自動穿經(jīng)機(jī)上軸車改造設(shè)計

李進(jìn)　方楚橋　王紹祥　吳曉

摘要：某紡織企業(yè)穿綜車間是通過人工推動上軸車來實(shí)現(xiàn)對經(jīng)軸的轉(zhuǎn)運(yùn)，由于上軸車和經(jīng)軸的體積和質(zhì)量大，導(dǎo)致操作工人勞動強(qiáng)度大，工作效率低。應(yīng)企業(yè)要求，提出了一套上軸車的驅(qū)動機(jī)構(gòu)改造設(shè)計方案。通過現(xiàn)場考察和對設(shè)計要求的分析，運(yùn)用三維軟件繪制出總體的改造設(shè)計方案，并根據(jù)受力狀態(tài)計算確定驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的氣缸和驅(qū)動電機(jī)的型號，完成上軸車的改造。結(jié)果表明：改造后的上軸車通過氣彈簧減震和主從動切換兩種功能，實(shí)現(xiàn)了在車間內(nèi)對經(jīng)軸的靈活轉(zhuǎn)運(yùn)，且能適應(yīng)不同的車間環(huán)境，運(yùn)行效果良好，

減少了車間生產(chǎn)成本和工人的工作強(qiáng)度，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：自動穿經(jīng)機(jī)；上軸車；經(jīng)軸；驅(qū)動機(jī)構(gòu)；改造

中圖分類號：TP23????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號：2097-2911-（2023）02-0090-07

Reconstruction Design of Upper Axle Trolley of AutomaticDrawing-in Machine

LIJin，F(xiàn)ANG Chuqiao，WANG Shaoxiang，WU Xiao

（School of Mechanical Engineering and Automation， Wuhan Textile University，Wuhan， 430200）

Abstract：The upper axle trolley were pushed manually to transport the warp beamin a heddle-in workshop of a textile enterprise. The large volume and mass of the upper axle trolley and the warp beam led to high labor inten- sity and low work efficiency of operators. As required by the enterprise，a set of design scheme for the transfor- mation of the upper axle trolley driving mechanism was proposed. Through site investigation and analysis of de- sign requirements， the overall reconstruction design scheme was drawn by using 3D software， and the model of cylinder and motor in the driving mechanism were determined by force state calculation to complete the trans- formation of the upper axle trolley. The result indicates that the modified upper axle trolley has two functions of air spring shock absorption and master-slave dynamic switching， which realizes the flexible transfer of the warp shaft in the workshop， and can adapt to different workshop environment.The operation effect is good， workshop production cost and workers workload are reduced， and the working efficiency is improved.

Keywords：automatic drawing-in machine；upper axle trolley；warp beam；driving mechanism；transformation

在織布工藝過程中，從紗線到織物，需經(jīng)過絡(luò)筒、整經(jīng)、漿紗、穿經(jīng)、織造、整理等多道工藝[1]，其中穿經(jīng)就是將經(jīng)紗按工藝要求穿好停經(jīng)片、綜絲、鋼筘[2-4]。這道工序占用人工較多，隨著市場競爭的日益激烈，現(xiàn)代紡織行業(yè)自動化程度的不斷提高，越來越多的紡織廠采用自動穿經(jīng)機(jī)來代替人工[5-6]。自動穿經(jīng)機(jī)工作前，需要按照要求將滿紗經(jīng)軸上機(jī)才能進(jìn)行相關(guān)工藝，之后還要將穿好綜、筘的經(jīng)軸運(yùn)輸?shù)娇棛C(jī)上進(jìn)行下一步工藝，而上軸車就起到運(yùn)輸經(jīng)軸的作用[7-9]。目前某企業(yè)的自動穿經(jīng)機(jī)上軸車是由人工推動的無動力車。但經(jīng)軸和上軸車的體積以及重量過大，車間內(nèi)活動空間有限，人工推動勞動強(qiáng)度高，效率低[10-11]。本文針對該問題對上軸車進(jìn)行了自動化改造，使其根據(jù)需要進(jìn)行動力切換，不僅能在車間內(nèi)任意行走，還減少車間工人的工作強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

1總體設(shè)計

1.1設(shè)計要求

根據(jù)現(xiàn)場條件和生產(chǎn)情況，本次上軸車

的改造設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：首先，滿足主、從動切換要求。上軸車在聯(lián)上穿經(jīng)機(jī)之前作為有動力小車，在車間拖動經(jīng)軸自由運(yùn)行；當(dāng)經(jīng)軸上機(jī)后，上軸車切換為無動力小車沿穿經(jīng)機(jī)的銜接軌道行走。其次，對車間環(huán)境的適應(yīng)性要求。由于經(jīng)軸和上軸車的重量大，上軸車作為動力車時，必須確保遇到凹凸不平的地面時仍具有足夠的抓地力（現(xiàn)有車間地面的平整性不好）；上軸車還必須行走靈活，以適應(yīng)車間相對狹小的運(yùn)行空間，車間、設(shè)備平面布局示意圖如圖1所示。最后，運(yùn)行操作要求。上軸車可利用控制面板按鈕操作，也可用遠(yuǎn)程遙控操作。

