全自动纺纱染整生产线抓纱机械手的创新优化设计.docx

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1、全自动纺纱染整生产线抓纱机械手的创新优化设计余俊 杨明忠 齐元胜(武汉理工大学机电工程学院，武汉430070)摘要：文章对基于PLC控制的全自动纺纱染整自动生产线的作业流程做了简要的介绍，并着重对生产线上 传递纱筒的抓纱机械手进行了结构和运动分析。针对生产线在实际运行中遇到的具体问题，对机械手结构 进行了创新优化设计，使新机械手抓纱时具有自动调心功能，同时使其对弹性纱筒具有压缩功能，从而大 大提高了现有生产线的工作可靠性，改善了染整质量。关键词：纺纱染整生产线；机械手；创新优化设计中途分类号：TH122Innovative and optimal design of the bobbin gr

2、asped manipulator of spinning and dyeing automatic production lineYu Jun Yang Mingzhong Qi Yuansheng(School of Mechanical and Electrical Engineering Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)Abstract:This paper gives a brief introduction to the work process of spinning and dyeing automatic

3、 production line which based on the control of PLC,and focus on the structure and motion analysis of the bobbin grasped manipulator which is used for delivering bobbins in production line.According to the specific problems of production line which encountered in the actual operation,optimal and inno

4、vative design of the manipulators structure is accomplished,so that the new manipulator is able to self-aligning when Grasping the bobbins, and also has compressed function to elastic bobbins, thus greatly improving the production lines functional reliability and the quality of dyeing.Key words:Spin

5、ning and dyeing production line; Manipulator; Optimal and innovative design1引言近些年来，随着PLC控制理论及计算机技术的飞速开展，机电一体化技术得到了高速开展，自动化 已广泛的应用于工业生产中。其中，工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它是模仿人手 的局部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的机械装置。它对提高产品质量、提高 生产效率、改善劳动条件、减轻工人工作强度和产品的快速更新换代起着非常重要的作用。本文正是针 对企业的实际需求，在研究全自动筒子纱染整自动生产线抓纱机械手的基础上，对其

6、进行结构进行创新优 化设计，实现抓纱机械手具有自动调心功能以及对对筒子纱的压缩功能，最终提高染整效率和质量。2染整自动生产线概述目前，国内大多数染整企业采取的仍然是半自动化的生产模式，生产线上设备落后，筒子纱在各个工 位间的转移都是由人工完成，没有一套完整的全自动染整生产线，例如，在染色后的离心脱水这一工序， 需要人工将筒子搬到装纱盘，效率低下，且长期在这种工作环境下对健康有害。因此，设计人员针对企 业目前存在的问题，对该生产线进行研究，开发出了全自动染整生产线，取得了良好的效果。合理的筒子纱染整工艺流程一般如下：坯纱一调湿一装纱（压纱）一染色一脱水一烘干一装纱。全自动 筒子纱染整生产线以筒子

7、纱染整工艺流程为依据来设计，主要实现装纱、调湿、压纱、染色、脱水、烘干 等儿道关键工序，各个工序都有相应的自动化机械设备来完成，筒子纱从一个工序到下一个工序间的转移 通过电控的运输小车来完成，筒子纱在具体工位及运输小车间的转移通过机械手实现，这样便实现染整的全自动化。染整自动生产线的原理图如下:全自动化。染整自动生产线的原理图如下:传送带运纱车图1纺纱染整自动生产线工作流程图抓纱机械手1:从运纱小车上抓取调湿处理后的筒子纱装到离心脱水机的装纱盘。按照染整工艺要求, 应该在染色前进行压纱处理，将叠放一起的筒子总高度压缩15% 30%,成为一个整体，使各染柱压缩 率一致，即纱线密度一致。抓纱机械手

8、2：抓取染色后的筒子纱到离心脱水机的装纱托盘上。按照工艺要求，染色后的筒子纱也 要进行压纱处理。3 .筒子纱染整自动生产线的机械手机械手的结构设计及工作原理3.1.1 机械手结构设计在全自动筒子纱染整生产线中，机械手的作用就是在染色前和染色后实现纱筒在运纱小车和装纱盘间 的相互转移，代替相应的人工操作，这是结构设计的准那么。机械手的执行机构采取圆周均布的三手抓，三 手抓分别与导轨中的滑块相连接；原动件是一个小功率气缸，依据抓纱时的夹紧力要求来选择；驱动机构 由张紧盘和连接销组成，机械手张合行程的控制由张紧盘上的阿基米德螺旋槽的长度决定。气缸驱动张紧 盘绕其中心轴做来回旋转运动，张紧盘通过销轴驱

9、动与销轴固连的滑块在导轨中来回做直线滑动，从而实 现机械手抓的张合动作，由张紧盘的转动到滑块的直线运动是通过张紧盘上的阿基米德螺旋线型槽来实现 运动转换的。具体结构如下列图2所示：r图2传统机械手机构图31.2机械手的工作原理在染整自动生产线中，抓纱机械手外接三自由度的机器人，机器人只能在X、Y、Z轴三方向上做直 线运动，三向运动均由小功率电机驱动。机械手是先通过机器人定位到抓纱位置，然后开始抓纱动作，具体动作过程如下：启动电源按钮，染 整自动生产线上的各模块初始化并按照按输入指令开始工作。控制龙门横向往复运动的电机正转，待龙门 架载着机械手运动到所要抓取的纱筒正上方时，电机停止。此时控制机械

