分段旋轉式筒子架翻轉裝置及其控制系統設計

徐 帥 楊曉芳 武銀飛 孫百勝

（1.鹽城工業職業技術學院，江蘇鹽城，224005；2.鹽城市榮意來紡機有限公司，江蘇鹽城，224008）

隨著機電一體化技術的發展，現代整經機加工頭份更多、生產速度更快［1-2］，整經換筒更加頻繁，縮短換筒停機時間對于提高整經機生產效率具有重要的意義。張洪等設計了一款整經機筒子架自動換筒機器人，通過自動化機械手將換筒過程由人工完成切換為自動化［3-5］，可以大大減輕人工勞動強度，并一定程度縮短換筒時間，但其面向的是大V 形筒子架，需要較大的使用空間。矩形分段旋轉式筒子架由于占地面積小，使用靈活，是普遍使用的筒子架，然而目前其換筒時的翻轉過程仍由人工完成，自動化程度較低。通過為矩形分段旋轉式筒子架加裝普通蝸輪蝸桿機構，可以實現其集體翻轉，但會使得每個儲紗單元不能獨立翻轉，降低了使用靈活性。通過為每個儲紗單元加裝驅動電機及減速機構，可以實現集體翻轉、單獨翻轉兩種方式共存，但改造成本顯著上升。因此，紡織生產企業急需一種改造成本低、實施簡單的翻轉裝置，以達到既能自動地快速翻轉所有儲紗單元，又能靈活地單獨翻轉單個儲紗單元。

1 總體設計

本裝置的設計目標在于實現儲紗單元的集體翻轉方式和單獨翻轉方式共存，并且集體翻轉由電機驅動完成，單獨翻轉仍由人工完成。對于集體翻轉，由于儲紗單元數量在10 個左右，因此采用長軸和齒輪傳動仍是理想選擇。使用長軸前提下要實現單獨翻轉，常規方法是使用電磁離合器，但儲紗單元轉軸豎直安裝的結構不便于離合器安裝。在儲紗單元上安裝內設棘齒的蝸輪，配合裝于長軸上的蝸桿，再加上電磁鐵、定位盤為主的定位機構，在位置開關和電控系統協調下，可以實現上述設計目標，具體結構如圖1 所示。

圖1 分段旋轉式筒子架集體翻轉裝置總體結構

2 機械結構設計

2.1 傳動機構設計

圖2 是筒子架集體翻轉裝置傳動機構的結構示意圖。圖2 中，與儲紗單元同樣數量的蝸輪安裝在每個儲紗單元的轉軸上，蝸輪對應的蝸桿安裝在蝸桿軸上；蝸桿軸被自帶的電機驅動。工作時，電機驅動蝸桿軸旋轉，使得其上的蝸桿帶動蝸輪旋轉，各儲紗單元隨之集體翻轉。

圖2 傳動機構結構示意圖

為實現儲紗單元的集體翻轉方式和單獨翻轉方式共存，蝸輪采用如圖3 所示的結構。蝸輪內部設有棘齒、撐頭、轉環和彈簧，轉環和蝸輪之間通過滾珠可實現自由轉動；撐頭和彈簧安裝在轉環上，并且彈簧處于壓縮狀態；儲紗單元轉軸固裝在轉環內。需要集體翻轉時，自帶電機驅動蝸桿軸沿圖2 所示箭頭方向旋轉，形成電機→蝸桿軸→蝸桿→各儲紗單元蝸輪→蝸輪撐頭→轉環的傳動路線，轉環帶著儲紗單元轉軸按圖3 箭頭所示方向轉動。需要單獨翻轉某個儲紗單元時，人工方式按照圖3 中箭頭所示方向轉動儲紗單元，儲紗單元轉軸隨之轉動，由于此時轉環連同其上的撐頭順著棘齒轉動，其將滑過每個棘齒，因而蝸輪蝸桿整體保持嚙合不動。

