鋼筘有單層筘齒和雙層筘齒2種型號(hào),筘齒之間有間隙，紗線從筘齒間隙穿過(guò)。自動(dòng)穿筘系統(tǒng)的工作原理見(jiàn)圖2。將鋼筘“1”下端鎖緊在鎖緊支架“11”上，上端由導(dǎo)向滾輪“3”壓緊，滾輪導(dǎo)引鋼筘“1”運(yùn)動(dòng)，伺服電動(dòng)機(jī)“7”通過(guò)絲杠“6”、鋼筘夾子“5”帶動(dòng)鋼筘“1”往返運(yùn)動(dòng)；工業(yè)相機(jī)“4”拍照判斷鋼筘“1”是否移動(dòng)到筘刀“2”對(duì)準(zhǔn)的位置，如果未能到位，根據(jù)相機(jī)“4”拍照反饋的偏差值，伺服電動(dòng)機(jī)“7”帶動(dòng)鋼筘移動(dòng)進(jìn)行位置補(bǔ)償，如果相機(jī)“4”判斷鋼筘移動(dòng)到位，則筘刀“2”進(jìn)給，插入筘齒，擴(kuò)大筘齒縫隙，然后劍帶“8”進(jìn)給穿過(guò)筘齒縫隙，劍帶頭上的穿引鉤“9”勾住紗線，劍帶“8”后退，紗線穿引鉤“9”將紗線勾過(guò)鋼筘，這樣完成一個(gè)自動(dòng)穿筘周期動(dòng)作，紗線被勾過(guò)鋼筘以后，筘刀“2”從筘齒縫隙中退回，鋼筘夾子“5”帶動(dòng)鋼筘“1”，鋼筘“1”拖動(dòng)鎖緊支架“11”沿著V型導(dǎo)軌“12”向前移動(dòng)一個(gè)筘齒齒間距離，移動(dòng)到位后，工業(yè)相機(jī)“4”再次拍照判斷，自動(dòng)穿筘系統(tǒng)重復(fù)上述動(dòng)作。鋼筘夾子“5”運(yùn)動(dòng)到滾珠絲杠“6”行程末端時(shí)，當(dāng)紗線穿引鉤“9”勾回紗線后，筘刀“2”并不退回，而是留在筘齒縫隙內(nèi)防止鋼筘“1”前后移動(dòng)，鋼筘夾子“5”松開(kāi)鋼筘，然后在絲杠傳動(dòng)下回移到原點(diǎn)，到原點(diǎn)后，鋼筘夾子“5”再次夾住鋼筘“1”，筘刀“2”退出筘齒縫隙，鋼筘夾子“5”繼續(xù)帶動(dòng)鋼筘“1”做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)重新開(kāi)始穿筘。

圖1 鋼筘

1—鋼筘；2—筘刀；3—導(dǎo)向滾輪；4—工業(yè)相機(jī)；5—鋼筘夾子；6—滾珠絲杠；7—伺服電動(dòng)機(jī)；8—?jiǎng)В?—紗線穿引鉤；10—支架移動(dòng)滾輪；11—鋼筘鎖緊支架；12—V型導(dǎo)軌圖2 自動(dòng)穿筘系統(tǒng)工作原理圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)穿經(jīng)機(jī)自動(dòng)穿筘系統(tǒng)可以分成3個(gè)主要構(gòu)成部分，筘刀進(jìn)給系統(tǒng)、鋼筘驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)、鋼筘移動(dòng)支架系統(tǒng)。穿經(jīng)機(jī)自動(dòng)穿箱系統(tǒng)主要組件見(jiàn)圖3，筘刀進(jìn)給系統(tǒng)“1”驅(qū)動(dòng)筘刀進(jìn)給和縮回；鋼筘進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)“2”主要通過(guò)鋼筘夾子夾住鋼筘移動(dòng)，在鋼筘進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)“2”前部裝有導(dǎo)向滾輪“6”，導(dǎo)向滾輪“6”壓緊鋼筘上部并引導(dǎo)鋼筘移動(dòng)；第3部分是鋼筘移動(dòng)支架系統(tǒng)“4”，系統(tǒng)將鋼筘固定在鋼箱移動(dòng)支架“4”上面，鋼筘帶動(dòng)移動(dòng)支架通過(guò)移動(dòng)滾輪“5”在導(dǎo)軌“7”上運(yùn)動(dòng)。