1.2改造方案

1.2.1總體方案

由上述設(shè)計要求可知，本次改造的主要任務(wù)是給上軸車設(shè)計一套驅(qū)動機(jī)構(gòu)，為其提供動力，并且要求操作靈活、可主從動切換、作為主動時，保證足夠抓地力。現(xiàn)有上軸車是一個門式結(jié)構(gòu)，外形尺寸和重量都比較大[12]。為保證運(yùn)行穩(wěn)定、靈活，本方案采用六輪行走機(jī)構(gòu)，門架兩個立柱下端分別設(shè)置兩個萬向輪和一個 AGV 舵輪，由舵輪作為主動輪，帶動上軸車運(yùn)動，如圖2所示[13]。門架下方需要裝載經(jīng)軸，兩主動輪之間無法采用主軸聯(lián)接，因此，本方案選擇兩個獨(dú)立的主動輪單獨(dú)驅(qū)動，通過電控系統(tǒng)控制兩主動輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向，以實(shí)現(xiàn)靈活的直線行走、轉(zhuǎn)彎等各種運(yùn)動。

1.2.2驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計方案

上軸車的驅(qū)動機(jī)構(gòu)如圖3所示，主要包括氣缸、導(dǎo)軌滑塊、轉(zhuǎn)向電機(jī)、舵輪、驅(qū)動電機(jī)、電箱，該機(jī)構(gòu)使上軸車具有主、從動兩種運(yùn)動狀態(tài)切換功能。當(dāng)需要上軸車主動運(yùn)輸時，通過氣缸向下伸出，使AGV舵輪壓緊地面，轉(zhuǎn)向電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)分別賦予舵輪轉(zhuǎn)向和驅(qū)動動力。此時，上軸車可沿Y軸方向直線行走，通過調(diào)整兩個舵輪的轉(zhuǎn)速差可實(shí)現(xiàn)上軸車的轉(zhuǎn)彎；由轉(zhuǎn)向電機(jī)控制舵輪旋轉(zhuǎn)90°后，上軸車可沿X軸方向行走。當(dāng)需要上軸車從動運(yùn)行時（上軸車與穿經(jīng)機(jī)聯(lián)接后或者空載人工推行），氣缸向上提起AGV舵輪，使其懸空，此時只有無動力的萬向輪與地面接觸。

1.2.3控制系統(tǒng)

驅(qū)動機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)主要包括：遙控器、控制面板、遙控接收器、主控制模塊、供電模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等，硬件組成框圖如圖4所示。該系統(tǒng)中主控制模塊負(fù)責(zé)控制電機(jī)的各種工作狀態(tài)，通過調(diào)整兩輪的速度差來實(shí)現(xiàn)上軸車的全方位移動。首先由控制面板或遙控器向主控制模塊發(fā)送運(yùn)動命令，在接到命令后主控制模塊通過算法計算，得出舵輪需要轉(zhuǎn)動的角度以及行駛速度，并將命令發(fā)送給驅(qū)動器，驅(qū)動器再控制電機(jī)驅(qū)動舵輪完成指定的運(yùn)動。驅(qū)動機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)流程圖如圖5所示。供電模塊用于為電機(jī)、控制器和其它電子元器件提供穩(wěn)定的電源。

2電氣設(shè)備的計算與選型

2.1上軸車力學(xué)分析與氣缸選型

2.1.1上軸車力學(xué)分析

由上文的結(jié)構(gòu)設(shè)計可知，上軸車處于主動工作狀態(tài)時，驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的氣缸對舵輪施加推力，使其一直壓緊地面，且氣缸具有氣彈簧的功能，即使通過凹凸不平的路面時，上軸車仍有足夠的抓地力。舵輪給地面的正壓力是由舵輪的自重加上氣缸的推力組成，為使上軸車在主動運(yùn)輸時兩個舵輪能帶動設(shè)備運(yùn)動，需要計算氣缸施加給舵輪的推力，選擇合適的氣缸，確保整個驅(qū)動機(jī)構(gòu)能提供足夠的驅(qū)動力；同時為避免上軸車做主動運(yùn)動時四個萬向輪處于懸空狀態(tài)，氣缸對舵輪的推力不能過大；另外，上軸車做從動運(yùn)動時要確保氣缸的拉力能收起舵輪使其懸空。

這里首先選擇上軸車進(jìn)行受力分析。上軸車受到自身重力、地面的支撐力、地面對車輪的摩擦力以及經(jīng)軸的拉力共同作用，如圖6所示，

列出力的平衡方程如下：

為避免四個萬向輪處于懸空狀態(tài)，必須有：

式中，F(xiàn) 是地面對舵輪向前的摩擦力，即驅(qū)動力； Ff1為地面對上軸車萬向輪向后的摩擦力；F拉為經(jīng)軸對上軸車的拉力；?為摩擦系數(shù)；FN1為地面對上軸車萬向輪的作用力；W 為上軸車總重量； F0為地面對上軸車舵輪的支撐力。

