穿經(jīng)機自動穿筘系統(tǒng)設計

顏 鵬，王二化

(常州信息職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，江蘇 常州 213164)

穿筘是穿經(jīng)的重要工序，穿經(jīng)過程是指將紗線自動穿過經(jīng)停片、綜絲和鋼筘。我國中小型紡織企業(yè)穿筘自動化程度低，穿筘設備以G177自動穿筘機為主[1-2]。該穿筘機結(jié)構(gòu)簡單、效率低，工人勞動強度大，已經(jīng)不能適應現(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定位的自動穿筘系統(tǒng)[4-5]，但是存在可靠性不佳、靈活性差等問題，未能廣泛應用。本文分析鋼筘的外形特征，設計了一種穿經(jīng)機自動穿筘系統(tǒng)，該系統(tǒng)與自動分紗等裝置結(jié)合，可以共同完成穿經(jīng)動作，實現(xiàn)穿經(jīng)自動化。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)設計

1.1 工作原理

鋼筘見圖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,筘齒之間有間隙，紗線從筘齒間隙穿過。自動穿筘系統(tǒng)的工作原理見圖2。將鋼筘“1”下端鎖緊在鎖緊支架“11”上，上端由導向滾輪“3”壓緊，滾輪導引鋼筘“1”運動，伺服電動機“7”通過絲杠“6”、鋼筘夾子“5”帶動鋼筘“1”往返運動；工業(yè)相機“4”拍照判斷鋼筘“1”是否移動到筘刀“2”對準的位置，如果未能到位，根據(jù)相機“4”拍照反饋的偏差值，伺服電動機“7”帶動鋼筘移動進行位置補償，如果相機“4”判斷鋼筘移動到位，則筘刀“2”進給，插入筘齒，擴大筘齒縫隙，然后劍帶“8”進給穿過筘齒縫隙，劍帶頭上的穿引鉤“9”勾住紗線，劍帶“8”后退，紗線穿引鉤“9”將紗線勾過鋼筘，這樣完成一個自動穿筘周期動作，紗線被勾過鋼筘以后，筘刀“2”從筘齒縫隙中退回，鋼筘夾子“5”帶動鋼筘“1”，鋼筘“1”拖動鎖緊支架“11”沿著V型導軌“12”向前移動一個筘齒齒間距離，移動到位后，工業(yè)相機“4”再次拍照判斷，自動穿筘系統(tǒng)重復上述動作。鋼筘夾子“5”運動到滾珠絲杠“6”行程末端時，當紗線穿引鉤“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，鋼筘夾子“5”松開鋼筘，然后在絲杠傳動下回移到原點，到原點后，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)帶動鋼筘“1”做進給運動，系統(tǒng)重新開始穿筘。

圖1 鋼筘

1—鋼筘；2—筘刀；3—導向滾輪；4—工業(yè)相機；5—鋼筘夾子；6—滾珠絲杠；7—伺服電動機；8—劍帶；9—紗線穿引鉤；10—支架移動滾輪；11—鋼筘鎖緊支架；12—V型導軌圖2 自動穿筘系統(tǒng)工作原理圖

1.2 結(jié)構(gòu)設計

整個穿經(jīng)機自動穿筘系統(tǒng)可以分成3個主要構(gòu)成部分，筘刀進給系統(tǒng)、鋼筘驅(qū)動進給系統(tǒng)、鋼筘移動支架系統(tǒng)。穿經(jīng)機自動穿箱系統(tǒng)主要組件見圖3，筘刀進給系統(tǒng)“1”驅(qū)動筘刀進給和縮回；鋼筘進給驅(qū)動系統(tǒng)“2”主要通過鋼筘夾子夾住鋼筘移動，在鋼筘進給驅(qū)動系統(tǒng)“2”前部裝有導向滾輪“6”，導向滾輪“6”壓緊鋼筘上部并引導鋼筘移動；第3部分是鋼筘移動支架系統(tǒng)“4”，系統(tǒng)將鋼筘固定在鋼箱移動支架“4”上面，鋼筘帶動移動支架通過移動滾輪“5”在導軌“7”上運動。

1—筘刀進給系統(tǒng)；2—工業(yè)相機；3—鋼筘驅(qū)動進給系統(tǒng)；4—鋼筘移動支架；5—移動滾輪；6—導向滾輪；7—導軌圖3 穿經(jīng)機自動穿筘系統(tǒng)主要組件

1.2.1 筘刀進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

筘刀安裝在齒條上，由步進電動機通過驅(qū)動齒輪齒條裝置實現(xiàn)前后運動，筘刀進給系統(tǒng)下部安裝工業(yè)相機，工業(yè)相機通過光學棱鏡檢測鋼筘移動位置、測量筘齒間隙等。筘刀進給系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖4。

