環(huán)錠紡繞紗與接頭機械手結(jié)構(gòu)設計

曾凡超，何 勇，張國輝，周陽華

（東華大學 機械工程學院，上海 201600）

0 引言

環(huán)錠紡紗機具有生產(chǎn)的品種多，適合生產(chǎn)的原料廣，紗線質(zhì)量好等優(yōu)點，促就了環(huán)錠紡在紡紗行業(yè)中不可代替的地位[1，2]。進入21世紀，環(huán)錠紡紗機呈現(xiàn)出了高速運轉(zhuǎn)、互聯(lián)監(jiān)控和數(shù)控驅(qū)動等特點[3]。然而環(huán)錠紡紗機的接線一直由人工來完成，勞動強度大、效率低、用工成本高，多少年來，環(huán)錠紡紗機自動接頭一直是紡織界亟需解決的問題。早在意大利米蘭展覽會上，西德青澤、意大利卡梅、瑞士希斯潘和意大利康涅展出了用于環(huán)錠紡紗機接頭的裝置[4]，RIETER和PREMIER等公司提出了多種用于環(huán)錠紡紗機自動接頭裝置的專利[5，6]。國內(nèi)唐火紅等人也設計出了環(huán)錠紡紗機的自動接頭機器人，并對其關鍵部件進行了動力學分析[7]。但是這些裝置仍然不夠成熟且無法完全代替人工接頭。根據(jù)這種現(xiàn)狀，設計了一套環(huán)錠紡繞紗與接頭機械手，在緊湊的操作空間內(nèi)規(guī)劃了機械手末端執(zhí)行器的運動軌跡，并對其運動規(guī)律和軌跡進行了優(yōu)化，避免了機械手的沖擊，從而提高了機械手繞紗與接線的成功率。

1 環(huán)錠紡接頭工藝分析與軌跡確定

1.1 接頭工藝分析

環(huán)錠紡紗機導紗鉤及牽伸裝置位置示意圖如圖1所示，導紗鉤和前下羅拉軸的水平距離為70mm，豎直距離為120mm。導紗鉤固定于機架上，其形式是開口式的且末端斜向下方。牽伸裝置由三羅拉雙膠圈組成，在工作過程中粗紗經(jīng)過中、后羅拉之后紗條以較高的緊密度喂入前羅拉，紗條經(jīng)過前羅拉的處理變成細紗，細紗經(jīng)過導紗鉤纏繞于紗管上[9]。當環(huán)錠紡在紡紗過程中出現(xiàn)斷紗時，操作工人首先把紗線穿進鋼絲圈，然后再將紗線繞進導紗鉤中，最后牽引紗線至前羅拉處與粗紗接觸從而完成紗線接頭工作。根據(jù)環(huán)錠紡導紗鉤和前羅拉的相對位置，以及對人工繞紗和接頭方法的研究，設計的機械手需要安裝在環(huán)錠紡紗機的正前方，機械手的工作過程主要包含兩個步驟：

圖1 環(huán)錠紡紗機導紗鉤及前羅拉位置示意圖

1）機械手末端執(zhí)行器吸住紗頭之后，將紗線繞進導紗鉤中；

2）紗線繞進導紗鉤之后，需要將紗線牽引至前羅拉處與粗紗接觸從而完成接頭。

1.2 機械手的軌跡確定

基于以上接頭工藝的分析，可以得出如圖2所示的機械手在工作過程中末端執(zhí)行器的三個關鍵位置以及軌跡曲線，其中三個關鍵分別為：吸紗位置、繞紗位置和接頭位置。末端執(zhí)行器在吸紗位置吸住紗線之后，需要運動到繞紗位置將紗線繞進導紗鉤中，最后牽引紗線至前羅拉處與粗紗接觸完成接線。

從吸紗位置到繞紗位置，機械手末端執(zhí)行器可以先移動到導紗鉤的上方，然后再水平移動到繞紗位置，進行繞紗。通過人工繞紗方法的研究和導紗鉤的形狀特征，機械手末端執(zhí)行器繞紗方案可以為：首先末端執(zhí)行器在導紗鉤上方旋轉(zhuǎn)一定的角度，使牽引的紗線接觸導紗鉤上弧面，然后末端執(zhí)行器向?qū)Ъ嗐^的下前方移動一定的距離，以便將紗線繞進導紗鉤中，最后末端執(zhí)行器再向回旋轉(zhuǎn)一定的角度，以使紗線完全的繞進導紗鉤中，同時避免了機構(gòu)之間的干涉。從繞紗位置到接頭位置，機械手末端執(zhí)行器可以先移動到前下羅拉軸的上方，再移動到接頭位置將斷紗頭和粗紗接觸完成接頭。完成紗線接頭之后，末端執(zhí)行器迅速復位到吸紗位置，等待下一次的接頭命令。