圖3 蝸輪結構示意圖

綜上，借助內裝棘輪機構的蝸輪，實現了一種既能在換批時集體翻轉儲紗單元，又能在需要時單獨翻轉儲紗單元的筒子架傳動機構。

2.2 定位機構設計

圖2 中，在矩形分段旋轉式筒子架上，所有儲紗單元供紗時均應固定在與機架縱梁平行的同一平面。采用上述傳動機構能實現儲紗單元可被人力轉動，當然其也能被紗線或慣性力等外力拉動，不能保證其始終處于與機架縱梁平行的同一平面內，此時就需要定位機構。

對定位機構的要求在于，一方面需要其能可靠地將儲紗單元固定在特定位置，另一方面能在需要時自動打開，使翻轉得以進行。對此，設計如圖4 所示的定位機構，其安裝位置在圖2 中虛線框A 處。

圖4 定位機構結構示意圖

圖4 中，定位盤固裝在儲紗單元轉軸上，定位盤下方設有固定的電磁鐵，電磁鐵的伸縮桿恰伸入定位盤上的定位孔中。圖5 示出了定位盤上的定位孔，為兩個180°對稱的圓孔，直徑略大于電磁鐵伸縮桿的直徑。電磁鐵不通電時，由于其內部彈簧作用，電磁鐵伸縮桿插入定位盤定位孔中，此時儲紗單元不可轉動，實現位置鎖定；電磁鐵通電時，電磁鐵伸縮桿克服內部彈簧彈力回縮，從定位盤定位孔中退出，此時儲紗單元可以轉動。

圖5 定位盤結構示意圖

采用圖4、圖5 結構，還能實現儲紗單元翻轉到位時的自動定位，具體過程如圖6 所示。圖6（a）為位置鎖定狀態，此時電磁鐵不得電、伸縮桿恰伸入定位盤中的定位孔，儲紗單元不可翻轉。圖6（b）為解除位置鎖定狀態，此時電磁鐵得電、伸縮桿完全回縮，儲紗單元翻轉可以進行。圖6（c）為等待位置鎖定狀態，此時電磁鐵再次失電，其伸縮桿頂端恰抵在定位盤上，同時因電磁鐵內部彈簧作用伸縮桿保持復位（伸出）的趨勢；待定位盤隨儲紗單元翻轉滿180°后，電磁鐵伸縮桿由于彈簧彈力隨即復位并伸入另一定位圓孔中，實現鎖止，即重新進入圖6（a）的位置鎖定狀態。一旦進入位置鎖定，必須立刻停止對儲紗單元的傳動或人工轉動，圖4 中在伸縮桿下方的位置開關和其可識別的磁鐵正是為此目的而設置的，其能及時提供伸縮桿所處位置的電信號給控制系統。

值得指出的是，上述定位機構中的電磁鐵在有壓縮空氣的場合完全可以替換為氣缸，但氣缸類型應為單作用氣缸，即氣缸桿回縮為壓縮空氣驅動，氣缸桿復位為內部彈簧驅動，如此才能實現氣缸伸縮桿以一個恰當的力量抵住定位盤。

3 控制系統設計

3.1 控制系統硬件

目前整經機已普遍采用PLC 控制器，因此本筒子架集體翻轉裝置的控制系統也基于PLC 設計，具體的系統架構如圖7 所示。圖7 中輸入信號主要有啟動、停止和位置開關信號，輸出主要控制蝸桿軸驅動電機、電磁鐵的啟停以及輸出故障信息。由于電磁鐵工作時電流較大，超過了PLC 的允許范圍，故采用中間繼電器間接控制。

圖7 控制系統硬件結構

為方便工人單獨翻轉某一儲紗單元，每個儲紗單元附近均設有一只腳踏開關，用于控制電磁鐵伸縮桿的回縮。腳踏開關不與控制器連接，腳踏開關從旁路直接導通電磁鐵，以達到節省控制器輸入口的目的，具體的接線方法如圖8 所示。圖8 中，JT1、JT2、…、JTn是腳踏開關，它們從旁路導通各自對應的電磁鐵導通中間繼電器KA1、KA2、…、KAn，并且不影響中間繼電器接受控制器的控制。