1—筘刀進(jìn)給系統(tǒng)；2—工業(yè)相機(jī)；3—鋼筘驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)；4—鋼筘移動(dòng)支架；5—移動(dòng)滾輪；6—導(dǎo)向滾輪；7—導(dǎo)軌圖3 穿經(jīng)機(jī)自動(dòng)穿筘系統(tǒng)主要組件

1.2.1 筘刀進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筘刀安裝在齒條上，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條裝置實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)，筘刀進(jìn)給系統(tǒng)下部安裝工業(yè)相機(jī)，工業(yè)相機(jī)通過(guò)光學(xué)棱鏡檢測(cè)鋼筘移動(dòng)位置、測(cè)量筘齒間隙等。筘刀進(jìn)給系統(tǒng)構(gòu)成圖見(jiàn)圖4。

圖4 筘刀進(jìn)給系統(tǒng)構(gòu)成圖

如果筘刀沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)筘齒間隙，筘刀進(jìn)給時(shí)會(huì)撞到筘齒，筘齒與筘刀會(huì)發(fā)生損壞，為了防止筘刀與筘齒剛性碰撞，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)了防撞機(jī)構(gòu)，筘刀防撞機(jī)構(gòu)工作原理見(jiàn)圖5；筘刀驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪“1”轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)齒條前后運(yùn)動(dòng)，齒條通過(guò)鋼球“4”帶動(dòng)筘刀安裝條“3”和筘刀“7”運(yùn)動(dòng)，鋼球“4”被彈簧“5”和鎖緊螺釘“6”壓在齒條“2”的錐形槽內(nèi)，筘刀“7”安裝在筘刀安裝條“3”上面，當(dāng)筘刀“7”幢到筘齒上，筘刀安裝條“3”無(wú)法進(jìn)給時(shí)，齒條“2”錐形槽擠壓鋼球，使鋼球縮回到筘刀安裝條“3”的孔內(nèi)，這樣齒條“2”和筘刀安裝條“3”之間打滑，阻止筘刀安裝條“3”繼續(xù)進(jìn)給，從而保護(hù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和筘刀進(jìn)給機(jī)構(gòu)。

1—齒輪；2—齒條；3—筘刀安裝條；4—鋼球；5—彈簧；6—鎖緊螺釘；7— 筘刀。圖5 筘刀防撞機(jī)構(gòu)原理

1—絲杠螺母；2—夾緊氣缸；3—伺服電動(dòng)機(jī)；4—導(dǎo)向滾輪；5—鋼筘夾子；6—轉(zhuǎn)動(dòng)桿；7—滾珠絲杠。圖6 鋼筘驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.2.2 鋼筘進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼筘進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求鋼筘運(yùn)動(dòng)位移量能夠精確可控，因此采用伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，滾珠絲杠作為傳動(dòng)元件，鋼筘驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)見(jiàn)圖6。示出，伺服電動(dòng)機(jī)“3”帶動(dòng)滾珠絲杠“7”轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母“1”帶動(dòng)鋼筘夾子“5”前后運(yùn)動(dòng)，夾緊氣缸“2”固定在絲杠螺母上，夾緊氣缸“2”通過(guò)杠桿撥動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿“6”轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鋼筘夾子“5”夾緊和松開(kāi)，鋼筘在鋼筘夾子“5”的夾緊下，沿著導(dǎo)向滾輪“4”向前運(yùn)動(dòng)。

圖7 移動(dòng)支架結(jié)構(gòu)

1.2.3 鋼筘移動(dòng)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼筘下端鎖緊在移動(dòng)支架上，移動(dòng)支架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。示出鋼筘被夾緊在壓輪1和壓輪2之間，壓輪1和壓輪2采用偏心輪結(jié)構(gòu)，可以微調(diào)鋼筘高度；旋緊手柄4松開(kāi)后，壓輪1和壓輪2 可以直接較大幅度上下調(diào)節(jié)高度，擋板3用于限制鋼筘的位置。一般一套設(shè)備上共需要2個(gè)支架用于支撐鋼筘，前后2個(gè)支架分別安裝擋板3用于限制鋼筘位置。鋼筘進(jìn)給時(shí)，帶動(dòng)支架通過(guò)滾輪5在導(dǎo)軌上移動(dòng)。

