基于緩沖對刀策略的自動化鏟板組件設(shè)計(jì)

丁彩紅， 李署程， 季興躍

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

化纖紡絲生產(chǎn)中由于紡絲溶液從噴絲板噴絲孔擠出時(shí)的膨化脹大效應(yīng)[1]，噴絲板在使用一段時(shí)間后，噴絲孔周圍以及噴絲板面上會積累一些結(jié)焦物，也可能會積累微小顆?；蛘叱霈F(xiàn)熔融細(xì)流黏結(jié)在噴絲板面的現(xiàn)象[2]，影響紡絲細(xì)流的質(zhì)量。通過定期鏟板，可使噴絲板面及噴絲孔周圍保持清潔，確保紡絲質(zhì)量和紡絲過程順暢[3-4]。

目前，噴絲板的清潔主要采用人工操作，對熟練工人的依賴性高，鏟板不當(dāng)易損傷板面，且高溫作業(yè)對工人健康損害大。國外的德國歐瑞康紡織集團(tuán)、日本東麗株式會社，國內(nèi)的恒科新材料有限公司、銳冠科技有限公司等企業(yè)陸續(xù)提出鏟板自動化技術(shù)，在鏟板結(jié)構(gòu)形式上都采用機(jī)械緩沖以減小對刀時(shí)鏟刀對噴絲板面的沖擊，在鏟板方式、鏟刀布局上各有不同，但都采用旋轉(zhuǎn)刮鏟方式。日本東麗株式會社的技術(shù)涉及紡絲不停絲狀況下的設(shè)計(jì)，國內(nèi)企業(yè)目前只涉及紡絲停絲狀況下的設(shè)計(jì)。總體來看國內(nèi)外鏟板自動化的研究與設(shè)備開發(fā)仍處于起步階段。為此，本文圍繞鏟板自動化技術(shù)開展研究，提出一種串并聯(lián)組合彈簧緩沖對刀結(jié)構(gòu)方案和自動鏟板方法，完成鏟板組件的設(shè)計(jì)、動態(tài)仿真和實(shí)驗(yàn)論證。

1 鏟刀組件設(shè)計(jì)

1.1 鏟板方式

以大多數(shù)用于聚酯纖維的多孔圓形噴絲板(尺寸為104 mm×94 mm)為研究對象，如圖1所示。由于噴絲孔之間的間距較窄，孔數(shù)較多，為提高鏟板效率，在鏟刀組件上設(shè)計(jì)周向均勻布置的3個(gè)鏟刀[5]。

圖1 多孔噴絲板的鏟板方式Fig.1 Scraping method of porous spinneret

通常，噴絲板的材質(zhì)采用不銹鋼(630)，為保證噴絲板不被劃傷，鏟刀材質(zhì)選用硬度遠(yuǎn)低于不銹鋼(630)的黃銅(H62)[6]。

1.2 鏟刀組件的結(jié)構(gòu)

紡絲車間人工鏟板工藝及相關(guān)鏟刀參數(shù)如表1所示。由此設(shè)計(jì)鏟刀的厚度為3 mm，刀刃角為30°，鏟刀長度為42 mm，寬度為18 mm，鏟刀與噴絲板面間的傾角為45°。

表1 人工鏟板工藝參數(shù)Tab.1 Technical parameters of manual scraping

鏟板過程中，必須保證鏟刀刀刃始終貼緊噴絲板面才能有效清潔，且為防止鏟板組件對刀時(shí)鏟刀刀刃發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的對刀緩沖機(jī)構(gòu)。彈簧排列方式不同可實(shí)現(xiàn)不同的緩沖防護(hù)效果[7]，為此，提出了一種鏟板組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鏟刀組件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of scraper component

鏟板組件包含3個(gè)刀組，每個(gè)刀組均通過一組3個(gè)并聯(lián)的彈簧K1與底座法蘭彈性連接，使刀組在豎直方向相對于底座法蘭可彈性移動。每個(gè)刀組的鏟刀座固聯(lián)在刀組底座上，鏟刀安裝在鏟刀固定板上，而鏟刀固定板通過一個(gè)銷軸相對于鏟刀座可回轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)關(guān)系示意如圖3所示。鏟刀座內(nèi)置有頂桿和彈簧K2，頂桿的上端與鏟刀相抵觸，當(dāng)鏟刀上行抵觸噴絲板面時(shí)，鏟刀順時(shí)針轉(zhuǎn)動，頂桿被下壓，底部的彈簧K2被壓縮。由此可見，鏟刀組件通過彈簧的并聯(lián)和串聯(lián)實(shí)現(xiàn)了對刀時(shí)的機(jī)械緩沖，并為鏟刀提供鏟板力。彈簧K2主要起緩沖作用，鏟板力取決于彈簧K1的壓縮。鏟刀組件的底座法蘭可固連在機(jī)器人末端，由機(jī)器人舉升該鏟刀組件完成鏟板。

