半自動棉紗換殼機設計

吳曉，李超凡，袁志剛

（武漢紡織大學 湖北省數字化紡織裝備重點實驗室，湖北 武漢 430200）

0 引言

棉紗的用途非常廣泛，常見用于生產日常用品，例如床單、衣服、書包等[1]。在棉紗的制作過程中，有一道工序是更換棉紗的筒芯，一般都是將棉紗筒新筒芯壓入到棉紗的中心，替換原來的舊筒芯。由于需要的擠壓力很大，通常借助工裝設備來實現換筒芯的目的。目前，某企業通過自己開發的換筒芯設備來完成該工藝動作，但是該裝備每次只能更換一個棉紗筒的筒芯，并且需要大量的人工輔助動作，生產效率低，安全性也得不到保障。為此，應廠家要求設計了一套生產效率和安全性能高的自動換筒芯裝置，包括棉紗輸送、換筒芯、成品棉 紗的輸送以及舊筒芯的收集等幾大部分。該裝置能較好的滿足廠家的要求，大大提高產品的生產效率和工作安全性，實現半自動化流水線式工作要求，具有很大的推廣價值。

1 半自動換殼機總體方案規劃

1.1 功能需求

原紗筒的中心有一個直徑110 mm 的光滑塑料筒芯，如圖1(a)所示，現需要用直徑65 mm 的網狀小筒芯替換光滑塑料筒芯，采用擠壓的工藝形式，利用小筒芯將大筒芯擠掉，得到如圖1(b)所示紗筒。目前工廠換殼機的效率為每分鐘換4 個廠家要求新 換殼機生產效率為每分鐘換殼12 個左右。

圖1 棉紗筒 Fig.1 Cotton yarn canister

從功能上來講，換殼機需要實現半自動化流水線式生產，工人只需要把棉紗筒和新筒芯放到指定位置，機器就可以自動識別和更換筒芯，并且將已經換好的棉紗筒輸送到指定位置。從結構上來講，換殼機的結構在能滿足使用要求的情況下，盡量簡化，務必使其操作簡單，運行通暢，安全可靠，方便維修等[2]。

1.2 總體方案概述

根據棉紗換殼機的工藝特點和技術需求，制訂了換殼機的工藝動作流程，如圖2 所示。為了實現該工藝流程的所有動作，本文設計的自動換殼機包括棉紗筒輸送部件、棉紗筒芯輸送部件、整體輸送部件、換筒芯部件和成品輸送部件等五大部分[3-6]，其整體方案如圖3 所示。操作工人將棉紗筒和棉紗新筒芯分別放在棉紗筒輸送帶和棉紗筒芯輸送帶上，傳送帶將它們輸送到到指定位置，然后棉紗輸送部分氣缸將5 個棉紗筒頂起，此時整體輸送部分的手指氣缸將棉紗筒抓住，與此同時，機架上的漏斗下降到指定位置，棉紗新筒芯輸送部分將需要更換的筒芯推入漏斗，新筒芯通過漏斗正好掉到待更換筒芯的棉紗筒的中心位置，然后漏斗整體上移，手指氣缸沿著滑軌將棉紗筒以及新筒芯運送到指定位置。同時，手指氣缸上的推桿將上一周期已經換好筒芯的棉紗筒推到成品輸送帶上，并輸送到指定位置。隨后，機架下面的保壓氣缸上升托住棉紗筒，手指氣缸松開并后退，同時，保壓氣缸緩慢下移，使棉紗筒平穩的落到指定工位，壓機開始工作，完成換殼動作，被擠出的舊筒芯則通過漏斗滑到指定位置。

圖2 換殼機工藝動作流程圖 Fig.2 Process action flow chart of shell changing machine

圖3 半自動換殼機總體方案 Fig.3 General scheme of semi-automatic shell changer

2 核心部分機械結構設計

2.1 棉紗筒輸送部分設計

圖4 是棉紗筒輸送部分[7-8]，其作用是將棉紗筒輸送到指定位置。主要由以下結構組成：傳送帶V1、傳送帶V2、過渡支撐板、對射傳感器、限位板、頂尖法蘭、阻擋氣缸以及頂起氣缸等。

本方案設計中，要求一次實現5 個棉紗筒的換芯動作，整體輸送部分需要將棉紗筒輸送到指定位置后頂起，然后由5 個HFT 的手指氣缸抓住棉紗筒送至換筒工位。因此，輸送過程中對棉紗筒的位置精度要求較高。