根據(jù)以上分析，可以明確機械手末端執(zhí)行器的3個位置點以及3個位置點機械手的運動方向。根據(jù)人工接頭工藝過程和操作空間的分析，可以初步確定如圖2所示的機械手末端執(zhí)行器的運動軌跡曲線。

圖2 末端執(zhí)行器的關鍵位置及路徑曲線

2 環(huán)錠紡繞紗與接頭機械手結(jié)構(gòu)設計

2.1 升降和平移機構(gòu)設計

根據(jù)以上環(huán)錠紡繞紗接頭工藝過程和操作空間的分析，確定機械手的傳動機構(gòu)、自由度數(shù)和具體參數(shù)。考慮到機械手在工作過程中需要分別精確的定位在導紗鉤上方和前羅拉處，由于滾珠絲杠具有精度高、可逆性強和效率高的特點，故采用兩個滾珠絲杠直線模組作為機械手的傳動機構(gòu)，其中一個豎直固定于機架上作為升降機構(gòu)，另外一個水平安裝在升降機構(gòu)的絲杠螺母座上作為平移機構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 環(huán)錠紡繞紗與接頭機械手結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示為升降和平移機構(gòu)的滾珠絲杠直線模組結(jié)構(gòu)示意圖，主要有伺服電動機1、聯(lián)軸器2、固定座3、絲杠螺母4、絲杠螺母座5、滑塊6、絲杠7、導軌8以及支撐座9組成。滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種方式，由于外循環(huán)式既適用于高速重載的驅(qū)動系統(tǒng)，也適用于精密傳動系統(tǒng)[10]，故升降和平移機構(gòu)的滾珠采用外循環(huán)方式。滾珠絲杠副的預緊方式采用雙螺母螺紋式預緊。滾珠絲杠副的具體尺寸如表1所示。通過計算，滾珠絲杠的強度、剛度均滿足設計要求，其絲杠也有足夠的穩(wěn)定性。

圖4 滾珠絲杠直線模組結(jié)構(gòu)圖

表1 滾珠絲杠副的系列尺寸

2.2 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)機械手末端執(zhí)行器繞紗方案，設計了末端執(zhí)行器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，主要有吸紗管1、旋轉(zhuǎn)氣缸2和托板3組成。托板上端固定在平移機構(gòu)的絲杠螺母座上，旋轉(zhuǎn)氣缸固定在托板的下方，吸紗管安裝在旋轉(zhuǎn)氣缸軸上。在機械手工作過程中，吸紗管的另一端接通負氣壓源，以便吸紗管吸住紗線進行繞紗和接頭操作。旋轉(zhuǎn)氣缸的旋轉(zhuǎn)角度為90°，這種設計在升降機構(gòu)的配合下，可以將紗線巧妙的繞進導紗鉤中，同時也避免了機構(gòu)之間的干涉。當機械手將紗線送到前羅拉時，吸紗管另一端的負氣壓源斷開，斷紗頭在前羅拉處與粗紗接觸完成接頭。

圖5 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖

3 機械手的軌跡分析與優(yōu)化

由于紗線是柔性的，在繞紗與接頭過程中機械手不能有剛性和柔性沖擊，否則會影響繞紗與接頭的動作，降低了繞紗與接頭的成功率。為了避免機械手的沖擊和振動，需要對機械手的運動軌跡進行分析。

機械手末端執(zhí)行器從吸住紗線頭到最后完成接線，升降機構(gòu)和水平機構(gòu)發(fā)揮著重要作用，這兩個機構(gòu)的相互配合形成了末端執(zhí)行器的路徑軌跡。如圖6所示，升降機構(gòu)的運動過程主要可以分為四段，分別是：從吸紗位置向上移動到繞紗位置的運動段v1，從導紗鉤上方向下移動到導紗鉤下方的運動段v2，從繞紗位置向上移動至接頭位置的運動段v3，以及從接頭位置向下迅速移動到吸紗位置的運動段v4。為了避免升降機構(gòu)的沖擊和振動，需要對運動段v1、運動段v2、運動段v3和運動段v4進行改進，由于五次多項式運動規(guī)律既無剛性沖擊也無柔性沖擊，故采用五次多項式替換原來的升降機構(gòu)的運動段加速段。