圖3 鏟刀與刀座的結(jié)構(gòu)關(guān)系Fig.3 Structural relationship between scraper and holder

2 鏟刀組件動態(tài)特性分析

2.1 鏟刀組件動力學(xué)分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 對刀參數(shù)設(shè)計(jì)

鏟刀組件在對刀時(shí)，具有一定速度的鏟刀抵觸噴絲板面的過程具有物體碰撞的現(xiàn)象。通過實(shí)驗(yàn)及鏟刀與噴絲板面的碰撞模擬分析可知，鏟刀最大碰撞變形量為0.1 mm時(shí)的碰撞速度為87.07 mm/s，取安全系數(shù)為1.5，確定鏟刀組件的最大對刀速度vm為58 mm/s。圖4示出對刀運(yùn)動規(guī)劃。設(shè)定鏟刀組件開始接觸噴絲板面的時(shí)刻為t0，對刀完成的時(shí)刻為t2，將t0～t1階段定義為對刀階段1，鏟刀刀刃由抵觸至完全貼緊噴絲板面為止；t1～t2階段定義為對刀階段2，鏟刀組件繼續(xù)上行直至鏟刀接觸力(可近似為鏟板力)達(dá)到設(shè)定值。為實(shí)現(xiàn)階段1的緩沖對刀和階段2的快速對刀，規(guī)劃對刀過程中鏟刀接觸力的變化趨勢如圖4(b)所示。為方便進(jìn)行后續(xù)分析，設(shè)計(jì)鏟刀接觸力的特征參數(shù)為：t2取0.15 s時(shí)，令f2(0.05)=4 N，f2(0.15)=50 N，x2(0.05)=0.8 mm，x2(0.15)=2.5 mm。

圖4 對刀運(yùn)動規(guī)劃Fig.4 Tool movement planning. (a)Tool setting stage;(b)Contact force of scraper

2.1.2 鏟刀組件的力學(xué)模型

針對圖2所示的鏟刀組件結(jié)構(gòu)，建立其力學(xué)模型如圖5所示。圖5(a)、(b)所示過程對應(yīng)對刀階段1，此時(shí)彈簧K1和K2同時(shí)壓縮，而對刀階段2僅彈簧K1被壓縮。

圖5 鏟刀組件的對刀過程Fig.5 Tool setting process of scraper component.(a)Scraper starting to touch spinneret;(b) Scraper tightly pressed upon spinneret

對刀階段1，鏟刀組件3個(gè)自由度x1、x2和θ有如下平衡關(guān)系：

(1)

(2)

(3)

式中：m1為底座法蘭的質(zhì)量，kg；m2為刀組底座、鏟刀座及連接件的總質(zhì)量，kg；m3為鏟刀固定板、鏟刀及連接件的總質(zhì)量，kg；g為重力加速度，其值為 9.8 m/s2；f1、f2為驅(qū)動力和鏟刀接觸力，N；x1、x2為底座法蘭和刀組底座在對刀時(shí)上升的位移，均為時(shí)間t的函數(shù)，mm；J3為底座法蘭的轉(zhuǎn)動慣量，kg·mm2；k1、k2分別為彈簧K1和K2的剛度系數(shù)，N/mm；l1、l2分別為如圖5所示的距離，l3為鏟刀質(zhì)心至鏟刀轉(zhuǎn)動中心的距離，mm；θ為鏟刀轉(zhuǎn)角弧度，rad，由于轉(zhuǎn)動角度微小，可近似認(rèn)為：

θ(t)≈x2(t)/R

(4)

式中，R為刀刃抵觸點(diǎn)繞銷軸的轉(zhuǎn)動半徑，mm。

對刀階段2，鏟刀刀刃已全部接觸噴絲板面，鏟刀組件繼續(xù)上行，此時(shí)只有彈簧K1繼續(xù)被壓縮，系統(tǒng)只有1個(gè)自由度，m2與m3均保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，鏟刀組件的力學(xué)模型如式(1)所示。

對刀階段2結(jié)束后，鏟刀接觸力達(dá)到設(shè)定所需值，此時(shí)鏟刀組件處于力平衡，則有：

(5)

由鏟刀組件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可獲得參數(shù)m1、m2、m3、l1、l2、l3、J3、R的具體值。根據(jù)前述設(shè)計(jì)的鏟刀接觸力的特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，由式(5)可求得彈簧系統(tǒng)的k1=9.555 N/mm；聯(lián)立式(2)～(4)可求得k2=6.132 N/mm。最后取彈簧剛度系數(shù)k1=10 N/mm，k2=6 N/mm，由此完成鏟刀組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，后續(xù)將對鏟刀組件進(jìn)行Adams仿真驗(yàn)證。