圖8 腳踏開關接線圖

位置開關用于檢測電磁鐵伸縮桿的位置，實際安裝位置已在圖4 中示出，其具體類型優先選用抗干擾電磁能力較強、反應快的霍爾開關，以防止電磁鐵得電時強大電流的電磁干擾。另一方面，由于定位盤采用常規鋼板制作，表面平面度、公差等未特別要求，故實際使用中發現伸縮桿有上下竄動、抖動的情況，此時應選擇回差距離較大的霍爾開關，以防止機械抖動干擾［6］。

3.2 控制系統軟件

由于傳動機構采用蝸輪蝸桿結構，施加在儲紗單元上的力較大，這就要求在電磁鐵伸縮桿未全部退出定位孔前不能傳動，加之儲紗單元數量較多，必須在出現故障時準確報告出故障位置，故本系統軟件設計要求較高。圖9 是集體翻轉裝置控制軟件的程序流程圖。

圖9 程序流程圖

程序執行過程：確認翻轉按鈕按下后，立即給所有電磁鐵通電，短延時250 ms 后，檢查所有位置開關是否均動作，如否，則證明有電磁鐵損壞或者其伸縮桿被卡在定位孔中，查找出具體哪一只電磁鐵的伸縮桿未縮回到位后，給所有電磁鐵斷電，并顯示出故障信息；如是，則證明所有電磁鐵伸縮桿縮回到位，啟動蝸桿驅動軸電機。啟動電機后，緊跟著啟動一個2 s～3 s 的延時，延時時間到后立即給所有電磁鐵斷電，一方面防止電磁鐵因為長時間吸合而發熱損壞，另一方面為自動定位創造條件。由于此時電磁鐵伸縮桿頭端抵住定位盤，因此其不能伸出，位置開關因而也不能復位。接下來，不斷掃描所有位置開關，發現任何一只位置開關復位，則說明電磁鐵伸縮桿已復位、已經有儲紗單元翻轉到位，立刻停止蝸桿驅動軸電機。停止驅動軸電機后，檢查是否所有位置開關均已復位，如出現沒有復位的位置開關，說明該開關處的定位盤沒有旋轉到位，亦即儲紗單元沒有翻轉到位，查找出具體是哪一個位置開關后，顯示出故障信息。如所有的位置開關均復位，則表明所有定位盤旋轉到位，翻轉完成，結束程序，給出完成翻轉信號。

4 結語

（1）設計的矩形分段旋轉式筒子架集體翻轉裝置結構簡單，便于舊設備改造升級，能將翻轉筒子架耗時縮短到30 s 之內，效率提高明顯。

（2）機械結構方面，使用內設棘齒的蝸輪構成傳動機構，可以實現儲紗單元的集體翻轉方式和單獨翻轉方式共存，在實現自動化和提高效率的同時，保持了使用靈活性；使用電磁鐵和定位盤為主構成定位機構，可以實現儲紗單元位置的自動鎖止，提高了整個翻轉裝置的使用可靠性。

（3）控制系統硬件設計方面，將腳踏開關設計為從旁路直接導通電磁鐵，可以在不影響使用前提下節省控制器輸入口；選用回差距離較大的霍爾開關既可抵抗電磁鐵動作的電磁干擾，也可防止機械零件精度不高帶來的機械抖動干擾。

（4）控制系統軟件設計方面，檢查所有位置開關是否均動作可以防止啟動時的機械故障；啟動蝸桿驅動軸電機后，延時2 s～3 s 給電磁鐵斷電，既可避免發熱，又可便于采用機械方法進行自動定位；啟動電機后檢查所有位置開關是否均已復位，可以判別是否完成翻轉，定位和報告故障位置。