圖6 升降機構(gòu)的位移圖

五次多項式的的表達式為：

式中s為升降機構(gòu)的位移，C0、C1、C2、C3、C4、C5為待定系數(shù)，根據(jù)具體運動段的邊界條件進行確定得到。

升降機構(gòu)的速度表達式為式(1)的一階微分方程式：

升降機構(gòu)的加速度表達式為式(2)的二階微分方程式：

根據(jù)各運動段的始點和終點處的條件可以分別求得待定系數(shù)。

同理，由上分析可得每段的位移參數(shù)方程為：

平移機構(gòu)的運動過程主要分為兩段：從吸紗位置想左移動到繞紗位置運動段h1，從繞紗位置向左移動至接頭位置的運動段h2。同理，也采用五次多項式替換平移機構(gòu)的運動段。

基于路徑最短和無碰撞路徑規(guī)劃原則[11，12]，需要對原來的機械手末端執(zhí)行器的運動軌跡進行重新規(guī)劃，根據(jù)環(huán)錠紡導紗鉤和前羅拉的位置，確定繞紗與接頭機械手末端的運動軌跡。末端執(zhí)行器在吸紗位置吸住紗線之后（夾紗機械手旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，避免機構(gòu)之間的干涉），沿著斜直線的方向從吸紗位置運動到繞紗位置將紗線繞進導紗鉤中，最后牽引紗線以圓弧線的方式運動至前羅拉處進行接線。其中末端執(zhí)行器將紗線繞進導紗鉤的方式為：首先末端執(zhí)行器在旋轉(zhuǎn)氣缸的作用下繞軸旋轉(zhuǎn)90°，將紗線引至導紗鉤的上方并與其接觸，然后升降機構(gòu)向下移動一定的距離，旋轉(zhuǎn)氣缸再回轉(zhuǎn)90°，這樣末端執(zhí)行器在旋轉(zhuǎn)氣缸和升降機構(gòu)的相互作用下將紗線繞進導紗鉤中。

4 繞紗與接頭機械手的運動仿真分析

在ADAMS中進行繞紗與接頭機械手的運動仿真，模擬機械手在環(huán)錠紡紗機上牽引紗線進行繞紗與接頭的運動狀態(tài)，分析升降機構(gòu)和水平機構(gòu)的位移、速度和角速度隨時間變化的規(guī)律。

圖7 末端執(zhí)行器軌跡曲線

圖8 升降機構(gòu)的運動特性

根據(jù)繞紗與接頭機械手的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動范圍，利用三維建模軟件Creo構(gòu)建機械手模型，并導入到ADAMS仿真軟件中，在ADAMS中施加相應的約束、運動副，以及升降機構(gòu)、平移機構(gòu)和末端執(zhí)行器的驅(qū)動函數(shù)，其中升降機構(gòu)和平移機構(gòu)的驅(qū)動函數(shù)用五次多項式進行擬合，設定仿真時間為2s進行仿真，以末端執(zhí)行器端部上一點為研究對象，可以得出如圖6所示的末端執(zhí)行器的路徑軌跡曲線，從路徑軌跡曲線可以看出：末端執(zhí)行器可以經(jīng)過吸紗位置、繞紗位置以及接頭位置，并且可以將紗線繞進繞紗鉤中，并送紗至前羅拉處進行接頭。通過ADAMS后處理模塊可以得出如7所示的升降機構(gòu)的位移、速度以及加速度隨時間變化的曲線。

從升降機構(gòu)的位移、速度以及加速度隨時間變化的曲線圖可以看出，升降機構(gòu)的運動段v1、運動段v2、運動段v3和運動段v4替換成了五次多項式運動，運行速度平穩(wěn)且速度、加速度無突變，可知升降機構(gòu)運動規(guī)律既無剛性沖擊也無柔性沖擊，消除了繞紗接頭機械手在運行過程中的沖擊和振動。滿足了繞紗和接頭平穩(wěn)性要求。

5 結(jié)語

根據(jù)環(huán)錠紡紗工藝流程以及人工接頭的過程和方法的研究，設計了一套環(huán)錠紡繞紗與接頭機械手，當環(huán)錠紡斷紗后，可以將紗線自動繞進導紗鉤并送紗至前羅拉處進行接頭，提高了環(huán)錠紡的自動化程度和生產(chǎn)效率，降低了人工勞動強度。運用五次多項式運動規(guī)律對升降機構(gòu)和平移機構(gòu)的運動軌跡進行了擬合插換，在保證了機械手能夠順利完成繞紗與接頭的前提下，避免了機械手運動過程中的沖擊和振動。