方形商標自動釘縫裝置的結(jié)構(gòu)設計與力學分析

劉新穎，金守峰

(西安工程大學 a. 機電工程學院；b. 西安市現(xiàn)代智能紡織裝備重點實驗室，陜西 西安 710600)

0 引言

商標釘縫在襪子上讓消費者了解襪子的材質(zhì)、產(chǎn)地、廠家等信息，釘縫的過程主要由人工來完成。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，人工釘縫商標已不能滿足生產(chǎn)需求。隨著機電一體化技術的快速發(fā)展，自動化設備取代人工已在各領域中廣泛應用。馬博文等采用“刷貼法”實現(xiàn)了貼標機出標、貼標、壓標、回收等工序的自動運行[1]。魏振曄等針對人工貼標不衛(wèi)生、貼標效率低下等問題，設計了一種試管標簽粘貼機，實現(xiàn)試管貼標的自動化[2]。伍賢洪等設計了一種實時打印貼標機構(gòu)，可根據(jù)包裝大小自動調(diào)整標簽大小及貼標位置[3]。李昭等通過對采血管的輸送與貼標裝置的設計，提出一款一次性采血管貼標裝備，可快速、可靠地完成采血管運輸和整理工作[4]。鄧智方等以FPGA為核心控制系統(tǒng)實現(xiàn)光纖激光打標的需求[5]。ANONYMOUS設計了一種新型集裝箱封蓋、貼標和封口自動貼標機，該自動貼標機適用于不同類型的罐、瓶等容器的自動貼標[6]。郝鑫等基于生態(tài)環(huán)保設計理念，實現(xiàn)了更加人性化的激光打標機設計[7]。陟俊杰等提出以ARM9處理器為基礎，設計一種多功能貼標控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對多種規(guī)格瓶子的貼標控制[8]。綜上所述，對不同標簽的固定主要有激光打標、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的固定。因此本文采用自動釘縫的方法，在襪子表面固定標簽。

1 標簽自動釘縫機構(gòu)的模塊化設計

1.1 手工釘縫工序分析與整體設計方案

襪子標簽人工釘縫過程是由在釘縫工位上的工人手持膠針槍將標簽釘縫在指定位置。手工釘縫過程柔性度較高，但是長時間工作勞動強度大，且具有一定的安全風險。本文根據(jù)人工釘縫工藝特點及方形標簽的結(jié)構(gòu)特征，采用模塊化思想設計了如圖1所示的襪子方形標簽自動釘縫機構(gòu)。該機構(gòu)包括標簽存儲模塊、取標模塊、定位模塊及釘縫模塊等4個模塊化機構(gòu)，并通過PLC控制各模塊之間的動作協(xié)調(diào)并完成操作。

圖1 標簽自動釘縫機構(gòu)

標簽自動釘縫機構(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釘縫機構(gòu)，當傳感器檢測到襪子運輸時，控制系統(tǒng)控制電機推送標簽，取標模塊將標簽從存儲模塊中取出，放置在釘縫區(qū)域。此時襪子已被運輸至定位模塊，并由定位模塊進行襪子的定位，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)行釘縫動作。完成釘縫后，壓襪板和膠針槍復位，傳送帶將襪子輸出自動釘縫機構(gòu)。通過PLC控制建立各執(zhí)行模塊之間的協(xié)調(diào)配合關系，該機構(gòu)即可完成襪子標簽的釘縫。

圖2 襪子標簽釘縫機釘縫工藝流程

1.2 標簽存儲模塊的結(jié)構(gòu)設計

為了便于不同尺寸標簽的存儲，保證釘縫過程的連續(xù)進行，本文根據(jù)如圖3(a)所示的帶圓角和釘縫孔的方形標簽圖形特點，設計了如圖3(b)所示的帶調(diào)節(jié)功能的標簽存儲結(jié)構(gòu)。采用對稱的兩個90°的V型護板，形成了一個近似方形的區(qū)域，用于存儲一定量的標簽；固定護板固定安裝在機架上，位置不發(fā)生變化，根據(jù)方形標簽尺寸規(guī)格的不同，通過手動調(diào)節(jié)移動護板的左右移動，改變兩個V型護板之間的距離來適應不同規(guī)格的方形標簽。將批量的方形標簽放置在兩個V型護板構(gòu)成的存儲區(qū)域中，在電動推桿的驅(qū)動下移動，并配合取標裝置實現(xiàn)標簽的取出。

圖3 標簽存儲模塊

1.3 取標模塊的結(jié)構(gòu)設計

為了提高標簽取放的效率，本文設計了如圖4所示的回轉(zhuǎn)式單臂雙氣嘴結(jié)構(gòu)，用于吸取標簽和放置標簽。單臂機構(gòu)的兩端加工有調(diào)節(jié)槽，用于調(diào)節(jié)兩個氣嘴的距離，其中一個氣嘴完成吸取標簽，初始位置在可調(diào)節(jié)機構(gòu)的正上方；另一個氣嘴完成標簽的放置，初始位置在放標區(qū)域的正上方。由擺動氣缸驅(qū)動單臂機構(gòu)完成180°回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)吸取和放置的連續(xù)進行。氣嘴的高度調(diào)節(jié)由氣動滑臺來實現(xiàn)，根據(jù)釘縫襪子和存儲裝置中標簽的高度進行往復移動。

圖4 取標模塊

1.4 定位與釘縫模塊的結(jié)構(gòu)設計

為了使放置好的標簽在釘縫過程中不產(chǎn)生偏離，本文設計了如圖5(a)所示的標簽定位結(jié)構(gòu)。根據(jù)方形標簽的結(jié)構(gòu)特點，定位機構(gòu)中的推標板設計成90°的V型結(jié)構(gòu)，與方標的直角相吻合。在氣動滑臺的驅(qū)動下，推標板可在底座的導向作用下移動，將方標推送至打標處進行定位。在完成標簽的定位后，標簽及待釘縫的襪子均放置在如圖5(b)所示的釘縫機構(gòu)下方。為防止在釘縫過程中襪子與標簽的相對移動，設計了壓襪板來保持釘縫時襪子的固定。壓襪板在氣缸的驅(qū)動下壓緊襪子，膠針槍的針頭正對標簽，實現(xiàn)襪子標簽的釘縫。

圖5 定位與釘縫模塊

2 推標板座的有限元分析

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

圖6 推標板座有限元分析結(jié)果

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

3 結(jié)語

1)本文所設計的方形商標自動釘縫裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對不同尺寸的方形商標自動、準確、工整地釘縫。裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，模塊化設計可通過分解、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)通過對推標板座進行有限元分析，仿真結(jié)果表明該機構(gòu)參數(shù)選擇合理、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足了力學性能要求。

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