方形商標(biāo)自動(dòng)釘縫裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

劉新穎，金守峰

(西安工程大學(xué) a. 機(jī)電工程學(xué)院；b. 西安市現(xiàn)代智能紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710600)

0 引言

商標(biāo)釘縫在襪子上讓消費(fèi)者了解襪子的材質(zhì)、產(chǎn)地、廠家等信息，釘縫的過(guò)程主要由人工來(lái)完成。由于襪子產(chǎn)量逐年增加，產(chǎn)品質(zhì)量的提升以及人力成本的提高，人工釘縫商標(biāo)已不能滿足生產(chǎn)需求。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)化設(shè)備取代人工已在各領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。馬博文等采用“刷貼法”實(shí)現(xiàn)了貼標(biāo)機(jī)出標(biāo)、貼標(biāo)、壓標(biāo)、回收等工序的自動(dòng)運(yùn)行[1]。魏振曄等針對(duì)人工貼標(biāo)不衛(wèi)生、貼標(biāo)效率低下等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種試管標(biāo)簽粘貼機(jī)，實(shí)現(xiàn)試管貼標(biāo)的自動(dòng)化[2]。伍賢洪等設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)打印貼標(biāo)機(jī)構(gòu)，可根據(jù)包裝大小自動(dòng)調(diào)整標(biāo)簽大小及貼標(biāo)位置[3]。李昭等通過(guò)對(duì)采血管的輸送與貼標(biāo)裝置的設(shè)計(jì)，提出一款一次性采血管貼標(biāo)裝備，可快速、可靠地完成采血管運(yùn)輸和整理工作[4]。鄧智方等以FPGA為核心控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光纖激光打標(biāo)的需求[5]。ANONYMOUS設(shè)計(jì)了一種新型集裝箱封蓋、貼標(biāo)和封口自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)，該自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)適用于不同類型的罐、瓶等容器的自動(dòng)貼標(biāo)[6]。郝鑫等基于生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了更加人性化的激光打標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)[7]。陟俊杰等提出以ARM9處理器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種多功能貼標(biāo)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種規(guī)格瓶子的貼標(biāo)控制[8]。綜上所述，對(duì)不同標(biāo)簽的固定主要有激光打標(biāo)、不干膠粘貼等方法，但是作為紡織品的襪子，上述方法不適合其商標(biāo)的固定。因此本文采用自動(dòng)釘縫的方法，在襪子表面固定標(biāo)簽。

1 標(biāo)簽自動(dòng)釘縫機(jī)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)

1.1 手工釘縫工序分析與整體設(shè)計(jì)方案

襪子標(biāo)簽人工釘縫過(guò)程是由在釘縫工位上的工人手持膠針槍將標(biāo)簽釘縫在指定位置。手工釘縫過(guò)程柔性度較高，但是長(zhǎng)時(shí)間工作勞動(dòng)強(qiáng)度大，且具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。本文根據(jù)人工釘縫工藝特點(diǎn)及方形標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)特征，采用模塊化思想設(shè)計(jì)了如圖1所示的襪子方形標(biāo)簽自動(dòng)釘縫機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)包括標(biāo)簽存儲(chǔ)模塊、取標(biāo)模塊、定位模塊及釘縫模塊等4個(gè)模塊化機(jī)構(gòu)，并通過(guò)PLC控制各模塊之間的動(dòng)作協(xié)調(diào)并完成操作。

圖1 標(biāo)簽自動(dòng)釘縫機(jī)構(gòu)

標(biāo)簽自動(dòng)釘縫機(jī)構(gòu)的工序流程如圖2所示，將待釘縫的襪子由傳送帶輸入到自動(dòng)釘縫機(jī)構(gòu)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到襪子運(yùn)輸時(shí)，控制系統(tǒng)控制電機(jī)推送標(biāo)簽，取標(biāo)模塊將標(biāo)簽從存儲(chǔ)模塊中取出，放置在釘縫區(qū)域。此時(shí)襪子已被運(yùn)輸至定位模塊，并由定位模塊進(jìn)行襪子的定位，在壓襪板的作用下固定好待釘縫的襪子，釘縫模塊中的膠針槍執(zhí)行釘縫動(dòng)作。完成釘縫后，壓襪板和膠針槍復(fù)位，傳送帶將襪子輸出自動(dòng)釘縫機(jī)構(gòu)。通過(guò)PLC控制建立各執(zhí)行模塊之間的協(xié)調(diào)配合關(guān)系，該機(jī)構(gòu)即可完成襪子標(biāo)簽的釘縫。

圖2 襪子標(biāo)簽釘縫機(jī)釘縫工藝流程

1.2 標(biāo)簽存儲(chǔ)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了便于不同尺寸標(biāo)簽的存儲(chǔ)，保證釘縫過(guò)程的連續(xù)進(jìn)行，本文根據(jù)如圖3(a)所示的帶圓角和釘縫孔的方形標(biāo)簽圖形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖3(b)所示的帶調(diào)節(jié)功能的標(biāo)簽存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。采用對(duì)稱的兩個(gè)90°的V型護(hù)板，形成了一個(gè)近似方形的區(qū)域，用于存儲(chǔ)一定量的標(biāo)簽；固定護(hù)板固定安裝在機(jī)架上，位置不發(fā)生變化，根據(jù)方形標(biāo)簽尺寸規(guī)格的不同，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)移動(dòng)護(hù)板的左右移動(dòng)，改變兩個(gè)V型護(hù)板之間的距離來(lái)適應(yīng)不同規(guī)格的方形標(biāo)簽。將批量的方形標(biāo)簽放置在兩個(gè)V型護(hù)板構(gòu)成的存儲(chǔ)區(qū)域中，在電動(dòng)推桿的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)，并配合取標(biāo)裝置實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的取出。