2.2 Adams動力學(xué)仿真

2.2.1 仿真設(shè)置

應(yīng)用Adams對鏟刀組件的對刀運(yùn)動和動態(tài)特性進(jìn)行模擬仿真。對刀時(shí)產(chǎn)生的碰撞力由二部分組成，即鏟刀與噴絲板相互擠壓產(chǎn)生的彈性力和相對速度產(chǎn)生的阻尼力。在Adams中采用impact函數(shù)來建立接觸碰撞力模型[8]，獲得碰撞力F的計(jì)算公式為

式中：k為接觸表面的剛度，N/mm；e為碰撞力指數(shù)，金屬材料取1.5；q1為兩碰撞構(gòu)件的初始距離，mm；q為兩構(gòu)件碰撞過程的實(shí)際距離， mm；C為最大阻尼系數(shù)，N/(mm/s)；d為最大阻尼時(shí)的侵入深度，mm；step()為三次多項(xiàng)式逼近海維賽階躍函數(shù)，是Adams軟件中提供的一種表示黏性阻尼模型的函數(shù)，其返回值為阻尼系數(shù)。

應(yīng)用圖2所示的結(jié)構(gòu)建立鏟刀組件接觸噴絲板的Adams虛擬樣機(jī)模型，在底座法蘭和刀組底座、頂桿與鏟刀座之間分別建立滑動約束，在鏟刀固定板與鏟刀座之間以銷軸為中心添加旋轉(zhuǎn)副，底座法蘭與大地添加圓柱副；在噴絲板與鏟刀之間添加接觸，設(shè)定侵入深度為0.1 mm；在鏟刀固定板與頂桿之間添加接觸，因彈簧K2的剛度遠(yuǎn)小于鏟刀固定板與頂桿的剛度，侵入深度完全被彈簧K2的壓縮所抵消，因此，設(shè)定侵入深度為0；設(shè)定靜摩擦系數(shù)為0.18，動摩擦系數(shù)為0.12，并分別添加彈簧K1、K2，普通鋼制彈簧的阻尼非常小，可忽略不計(jì)[9]。

2.2.2 仿真結(jié)果

實(shí)際對刀時(shí)，鏟刀距離噴絲板較遠(yuǎn)，為提高Adams仿真效率，將鏟刀與噴絲板接觸碰撞的初始距離q1設(shè)定為4.35 mm，設(shè)置總仿真時(shí)間為0.4 s，設(shè)定仿真0.15 s后鏟刀組件以最大對刀速度 58 mm/s 抵觸噴絲板面，繼續(xù)經(jīng)過0.15 s后完成對刀。

對刀運(yùn)動Adams仿真的速度變化如圖6所示?？芍悍抡娉跏荚趶椈勺饔孟麓嬖谝欢ú▌樱S鏟刀組件的加速快速達(dá)到平穩(wěn)；0.15 s時(shí)鏟刀運(yùn)動速度產(chǎn)生突變，表示對刀運(yùn)動進(jìn)入對刀階段1；0.22 s時(shí)鏟刀刀刃全部接觸噴絲板面，速度再次突變，表示對刀運(yùn)動進(jìn)入對刀階段2；底座法蘭繼續(xù)上升至 0.3 s 時(shí)完成對刀，速度降為零。

圖6 鏟刀組件速度變化趨勢Fig.6 Velocity change trend of scraper component

彈簧K1、K2和鏟刀的接觸力變化如圖7所示?？芍哼M(jìn)入對刀階段1，鏟刀接觸力緩慢增大，K1、K2均受壓；進(jìn)入對刀階段2，鏟刀刀刃貼緊噴絲板面，K2基本保持不變，K1繼續(xù)受壓，鏟刀接觸力快速增大。

由圖7可見，Adams仿真所顯示的鏟刀接觸力的變化趨勢符合對刀運(yùn)動鏟刀接觸力的設(shè)計(jì)規(guī)劃，驗(yàn)證了彈簧串并聯(lián)緩沖結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性以及對刀運(yùn)動規(guī)劃的合理性。Adams仿真通過改變對刀速度和對刀時(shí)間以改變彈簧K1的壓縮量，獲得不同的鏟刀接觸力以適應(yīng)不同的鏟板工況。

3 鏟板實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與搭建

本文搭建的自動化鏟板實(shí)驗(yàn)平臺如圖8所示，包括鏟板機(jī)械系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖8 噴絲板自動化鏟板實(shí)驗(yàn)裝置Fig.8 Test device of automatic scraping for spinneret