圖4 筒紗輸送部分 Fig.4 Cotton drum conveyor components

5 個并排的換筒工位之間必須保持一定的距離，由于輸送皮帶起始位置的棉紗筒是人工隨手擺放的，并且最好是一個挨一個擺放，而輸送帶的另一端，需要將棉紗筒按照換筒工位之間的距離分 開，為解決該問題，輸送部分采用兩段不同速度的傳送帶，設前一段傳送帶速度為V1，后一段傳動帶速度為V2。通過設置不同的速度V1、V2來對第二條皮帶上的棉紗筒進行初步分距，利用阻擋氣缸進行粗定位，然后利用頂尖法蘭的錐面進行精確定位。在前一段皮帶上的兩個相連紗筒之間的距離S（1即為棉紗筒的直徑），而第二條皮帶上相鄰兩棉紗筒之間的距離S2應為換筒工位之間的距離，由于 S2= V2* S1/ V1，而同一批棉紗筒的外徑相差不大，可認為S1恒定，所以實際運行中通過控制兩條皮帶的輸送速度V1、V2，即可對棉筒紗做出一個初步定位。

綜上所述，棉紗筒輸送部分采用的是兩條皮帶，在實際中，兩皮帶的對接處會存在一定的間隙，如果不采取任何措施，則筒紗被輸送到這個間隙的位置時會產生波動，甚至傾倒。為此，本方案在兩皮帶連接處設置過度支撐板，如圖5 所示，設兩傳送帶帶輪軸的中心距離是S1，傳送帶1 和傳送帶2半徑均為R1，設過渡支撐板寬度為L1，過渡部分的間隙為S2，棉紗筒外徑為R2，棉紗筒舊芯半徑為R3，最長受力截距為2L2。

圖5 兩皮帶過渡位置 Fig.5 Transition position of two belts

由上圖可得：

設計中R1=30，R2=75，R3=55，L1=2，S1=80，代入上式可知，L2≈50，S2≈11，即L2＞S2。當L2大于S2的時候，即棉紗筒就可以平穩過渡。由上式計算得出L2是遠大于S2。即在紗筒輸送過渡過程中，棉紗筒能夠平穩過渡到第二條傳送帶。過渡支撐板上面的摩擦系數應該盡可能小，方便棉紗筒平穩通過。當棉紗筒運動到過渡支撐板位置時，如圖5 所示，有距離為S1的間隙，在這段皮帶中傳送帶不能夠為紗筒提供輸送動力，因此這里的棉紗筒要靠前面的棉紗筒提供推力以及棉紗筒自身的動能來通過。

2.2 棉紗筒和筒殼對中設計

從圖6 中我們可以看出，棉紗筒芯要與棉紗筒完成對中，則需要兩個條件：①棉紗筒定位準確；②新筒芯能夠落入到棉紗筒中去。棉紗筒的輸送皮帶已經對棉紗筒進行了一個初定位，然后由頂起裝置將棉紗筒頂起，而頂起法蘭上設計有錐面（見圖4），以方便利用該錐面和舊筒芯的孔內進行精確定位。當第二條皮帶上的五個棉紗筒達到指定位置后，該皮帶停止，頂起法蘭通過氣缸將棉紗筒頂起，HFT 手指氣缸將棉紗筒抓住，同時棉紗筒上方的漏斗下降到指定位置，這時候，新筒芯傳送帶上的氣缸將新筒芯推入漏斗中，通過漏斗落入棉紗筒的中心，此時棉紗筒對中就結束了。

圖6 棉紗筒和新筒芯對中位置圖 Fig. 6 Centering graph of cotton yarn canister and new drum core

3 關鍵部位有限元受力分析

該裝置是一次同時對五個棉紗筒進行壓殼換芯，如圖7 所示，在氣缸壓下進行換殼的時候，氣缸梁受到的彎矩很大，容易發生塑性變形而失效，或者由于過大的彈性變形而導致各個工件受力不均，影響紗筒質量。因此，氣缸梁是本裝置的關鍵零件，本文對其受力情況進行了有限元分析，以指導結構設計[9-11]。

圖7 氣缸位置圖 Fig.7 Cylinder position diagram

圖8 工字鋼受力分析圖 Fig.8 Force analysis diagram of I-beam

本設計中，選擇10 號工字鋼作為氣缸梁，工字鋼的長度是1550 mm，材質為Q235 鋼，其屈服極限為235 MPa ?，F在設置彈性模量為2.1X1011N/m2，泊松比為0.33。在工作過程中，該梁受到15KN 的靜載荷，選用四面體網格，劃分網格后運行算例得到的結果如圖8 所示。取安全系數為1.5，分析所得到的最大應力為135 MPa，小于屈服極限，滿足強度要求。另外，分析得到工字鋼的最大彈性變形量（擾度）為0.522 mm，滿足設計要求。故選用10 號工字鋼是可以同時滿足強度和剛度要求。

4 結語

該半自動換殼裝置結構簡單合理、操作方便舒適。維修方便，造價便宜，可針對不同的筒紗直徑進行局部結構改造，大大提高了筒紗換殼效率，適合流水線式生產，同時也具有很大的推廣價值。