再對經(jīng)軸受力分析得：

式中，F(xiàn)f2為地面對經(jīng)軸的摩擦力；FN2為地面對經(jīng)軸的支撐力。

而驅(qū)動力 F 與氣缸對舵輪施加的壓力相關(guān)，對舵輪進(jìn)行受力分析可得：

式中，G 為舵輪整機(jī)的重力；F汽為氣缸對舵輪施加的推力。

聯(lián)立（1）（2）（3）（4）式可得：

取上軸車總重量 W 為15000 N，滿紗經(jīng)軸總重量 FN2為6000 N，舵輪整機(jī)重量 G 為460 N，摩擦系數(shù)μ為0.05，代入式（5）計算得F汽=6540 N且 F 汽<7040 N，這是上軸車受到最大靜摩擦力時氣缸需要施加的推力，即要使得上軸車能夠運(yùn)動，氣缸對舵輪施加的推力要大于6540 N，且小于7040 N，對舵輪的拉力要大于460 N。

2.1.2氣缸選型

由設(shè)計要求可知，圖3中的氣缸在上軸車進(jìn)行主動運(yùn)動時要對舵輪施加豎直向下的推力，同時為避免地面對舵輪的支撐力過大使得上軸車的從動輪懸空，還需要限制氣缸的最大推力。根據(jù)上文計算的推力值，在選擇合適的缸徑和行程后，初步確定氣缸的型號，最后要計算出氣缸的拉力來驗(yàn)證該氣缸滿足設(shè)計要求。

根據(jù)氣缸壓力計算公式[14]可得：

氣缸理論拉力：

式中：D為缸徑；d為活塞桿直徑；P為氣缸的工作氣壓。

在實(shí)際運(yùn)算過程中還需要考慮氣缸的負(fù)載率。負(fù)載率η的選取與氣缸的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)，在本設(shè)計中，氣缸是垂直安裝的，屬于靜負(fù)載（低速壓緊），因此取負(fù)載率η=0.7[15-16]。則

氣缸實(shí)際推力：

氣缸實(shí)際拉力：

取氣缸工作氣壓 P 為0.5 MPa，F(xiàn)3分別取6540 N和7040 N，代入式（8）中，可得氣缸缸徑D 最少為154.28 mm，最大為160.07 mm。

綜合考慮后，選取型號為 SC160×75的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，該氣缸的缸徑 D=160 mm，活塞桿直徑 d=40 mm，行程為75 mm 。再將上述數(shù)據(jù)代入式（8）、（9）中，得 F3=7033.6 N，F(xiàn)4=6594 N，即氣缸施加的拉力大于舵輪總重量，該氣缸符合要求。

2.2驅(qū)動電機(jī)選型

由設(shè)計要求可知，圖3中的電機(jī)通過輸出扭矩來驅(qū)動 AGV 舵輪的旋轉(zhuǎn)以帶動上軸車運(yùn)動，配合轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)橫向移動，同時電機(jī)要具備頻繁換向、啟停和立即制動等功能，因此初步確定選擇直流無刷電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。另外本設(shè)計中采用兩個獨(dú)立的電機(jī)分別控制兩個舵輪，這樣可以利用舵輪速度差來實(shí)現(xiàn)上軸車的轉(zhuǎn)彎。

根據(jù)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速公式[17]：

式中，v為運(yùn)動速度；i為減速比；d為舵輪直徑。

設(shè)置上軸車運(yùn)動速度v為1m/s，減速比i為25：1，舵輪直徑d為250mm，代入上式得轉(zhuǎn)速n=1910.8 r/min。

驅(qū)動電機(jī)扭矩公式[18]：

式中，η′為機(jī)械效率。

根據(jù)式（4）計算得到驅(qū)動力F=374.68 N，機(jī)械效率取0.9[19]，代入上式計算得扭矩T=2.08156N?M。

功率計算公式：

將上文所求扭矩與轉(zhuǎn)速代入上式得P=0.42 kw。

綜合考慮后，本設(shè)計方案采用的驅(qū)動電機(jī)為80DH650-48V-30B 規(guī)格的直流無刷電機(jī)。直流無刷電機(jī)具備啟動力矩大、有一定的過載能力、無級調(diào)速、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，并且通過模擬量進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的頻繁換向、啟停和立即制動等功能[20]，具體參數(shù)如表1所示。

3結(jié)論

本文根據(jù)某企業(yè)需求對自動穿經(jīng)機(jī)上軸車進(jìn)行自動化改造，為上軸車設(shè)計了一套驅(qū)動機(jī)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動上軸車運(yùn)動，并通過受力分析確定了關(guān)鍵電氣設(shè)備的型號，使上軸車具備主動性和從動性切換功能，而且車輪由于氣彈簧的作用還有很強(qiáng)的抓地力，能適應(yīng)不同的車間環(huán)境，滿足該企業(yè)紡織車間的工作需求。試用結(jié)果表明，本設(shè)計有效降低了車間工人勞動強(qiáng)度和提高了工作效率。

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（責(zé)任編輯：胥朝陽）