圖3 標(biāo)簽存儲(chǔ)模塊

1.3 取標(biāo)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高標(biāo)簽取放的效率，本文設(shè)計(jì)了如圖4所示的回轉(zhuǎn)式單臂雙氣嘴結(jié)構(gòu)，用于吸取標(biāo)簽和放置標(biāo)簽。單臂機(jī)構(gòu)的兩端加工有調(diào)節(jié)槽，用于調(diào)節(jié)兩個(gè)氣嘴的距離，其中一個(gè)氣嘴完成吸取標(biāo)簽，初始位置在可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的正上方；另一個(gè)氣嘴完成標(biāo)簽的放置，初始位置在放標(biāo)區(qū)域的正上方。由擺動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)單臂機(jī)構(gòu)完成180°回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)吸取和放置的連續(xù)進(jìn)行。氣嘴的高度調(diào)節(jié)由氣動(dòng)滑臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)釘縫襪子和存儲(chǔ)裝置中標(biāo)簽的高度進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)。

圖4 取標(biāo)模塊

1.4 定位與釘縫模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使放置好的標(biāo)簽在釘縫過(guò)程中不產(chǎn)生偏離，本文設(shè)計(jì)了如圖5(a)所示的標(biāo)簽定位結(jié)構(gòu)。根據(jù)方形標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，定位機(jī)構(gòu)中的推標(biāo)板設(shè)計(jì)成90°的V型結(jié)構(gòu)，與方標(biāo)的直角相吻合。在氣動(dòng)滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)下，推標(biāo)板可在底座的導(dǎo)向作用下移動(dòng)，將方標(biāo)推送至打標(biāo)處進(jìn)行定位。在完成標(biāo)簽的定位后，標(biāo)簽及待釘縫的襪子均放置在如圖5(b)所示的釘縫機(jī)構(gòu)下方。為防止在釘縫過(guò)程中襪子與標(biāo)簽的相對(duì)移動(dòng)，設(shè)計(jì)了壓襪板來(lái)保持釘縫時(shí)襪子的固定。壓襪板在氣缸的驅(qū)動(dòng)下壓緊襪子，膠針槍的針頭正對(duì)標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)襪子標(biāo)簽的釘縫。

圖5 定位與釘縫模塊

2 推標(biāo)板座的有限元分析

襪子標(biāo)簽的釘縫過(guò)程中，推標(biāo)板座在定位裝置對(duì)推標(biāo)板的滑動(dòng)有著導(dǎo)向作用，其本身結(jié)構(gòu)為懸臂梁，工作過(guò)程中最易發(fā)生變形，影響定位裝置定位的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。為了保證釘縫的質(zhì)量和安全性能，采用ANSYS軟件對(duì)推標(biāo)板座進(jìn)行了有限元分析。推標(biāo)板座的結(jié)構(gòu)采用Solidworks軟件建模，將其生成x_t格式，導(dǎo)入ANSYS Workbench中。推標(biāo)板座選取材料為碳纖維。在Engineering Date界面中設(shè)定材料為 aluminium alloy，并設(shè)定aluminium alloy材料屬性；在Mesh選項(xiàng)中添加Method進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格劃分方法為 Multizone；在網(wǎng)格劃分詳細(xì)列表中將 Relevance設(shè)置為最大值100；將Relevance Center設(shè)置為Fine，網(wǎng)格大小設(shè)置為5mm，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。添加約束力后對(duì)壓襪板模型進(jìn)行求解得到結(jié)果如圖6所示。

圖6 推標(biāo)板座有限元分析結(jié)果

由圖6(b)可知，推標(biāo)板座的最大應(yīng)力在拐角處，最大應(yīng)力為0.9MPa；圖6(c)中最大應(yīng)變?yōu)?.53×10-6，圖6(d)中最大位移在推標(biāo)板座的末端，為0.0049mm。通過(guò)有限元分析，推標(biāo)板座所受應(yīng)力與碳纖維的屈服強(qiáng)度σ=9.3MPa相比，小于該數(shù)值。由仿真分析可知，該推標(biāo)板座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足釘縫過(guò)程中的應(yīng)力需求，可保證其穩(wěn)定和安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

1)本文所設(shè)計(jì)的方形商標(biāo)自動(dòng)釘縫裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同尺寸的方形商標(biāo)自動(dòng)、準(zhǔn)確、工整地釘縫。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，模塊化設(shè)計(jì)可通過(guò)分解、組合、互換，提高產(chǎn)品性能和可靠性。各模塊之間布局緊湊、配合協(xié)調(diào)合理，可保證裝置具有較高的生產(chǎn)率及較低的能耗。

2)通過(guò)對(duì)推標(biāo)板座進(jìn)行有限元分析，仿真結(jié)果表明該機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇合理、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足了力學(xué)性能要求。

3)該裝置可廣泛應(yīng)用于各大襪子企業(yè)的大批量、不同規(guī)格方標(biāo)釘縫工作，可為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，提高工作過(guò)程的安全性。