給繭機無緒繭自動抓取裝置設(shè)計與分析

楊小龍 李勝 江文斌

摘 要：為解決繅絲過程中給繭機內(nèi)存在無緒繭且靠人工抓取的問題，設(shè)計了一種給繭機無緒繭自動抓取裝置。傳動部分由減速電機通過兩個傳動路線將動力傳送至給繭機和橫移滑軌機構(gòu)。詳細分析了橫移滑軌機構(gòu)所包含的曲柄滑塊機構(gòu)和齒輪齒條直線差動增倍機構(gòu)運動特性，通過計算確定最佳抓取節(jié)點。最后介紹了末端抓取機構(gòu)，并規(guī)劃抓取后放置無緒繭和裝置復(fù)位的時間節(jié)拍。分析表明給繭機無緒繭自動抓取裝置結(jié)構(gòu)合理可行，研究結(jié)果為給繭機無緒繭的處理提供一種新思路。

關(guān)鍵詞：給繭機；無緒繭；曲柄滑塊機構(gòu)；齒輪齒條直線差動增倍機構(gòu)；末端抓取機構(gòu)

中圖分類號：TS142.2

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）03-0021-06

基金項目：財政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助項目（2021）

作者簡介：楊小龍（1998-），男，安徽亳州人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代紡織技術(shù)與裝備方面的研究。

通信作者：江文斌，E-mail：hfjjwb@163.com

繅絲是生絲加工過程中的重要環(huán)節(jié)，是根據(jù)生絲規(guī)格要求，將若干根繭絲從繭層中順次離解、抱合成生絲的加工過程［1］。生產(chǎn)中，由自動繅絲機中傳動鏈條上的驅(qū)動板推動給繭機上的驅(qū)動爪，使給繭機平行于繅絲槽運行，從而實現(xiàn)固定添緒、移動給繭。給繭機內(nèi)部為一繭一絲的正緒繭，其緒頭卷繞在緒絲卷繞桿上，聚集在給繭口一側(cè)，便于添緒時將正緒繭添進繅絲槽。給繭機內(nèi)部振動板一定振動，有利于消除繭子重疊和擠壓現(xiàn)象，帶來的弊端是繭子之間做相對運動產(chǎn)生摩擦，一部分正緒繭斷頭變成無緒繭。該部分無緒繭聚集在給繭機中正緒繭相反一側(cè)。若添緒時無緒繭加進繅絲槽，即為無效添緒，導(dǎo)致生絲落細長度超過絲條允許落細長度。當(dāng)前工廠是由繅絲工用手抓取無緒繭，抓取周期不固定，無緒繭處理不及時，導(dǎo)致生絲條干成績下降，影響企業(yè)效益［2］。

進入21世紀中國相繼推出飛宇2000優(yōu)選型、飛宇2000新時代和飛宇2008型自動繅絲機，機械化程度不斷提高［3］，但是給繭機內(nèi)部的無緒繭抓取問題未得到有效解決。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，自動抓取裝置被廣泛應(yīng)用于汽車生產(chǎn)制造、物流搬運、金屬加工等行業(yè)，它可以代替人工在抓取搬運環(huán)節(jié)的工作，相較于人工抓取搬運，使用自動抓取裝置可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、減少人工勞動力的使用［4］。

本文設(shè)計并搭建了一種給繭機無緒繭自動抓取裝置，以期為給繭機無緒繭的處理提供一種新思路?；诠S實況，在實驗室搭建模擬平臺，模擬給繭機運行狀態(tài)，實現(xiàn)無緒繭自動抓取裝置與給繭機同步移動。該平臺由減速電機驅(qū)動將動力傳給主傳動軸，鏈輪通過推動結(jié)合件推動給繭機前進。同時，為實現(xiàn)動態(tài)抓取無緒繭，在機架外側(cè)設(shè)定橫移滑軌機構(gòu)，該機構(gòu)包含曲柄滑塊機構(gòu)和齒輪齒條直線差動增倍機構(gòu)。末端抓取機構(gòu)固定在橫移滑軌機構(gòu)升降滑塊上，隨滑塊升降并完成抓取動作。

1 模擬平臺傳動部分

1.1 傳動結(jié)構(gòu)

模擬平臺傳動部分動力采用減速電機，電機啟動后將動力分兩個路線分別傳送到給繭機和曲柄滑塊機構(gòu)［5］。傳動路線如圖1所示。

傳動路線一：減速電機→主傳動軸→鏈輪→傳動鏈→給繭機推動結(jié)合件→給繭機。

減速電機1輸出端與主傳動軸2通過剛性聯(lián)軸器8連接。鏈輪的規(guī)格為08B系列，通過脹緊套固定在主傳動軸2上，鏈輪3帶動傳動鏈4。給繭機推動結(jié)合件5固定在傳動鏈4上，伸長部分推動給繭機下側(cè)驅(qū)動爪，使給繭機隨傳動鏈4同步移動。