采用步進(jìn)電動機(jī)通過同步帶傳動帶動2組鏟刀組件旋轉(zhuǎn)構(gòu)成一個(gè)自動化鏟板末端執(zhí)行器，能同時(shí)刮鏟2塊噴絲板面；由伺服電動機(jī)+滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動鏟板末端執(zhí)行器的上下往復(fù)運(yùn)動，完成鏟刀對刀。采用西門子S7-200型可編程邏輯控制器控制末端執(zhí)行器和鏟刀的運(yùn)動，通過具有力傳感功能的鏟刀固定板反饋對刀時(shí)的接觸力，根據(jù)一定的閾值設(shè)置控制各運(yùn)動的起停。

為使實(shí)驗(yàn)接近實(shí)際紡絲工況，在實(shí)驗(yàn)平臺上部的噴絲板處設(shè)置噴絲板加熱裝置，使用高溫陶瓷發(fā)熱片為噴絲板面加熱，使用與聚酯纖維黏結(jié)特性較一致的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)樹脂型熱熔膠模擬纖維結(jié)焦物，通過對噴絲板的持續(xù)加熱和溫度調(diào)節(jié)模擬實(shí)際鏟板時(shí)噴絲板的工況。

3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

首先在實(shí)驗(yàn)平臺上開展接觸力測量實(shí)驗(yàn)，設(shè)定接觸力達(dá)到42 N時(shí)鏟板組件停止上行，得到對刀過程的接觸力變化曲線如圖9所示。

圖9 對刀時(shí)的鏟刀接觸力Fig.9 Contact force of scraper during tool setting

由圖9可見：在對刀階段1，鏟刀刀刃抵觸噴絲板面時(shí)(t=0.15 s)接觸力存在突變，然后緩慢增加，由于鏟刀固定板與頂桿之間的滑移摩擦，使鏟刀接觸力出現(xiàn)波動；在對刀階段2，接觸力快速增加，待接觸力達(dá)到設(shè)定值后，鏟刀組件停止上行運(yùn)動，接觸力也保持穩(wěn)定，接著鏟刀將做旋轉(zhuǎn)刮鏟運(yùn)動?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)得到鏟刀接觸力變化趨勢與仿真結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了鏟刀組件設(shè)計(jì)的可行性。

繼續(xù)開展結(jié)焦物刮鏟實(shí)驗(yàn)，分別以20、30、40 N的接觸力進(jìn)行刮鏟，鏟板時(shí)間為5 s，鏟板速度為 2 r/s，模擬的結(jié)焦物和鏟板后的狀態(tài)如圖10所示?？梢钥闯觯P刀接觸力越大，鏟板效果越明顯。針對模擬結(jié)焦物工況實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鏟刀接觸力達(dá)到40 N即可有效良好地清潔板面，繼續(xù)增大接觸力，板面更清潔，但清潔程度變化不大，而鏟刀由于其黃銅材質(zhì)特性，在作用力達(dá)到一定值后出現(xiàn)快速磨損[10]，一定程度上縮短了鏟刀壽命，增加了磨刀頻率。

圖10 不同接觸力的鏟板效果Fig.10 Scraping effect with different contact forces.(a) Before scraping; (b) 20 N; (c) 30 N;(d) 40 N

4 結(jié) 論

通過對人工鏟板工藝進(jìn)行分析，提出了一種串并聯(lián)彈簧緩沖對刀結(jié)構(gòu)的自動化鏟板設(shè)計(jì)方案。圍繞該設(shè)計(jì)方案，開展了相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。

1)完成了對刀運(yùn)動在緩沖對刀和快速對刀 2個(gè)階段的速度規(guī)劃曲線和接觸力規(guī)劃曲線。

2)建立鏟刀組件結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，取最大對刀速度(58 mm/s)和接觸力(50 N)進(jìn)行計(jì)算，得到彈簧緩沖對刀結(jié)構(gòu)的彈簧K1和K2的剛度系數(shù)分別為 10、6 N/mm。

3)應(yīng)用Adams仿真驗(yàn)證了鏟刀組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合對刀運(yùn)動的速度規(guī)劃和接觸力規(guī)劃要求。

4)設(shè)計(jì)并搭建了自動化鏟板實(shí)驗(yàn)平臺，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際對刀時(shí)的受力趨勢與仿真結(jié)果一致，且可有效清潔噴絲板面，驗(yàn)證了鏟刀組件設(shè)計(jì)的正確性和有效性；隨著鏟刀接觸力的增大，噴絲板面的清潔效果越明顯，而鏟刀的磨損也隨之加劇，為此在滿足鏟板清潔要求的情況下不建議采用更大的接觸力。