圖4 筘刀進給系統(tǒng)構(gòu)成圖

如果筘刀沒有對準筘齒間隙，筘刀進給時會撞到筘齒，筘齒與筘刀會發(fā)生損壞，為了防止筘刀與筘齒剛性碰撞，系統(tǒng)內(nèi)設計了防撞機構(gòu)，筘刀防撞機構(gòu)工作原理見圖5；筘刀驅(qū)動步進電動機驅(qū)動齒輪“1”轉(zhuǎn)動，齒輪帶動齒條前后運動，齒條通過鋼球“4”帶動筘刀安裝條“3”和筘刀“7”運動，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，當筘刀“7”幢到筘齒上，筘刀安裝條“3”無法進給時，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)進給，從而保護驅(qū)動電動機和筘刀進給機構(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 筘刀防撞機構(gòu)原理

1—絲杠螺母；2—夾緊氣缸；3—伺服電動機；4—導向滾輪；5—鋼筘夾子；6—轉(zhuǎn)動桿；7—滾珠絲杠。圖6 鋼筘驅(qū)動系統(tǒng)

1.2.2 鋼筘進給驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

鋼筘進給驅(qū)動系統(tǒng)要求鋼筘運動位移量能夠精確可控，因此采用伺服電動機作為驅(qū)動元件，滾珠絲杠作為傳動元件，鋼筘驅(qū)動系統(tǒng)見圖6。示出，伺服電動機“3”帶動滾珠絲杠“7”轉(zhuǎn)動，絲杠螺母“1”帶動鋼筘夾子“5”前后運動，夾緊氣缸“2”固定在絲杠螺母上，夾緊氣缸“2”通過杠桿撥動轉(zhuǎn)動桿“6”轉(zhuǎn)動，從而帶動鋼筘夾子“5”夾緊和松開，鋼筘在鋼筘夾子“5”的夾緊下，沿著導向滾輪“4”向前運動。

圖7 移動支架結(jié)構(gòu)

1.2.3 鋼筘移動支架結(jié)構(gòu)設計

鋼筘下端鎖緊在移動支架上，移動支架結(jié)構(gòu)見圖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。一般一套設備上共需要2個支架用于支撐鋼筘，前后2個支架分別安裝擋板3用于限制鋼筘位置。鋼筘進給時，帶動支架通過滾輪5在導軌上移動。

2 穿經(jīng)機自動穿筘控制系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)硬件選型及原理圖

穿經(jīng)機要求工作速度快，每分鐘可以穿140根紗，平均無故障間隔時間要達到800 h，可靠性要求高。相應的穿筘速度也要達到每分鐘穿筘140次以上，經(jīng)過在開發(fā)成本、可靠性、開發(fā)周期等方面的綜合考慮，穿經(jīng)機采用PLC Q03UDE控制器(三菱電動機自動化(中國)有限公司)[6-7]。自動穿筘系統(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給驅(qū)動電動機和筘刀進給驅(qū)動電動機的控制裝置，鋼筘進給驅(qū)動電動機采用伺服電動機，筘刀進退驅(qū)動則采用步進電動機。為了便于實時觀察相機所采集的圖像，方便采用靈活的處理算法，經(jīng)過對嵌入式視覺系統(tǒng)和基于PC的視覺系統(tǒng)對比后，采用基于PC的機器視覺系統(tǒng)作為筘齒定位傳感裝置[8-9]。工業(yè)相機采用200萬像素的F-210B 相機(德國AVT公司)；鏡頭采用GCO-232遠心鏡頭(大恒新紀元科技股份有限公司)?？紤]到安裝位置使相機無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，相機圖片處理由工業(yè)PC完成，視覺軟件程序采用Labview編寫?？刂葡到y(tǒng)硬件配置如表1。穿經(jīng)機自動穿筘系統(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)機自動穿筘系統(tǒng)電路圖

2.2 軟件設計

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開發(fā)；第2部分是工業(yè)相機圖像采集程序，采用Labview編寫，工業(yè)相機和PLC通訊采用以太網(wǎng)通訊方式。PLC負責整個系統(tǒng)的總體控制，PC負責測量和處理鋼筘的圖片，拍照時，PLC發(fā)信號給PC, 工業(yè)PC通過1394B總線觸發(fā)相機拍照，開始圖像采集、二值化等操作，然后測量出筘齒的距離、筘刀的位置坐標并反饋給PLC，由PLC判斷是否走下一步動作，單個周期穿筘循環(huán)動作流程見圖9,穿筘動作主要由PLC控制完成。于鋼筘在長期工作后，筘齒間沾滿棉絮，會影響視覺系統(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

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)視覺系統(tǒng)測量、判斷、鋼筘運動、定位和筘刀進給等動作，主要完成①穿經(jīng)機自動穿筘運動過程分析；②鋼筘進給驅(qū)動系統(tǒng)、筘刀進給系統(tǒng)，鋼筘移動支架的機構(gòu)設計；③穿經(jīng)機自動穿筘控制系統(tǒng)硬件選型與設計；④自動穿筘控制系統(tǒng)軟件設計。本系統(tǒng)穩(wěn)定、高速、高效，已經(jīng)成功應用于企業(yè)，每分鐘可穿筘140次，是傳統(tǒng)G177電磁穿筘機的6倍以上，完全滿足穿經(jīng)機對自動穿筘動作速度方面的要求。