傳動路線二：減速電機→主傳動軸→齒輪傳動→曲柄軸→曲柄滑塊機構(gòu)。

此傳動路線主要是將動力傳送到曲柄滑塊機構(gòu)10，通過脹緊套將減速齒輪組7固定在主傳動軸2和曲柄軸9上，主動軸齒輪將動力傳遞到曲柄軸齒輪，曲柄軸齒輪帶動曲柄軸9，曲柄利用脹緊套固定在曲柄軸9末端，最終完成曲柄滑塊機構(gòu)10周期性運動。

1.2 傳動關(guān)系

工廠中，給繭機運行速度為8.30～10.12 m/min，因此，模擬平臺選用電機額定轉(zhuǎn)速為1300 r/min，搭配速比i=50∶1的減速器。由上述傳動路線不難得出，主傳動軸轉(zhuǎn)速n1為26 r/min。設(shè)給繭機運行速度為v1，mm/s，根據(jù)鏈傳動線速度公式可得式（1）：

式中：鏈輪齒數(shù)Z1=29，08B規(guī)格傳動鏈節(jié)距p=12.7 mm。

設(shè)曲柄軸轉(zhuǎn)速為n2，r/min，根據(jù)圖1所示傳動關(guān)系可得曲柄軸轉(zhuǎn)速：

式中：Z2為主動軸齒輪齒數(shù)，Z2=36；Z3為曲柄軸齒輪齒數(shù)，Z3=78。

2 橫移滑軌機構(gòu)

生產(chǎn)中，給繭機移動給繭，若用處于靜止狀態(tài)的末端抓取機構(gòu)抓取無緒繭，會破壞其中正緒繭。因此需要設(shè)定橫移滑軌機構(gòu)，在移動過程中抓取無緒繭。如圖2所示，直線滑軌2固定在橫移滑軌座1上，利用曲柄滑塊機構(gòu)完成運動副轉(zhuǎn)換，即旋轉(zhuǎn)副轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿痈保┒嘶瑝K部分用移動齒輪3代替，在該處采用齒輪齒條直線差動增倍機構(gòu)來放大水平運動。該機構(gòu)由固定齒條4、移動齒條5和移動齒輪3組成，固定齒條4安裝在橫移滑軌座1上，移動齒條5固定在升降導(dǎo)軌支架結(jié)合件6上，移動齒輪3用齒輪連接銷8安裝在連桿9末端。為了限制移動齒輪3的自由度，使其只做水平往返運動，齒輪連接銷8穿過移動齒輪推板7端部孔，移動齒輪推板7安裝在直線滑軌2上。

2.1 曲柄滑塊機構(gòu)運動分析

減速電機經(jīng)過傳動路線二將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛酝颠\動，將裝置曲柄滑塊機構(gòu)簡化如圖3所示，曲柄AB和連桿BC均處水平位置，將該位置設(shè)定為運動起點［6］。曲柄AB沿逆時針方向以恒定角速度ω旋轉(zhuǎn)，由式（2）可得ω=0.4 π rad/s。當(dāng)曲柄AB轉(zhuǎn)過角度θ到位置A1B1時，滑塊C到達C1，設(shè)其位移量為xc，mm。

由幾何關(guān)系可得：

式中：AB為曲柄長度，AB=100 mm；BC為連桿長度，BC=690 mm；θ為曲柄旋轉(zhuǎn)角度，rad。

2.2 齒輪齒條直線差動增倍機構(gòu)運動分析

曲柄AB長度為100 mm位于兩個極位時，末端距離即為滑塊最大位移量200 mm。自動繅絲機相鄰兩個給繭機距離為400 mm。為減小裝置體積，并獲得增倍位移量。因此，在曲柄滑塊機構(gòu)末端采用齒輪齒條直線差動增倍機構(gòu)［7］，機構(gòu)簡化圖如圖4所示。

移動齒條2在移動齒輪3的嚙合節(jié)點上方做平移運動，根據(jù)速度瞬心定理，在任一瞬間，移動齒條2與移動齒輪3相對運動都可以看作是繞D點的旋轉(zhuǎn)運動，即D點為二者速度瞬心。移動齒條2的旋轉(zhuǎn)半徑為DF，同理，移動齒輪3的旋轉(zhuǎn)半徑為DE。根據(jù)幾何關(guān)系，DF=2DE。根據(jù)圓周運動性質(zhì)不難得出v2=2vc，mm/s，即在相同時間內(nèi)，移動齒條2的位移為2xc，mm。