2 穿經(jīng)機(jī)自動(dòng)穿筘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件選型及原理圖

穿經(jīng)機(jī)要求工作速度快，每分鐘可以穿140根紗，平均無(wú)故障間隔時(shí)間要達(dá)到800 h，可靠性要求高。相應(yīng)的穿筘速度也要達(dá)到每分鐘穿筘140次以上，經(jīng)過(guò)在開(kāi)發(fā)成本、可靠性、開(kāi)發(fā)周期等方面的綜合考慮，穿經(jīng)機(jī)采用PLC Q03UDE控制器(三菱電動(dòng)機(jī)自動(dòng)化(中國(guó))有限公司)[6-7]。自動(dòng)穿筘系統(tǒng)也以PLC Q03UDE為核心控制元件，選用輸入模塊QX42作為各種開(kāi)關(guān)的輸入裝置，采用輸出模塊QY42P作為控制電磁閥等組件的輸出裝置，采用QD75D4定位模塊作為鋼筘進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和筘刀進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置，鋼筘進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用伺服電動(dòng)機(jī)，筘刀進(jìn)退驅(qū)動(dòng)則采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。為了便于實(shí)時(shí)觀察相機(jī)所采集的圖像，方便采用靈活的處理算法，經(jīng)過(guò)對(duì)嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)和基于PC的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)比后，采用基于PC的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)作為筘齒定位傳感裝置[8-9]。工業(yè)相機(jī)采用200萬(wàn)像素的F-210B 相機(jī)(德國(guó)AVT公司)；鏡頭采用GCO-232遠(yuǎn)心鏡頭(大恒新紀(jì)元科技股份有限公司)?？紤]到安裝位置使相機(jī)無(wú)法直接拍攝到筘齒圖案，鏡頭前面安裝了45°棱鏡，用于反射鋼筘圖像。照明方案采用背光方式，相機(jī)圖片處理由工業(yè)PC完成，視覺(jué)軟件程序采用Labview編寫(xiě)?？刂葡到y(tǒng)硬件配置如表1。穿經(jīng)機(jī)自動(dòng)穿筘系統(tǒng)電路圖如圖8所示。

表1 控制系統(tǒng)硬件配置表

圖8 穿經(jīng)機(jī)自動(dòng)穿筘系統(tǒng)電路圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件包含2部分，第1部分是PLC的控制程序，該程序基于GX WORKS2開(kāi)發(fā)；第2部分是工業(yè)相機(jī)圖像采集程序，采用Labview編寫(xiě)，工業(yè)相機(jī)和PLC通訊采用以太網(wǎng)通訊方式。PLC負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的總體控制，PC負(fù)責(zé)測(cè)量和處理鋼筘的圖片，拍照時(shí)，PLC發(fā)信號(hào)給PC, 工業(yè)PC通過(guò)1394B總線觸發(fā)相機(jī)拍照，開(kāi)始圖像采集、二值化等操作，然后測(cè)量出筘齒的距離、筘刀的位置坐標(biāo)并反饋給PLC，由PLC判斷是否走下一步動(dòng)作，單個(gè)周期穿筘循環(huán)動(dòng)作流程見(jiàn)圖9,穿筘動(dòng)作主要由PLC控制完成。于鋼筘在長(zhǎng)期工作后，筘齒間沾滿棉絮，會(huì)影響視覺(jué)系統(tǒng)的判斷，綜合比較分析多種算法后，在工業(yè)PC圖像處理程序中采用了凸殼算法[10]，消除棉絮的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量、判斷、鋼筘運(yùn)動(dòng)、定位和筘刀進(jìn)給等動(dòng)作，主要完成①穿經(jīng)機(jī)自動(dòng)穿筘運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析；②鋼筘進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、筘刀進(jìn)給系統(tǒng)，鋼筘移動(dòng)支架的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；③穿經(jīng)機(jī)自動(dòng)穿筘控制系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)；④自動(dòng)穿筘控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)穩(wěn)定、高速、高效，已經(jīng)成功應(yīng)用于企業(yè)，每分鐘可穿筘140次，是傳統(tǒng)G177電磁穿筘機(jī)的6倍以上，完全滿足穿經(jīng)機(jī)對(duì)自動(dòng)穿筘動(dòng)作速度方面的要求。