10、手纵向往复运动的电机正转， 待机械手运动到所要抓取纱筒的正上方时，电机停止。此时控制机械手上下运动的电机正转，待机械手向 下运动至抓纱位置时，电机停止，此时机械手完成抓纱动作前的准确定位。紧接着，控制机械手爪运动的 气缸伸出，机械手爪通过收缩动作抓取纱筒，此时机械手完成抓取动作。然后，控制机械手上下运动、控 制龙门架横向运动和控制机械手纵向运动的电机依次翻转，此时机械手将所抓取的纱筒运送到指定位置的 正上方，机械手向下运动并松开手抓便完成了抓取纱筒到指定位置的一个周期过程。3.2 染整自动生产线的问题分析及解决方案全自动筒子纱染整自动生产线自投入使用以来，效果明显。但在实际运行中发现该生产线仍

11、然存在着 一些有待改进的地方，主要有以下几个问题：（1）机械手在实施抓取纱筒动作之前，外接机器人要先对 机械手进行定位，使机械手的手抓位于抓取位置。但机械手在定位时手抓容易与所要抓取的叠加纱筒或旁 边待抓取的纱筒产生干涉，造成不能正常定位或手抓顶端破坏纱线的后果。（2）按照合理的染整工艺要 求，筒子纱在染色前和染色后应该进行压纱处理，将叠放一起的筒子总高度压缩15%- 30%,使其成为 一个整体，这样利于染色的均匀性。但目前的自动生产线上并没有实现压纱的自动化，这样不利于染整质 量的最优化。因此，针对目前存在的问题，对现有生产线上的机械手进行结构优化设计显得很有实际意义。针对上述的染整自动生产

12、线的问题分析，我们针对具体问题机械手进行结构改进设计，考虑在机械手 上添加压纱装置，实现在抓纱的同时能对叠放一起的纱筒进行压缩，而不需要单独增加一个压纱的工序， 同时创新性的应用类似轴承的机构来实现机械手抓在绕轴心的任意方向上有一定范围的偏移。这样新装置 不但能实现准确的抓纱动作，而且能实现压纱功能，保证良好的工艺性。3.4分析比照优化设计后的机械手新增了自动调心机构和压纱机构，使得外接机器人对机械手抓纱位置的定位更准 确合理，同时使得机械手具有压纱功能。改进前和改进后的抓纱机械手比照方下：(1)在全自动筒子纱染整生产线中，由于机械手和装纱托盘的制造、安装精度，机械手和叠加筒子纱 的中心线并不

13、重合，存在一定的角度偏差，加之抓纱高度大，使得外接机器人对机械手定位时经常出现机 械手抓和叠加纱筒发生干涉的现象，造成机械手不能顺利定位或纱线被手抓顶端戳坏。改进后的机械手新 增了自动调心机构，使得机械手在定位时能够补偿这种重合度误差，消除干涉。(2)按照筒子纱染整工艺要求，叠加在一起的筒子纱在染色前和染色后都应该进行压缩处理，将筒子 总高度压缩20%左右。目前的染整自动产线并没有这一工序，改进后的机械手新增了压纱功能，使得砂芯 和纱线得到同步压缩，机械手在抓纱时实现了对纱筒的压缩，防止了在自动生产线上新增一道专门的压纱 工序，缩短了自动生产线的工作周期，降低了本钱。(3)由于机械手对叠加纱筒

14、具有压缩功能，在提高染整质量的同时，机械手一次性抓纱数量也得到了 一定的提高。4.总结全自动筒子纱染整自动生产线的研制开发，使得以前的半自动化生产过程实现全自动化，工作效率有了大幅提高，缩短了生产线的工作周期，减少劳动力，改善了工人工作环境，节省了人力物力财力， 为企业创造了良好的经济效益。经过进一步对生产线上机械手的优化设计，解决了机械手定位时的对中性 不好的问题。同时，在基本不延长生产线工作周期的情况下，解决了生产线上不能实现压纱的问题。进一 步提升了企业的工作效率和染整质量，为企业带来更好的收益。参考文献1吴振彪，王正家.工业机器人(第二版)M.华中科技大学出版社，2006.2刘承新，顾洪义，王宝亭.针织物染整新设备应用探讨,纺织工业，2002 (2)3张修强，陈永红.纯涤纶针织物的染整工艺设计,纺织工业，2008 (12).4郑文伟.机械原理(第七版).高等教育出版社，2006.5刘金，周志雄.一种微细零件上下料机械手的设计与仿真,计算机仿真，2010 (2).6李伟光，火美.DVD盒自动生产线铁块叠放机械手的优化设计,机械设计与制造，2009 (11).作者简介：余俊，男，武汉理工大学机电工程学院在读研究生，研究方向为先进制造工艺及装备。通信地址：武汉理工大学马房山校区东院研217信箱； ：430070E-mail 地址：联系 ：