2.3 抓取節(jié)點分析

減速電機經(jīng)過兩個路線將動力分別傳送到給繭機和橫移滑軌機構(gòu)，在橫移滑軌機構(gòu)位移達到最大值之前，給繭機與橫移滑軌機構(gòu)的位移相等時是裝置抓取的最佳節(jié)點。因此，需要計算出θ在（0， π）區(qū)間內(nèi)對應(yīng)時間節(jié)點t，s。

由上述分析可列出：

將式（1）、式（3）代入式（4）并消去t可得：

式（5）是含有未知量θ的三角函數(shù)方程，即為超越方程［8］。超越方程的求解無法利用代數(shù)幾何來進行。利用MATLAB編程計算得到方程在（0， π）范圍內(nèi)有且僅有一個解［9］，即：

由計算結(jié)果可得：θ轉(zhuǎn)換為角度制為100.8°，即當(dāng)1.4 s，曲柄旋轉(zhuǎn)100.8°時，給繭機與橫移滑軌機構(gòu)位移相等，此時是末端抓取機構(gòu)抓取無緒繭的最佳節(jié)點。

3 末端抓取機構(gòu)

3.1 抓取結(jié)構(gòu)

抓取結(jié)構(gòu)通常有旋轉(zhuǎn)式、吸附式和平移式［10］。給繭機內(nèi)部空間相對狹小，若采用平移式抓取結(jié)構(gòu)，易對給繭機造成干涉，無法抓取靠近內(nèi)部邊緣處無緒繭。給繭機中正緒繭、無緒繭和湯水是固液共存，吸附式抓取結(jié)構(gòu)無法有效吸附無緒繭。因此，本裝置采用旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。

無緒繭抓取結(jié)構(gòu)傳動示意如圖5所示，末端抓取機構(gòu)機架4通過升降支承結(jié)合件2固定在橫移滑軌機構(gòu)直線滑軌的滑塊上，升降步進電機1工作時帶動滑塊升降。絲桿5通過聯(lián)軸器與抓取步進電機3輸出端連接，絲桿支承座10固定在機架4末端。移動齒條支架7與導(dǎo)絲螺母6固定連接，4個限位螺釘8安裝在機架4后側(cè)，穿過移動齒條支架滑槽，使移動齒條9平移運動。扇形齒輪11安裝在擺動齒輪軸13上，與移動齒條9嚙合，主被動齒輪12安裝在擺動齒輪軸13上。4個抓繭斗支架14分別安裝在2根擺動齒輪軸13末端，底部開孔連接抓繭斗結(jié)合件15。

工作時，抓取步進電機3旋轉(zhuǎn)帶動導(dǎo)絲螺母6平移，與之固定的移動齒條支架7帶動移動齒條9移動，帶動與之嚙合的扇形齒輪11擺動，同軸的擺動齒輪軸13旋轉(zhuǎn)，從而控制抓繭斗結(jié)合件15旋轉(zhuǎn)開合。

3.2 抓取與放置

無緒繭抓取與放置原理如圖6所示，抓繭斗結(jié)合件為左右對稱結(jié)構(gòu)，給繭機內(nèi)部寬度為L=187 mm，保證其不干涉給繭機，且閉合狀態(tài)下內(nèi)部空間可以容納2顆無緒繭1。在三維運動仿真軟件中模擬機構(gòu)打開狀態(tài)到完全閉合，擺動齒輪軸旋轉(zhuǎn)55°左右［11］。因此，取整后同軸的扇形齒輪同步旋轉(zhuǎn)55°，與之嚙合的移動齒條移動距離為s，mm：

式（7）中：m為扇形齒輪法向模數(shù)，m=1 mm；Z4為扇形齒輪全齒齒數(shù)，Z4=40。

由式（2）、式（6）可知，曲柄軸的工作周期為5 s，給繭機探索周期為2.5 s，即相隔一只給繭機完成一次抓取。自動繅絲機車頭為對稱分布，可在兩側(cè)車頭各安裝一套自動抓取裝置完成所有給繭機無緒繭抓取。

無緒繭抓取流程如圖7所示，在（0， π）范圍內(nèi)橫移滑軌機構(gòu)與給繭機動態(tài)跟隨，即0～2.5 s內(nèi)裝置要完成抓取和放置無緒繭動作。橫移滑軌機構(gòu)在1.4 s時與給繭機位移相等，0～1.4 s期間升降步進電機帶動抓繭斗結(jié)合件下降至給繭機內(nèi)部，完成抓取無緒繭動作。抓取后，1.4～2.5 s期間抓繭斗結(jié)合件上升，同時，橫移滑軌機構(gòu)繼續(xù)前進至不銹鋼滑槽2上方后放下無緒繭。由于無緒繭為橢球狀，不銹鋼滑槽2有一定斜度，無緒繭會沿著滑槽下落至繅絲槽內(nèi)，經(jīng)捕集器收集后最終回到繅絲機車頭。2.5～5 s期間，橫移滑軌機構(gòu)返回初始位置，裝置各機構(gòu)復(fù)位至初始狀態(tài)。至此，完成一個周期抓取。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種給繭機無緒繭自動抓取裝置并進行相關(guān)分析，得出的主要結(jié)論如下：

a）實驗室條件下，給繭機無緒繭自動抓取裝置傳動部分由減速電機提供動力至給繭機和曲柄滑塊機構(gòu)。在工廠條件下，可由自動繅絲機驅(qū)動電機通過齒輪變速后引出主傳動軸，從而帶動裝置的橫移滑軌機構(gòu)與給繭機的同步移動。

b）為實現(xiàn)動態(tài)抓取無緒繭，該裝置橫移滑軌機構(gòu)由曲柄滑塊機構(gòu)和齒輪齒條直線差動增倍機構(gòu)組成。通過分析機構(gòu)的運動特性，列出運動方程，利用MATLAB編程計算出最佳抓取節(jié)點，并規(guī)劃抓取后放置無緒繭和裝置復(fù)位的時間節(jié)拍。

c）末端抓取機構(gòu)采用步進電機帶動移動齒條平移19.2 mm，帶動與之嚙合的扇形齒輪旋轉(zhuǎn)55°，最終帶動抓繭斗結(jié)合件抓取無緒繭。

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Abstract： The cocoon and silk industry is not only traditional national industry， important livelihood industry and international competitive advantage industry， but also a cultural symbol of China's diplomacy as a major country. At present， the development of the cocoon and silk industry is facing great pressure， mainly from the industry's low profits， high labor costs， and strong mobility of silk reelers， which brings great pressure to enterprises. In recent years， with the continuous progress of science and technology， most manufacturing industries have improved production automation， reduced manual participation production costs and improved production efficiency. In the 21st century， China has successively launched Feiyu 2000 Preferred， Feiyu 2000 New Era， and Feiyu 2008 Automatic Silk Reeling Machines. The degree of mechanization has been continuously improved， but thedegree of automation has been. The problem of grabbing cocoons without end in the supplier of correct end cocoons has not been solved effectively， which seriously affects the quality of raw silk.

In order to solve the problem that there are cocoons without end in supplier of correct end cocoons during silk reeling and the cocoons without end are grabbed manually， an automatic grabbing device for cocoons without end in supplier of correct end cocoons is designed. The transmission part transmits the power to the supplier of correct end cocoons and the transverse sliding rail mechanism through two transmission routes by the deceleration motor. The motion characteristics of the slider-crank mechanism and the linear differential doubling mechanism of gear and rack contained in the transverse sliding rail mechanism are analyzed in detail.The quantitative relationship between them is analyzed and the equation of motion is listed. The equation of motion is a transcendental equation containing an unknown trigonometric function and cannot be solved by algebraic geometry. MATLAB programming is applied to determine the best grasping node. Finally， the end-grabbing mechanism is introduced， and the characteristics of different types of end-grabbing mechanism are briefly introduced. The rotary structure is selected according to the characteristics of the cocoons without end solid liquid coexistence in the supplier of correct end cocoons.Through 3D simulation and calculation verification， the end-grabbing mechanism is fully closed when it is open， and the swing gear shaft rotates about 55°. Therefore， the concentric sector gear rotates 55° synchronously after rounding， and the moving distance of the moving rack engaged with it is 19.2 mm.According to the crank movement cycle and the supplier of correct end cocoons exploration cycle， the time beat of placing the cocoons without end and resetting the device after grabbing is planned. The analysis shows that the structure of the automatic grabbing device for cocoons without end in supplier of correct end cocoons is reasonable and feasible， which provides a new idea for the treatment of cocoons without end in supplier of correct end cocoons.

With the proposal of the 14th FiveYear Plan for the Development of Robotic Industry， robots are known as the "pearl at the top of the manufacturing crown"， and their research， development， manufacturing and application are important signs to measure a country's technological innovation and high-end manufacturing level. At present， China's cocoon and silk industry is constantly reforming and developing. It is a general trend to improve the automation of silk reeling production and reduce labor costs. The automatic grabbing device for cocoons without end in supplier of correct end cocoons in this paper is a new idea. On this basis， the device structure can be further optimized to meet the production requirements of the factory.

Keywords： supplier of correct end cocoons; cocoons without end; slider-crank mechanism; linear differential doubling mechanism of gear and rack; end-grabbing mechanism