夏 楠，馬思樂，郭政良，張源民，莊英豪

(1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟南 250061；2.山東大學(xué)海洋研究院，山東 青島 266237)

0 引言

筒子紗是紡織工業(yè)絡(luò)筒工序的產(chǎn)出品，同時也是紡織行業(yè)的核心產(chǎn)品。其大多采用以編織袋為主的包裝方式。與糧食、化肥等縱向灌入編織袋的包裝方式不同，筒子紗由于其自身特性，只能采用水平的包裝方式，將筒子紗按大小頭交錯方式有序推入水平放置的編織袋內(nèi)，從而達到排列整齊、最大化利用袋內(nèi)空間等目的。這也對編織袋的縫紉封口提出了全新的要求[1]。

本文主要介紹全自動筒子紗包裝生產(chǎn)線中的編織袋自動縫紉封口系統(tǒng)，設(shè)計實現(xiàn)了一種全新的縫紉及其夾持機構(gòu)，解決了筒子紗編織袋包裝時工業(yè)縫紉機頭無法移動的問題。該機構(gòu)克服了編織袋自身和筒子紗作為物料都較為柔軟、容易變形的問題，對于不同硬度、質(zhì)量、不同尺寸的編織袋有很好的適應(yīng)性。

1 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)及原理設(shè)計

1.1 工藝要求

以圓臺形筒子紗為操作目標，在整個全自動筒子紗編織袋包裝生產(chǎn)線中，經(jīng)過前端筒子紗裝袋工藝，已經(jīng)將筒子紗根據(jù)包裝需求裝入編織袋內(nèi)[2]。但是編織袋仍然是開口狀態(tài)，只有經(jīng)過縫紉封口之后，才能進入下一步的信息噴涂和物流運輸環(huán)節(jié)。這就完成了全部的包裝流程[3-6]。

1.2 機械動作原理設(shè)計

1.2.1 夾持移動子系統(tǒng)

編織袋由于質(zhì)地較軟，在沒有外界輔助干預(yù)的情況下很容易在移動過程中產(chǎn)生物理形變，無法按照預(yù)期狀態(tài)進行縫紉。因此，對集料后的編織袋開口進行縫紉前的夾持準備工作，是保證縫紉質(zhì)量和效果的必要環(huán)節(jié)。夾持移動子系統(tǒng)由步進夾持機構(gòu)和夾持機構(gòu)運動平臺構(gòu)成。

當(dāng)裝滿筒子紗的開口編織袋由皮帶輸送過來后，通過定位光電檢測，觸發(fā)第一夾持機構(gòu)進行動作。下夾持板首先沿Z軸正向抬起至指定位置，然后上夾持板沿Z軸負方向下落，夾緊編織袋袋口。夾持動作完成后，平置的豎向57步進電機正轉(zhuǎn)，帶動夾持機構(gòu)整體動作，拖動編織袋沿X軸負方向位移。在夾持裝置外側(cè)的傳送機構(gòu)上固定有擋板，以阻擋袋內(nèi)筒子紗運動。這樣，通過拉扯編織袋袋口和阻止筒子紗運動的方式減少了編織袋內(nèi)空隙，使袋內(nèi)筒子紗更加緊湊。

步進電機帶動夾持機構(gòu)運動到位后，夾持機構(gòu)運動平臺會在電機1的拖動下，配合已被夾緊袋口的編織袋，沿Y軸負方向同步運動至縫紉移動子系統(tǒng)，進行縫紉封口。

1.2.2 縫紉移動子系統(tǒng)

縫紉移動子系統(tǒng)由縫紉夾持機構(gòu)和縫紉機運動平臺組成?？p紉夾持機構(gòu)的板材設(shè)有開口。工業(yè)用縫紉機機頭穿過其開口，在夾持移動子系統(tǒng)攜帶編織袋運動到指定位置后，第二夾持機構(gòu)的上夾持板沿Z軸負方向落下，與固定在外部皮帶靜止的下夾持板配合，完成對編織袋袋口的二次夾緊。隨后，夾持移動子系統(tǒng)回原位，縫紉機運動平臺動作?？p紉機運動平臺在沿Y軸正向動作的同時，進行縫紉機對編織袋的縫紉封口，從而完成編織袋靜止、縫紉機運動的縫紉工藝。

縫紉完成后，縫紉上夾持板抬起，編織袋在輸送機構(gòu)的帶動下前往下一環(huán)節(jié)。之后縫紉機平臺沿Y軸負方向回原位，等待下一個編織袋就位。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2.3 優(yōu)勢分析

除去人工縫紉外，目前較為常見的縫紉方式是縫紉機頭固定而編織袋運動。袋口經(jīng)過輕微夾持后編織袋整體在輸送皮帶上運輸，配合固定的縫紉機進行縫紉。這要求編織袋袋口在夾持機構(gòu)間平整地運動至縫紉機。此設(shè)計較依賴編織袋自身塑性，對不同規(guī)格編織袋沒有很好的適應(yīng)性。此外，一旦袋口產(chǎn)生形變，輕則會堆積袋口使得縫紉失敗，重則會扯壞或撞斷縫紉機機針，使得包裝線停產(chǎn)。

相較于縫紉機頭固定而編織袋物料運動的自動縫紉封口機構(gòu)而言，本套系統(tǒng)的優(yōu)勢如下。

①編織袋自動縫紉對編織袋袋口的平整度要求非常高，直接送袋縫紉往往達不到縫紉要求。通過設(shè)置一種縫紉前夾持平臺，夾持袋口保證袋口處于縫紉同一水平面的同時，拖動編織袋使袋口更加平整。通過運動平臺，將編織袋袋口準確運送到縫紉位置，可提高縫紉效果，確保成功率。

②傳送機構(gòu)上設(shè)置擋板，阻擋筒子紗前進。同時，57步進電機配合拉動編織袋，使編織袋內(nèi)筒子紗更加緊湊，縫紉點更靠近筒子紗，以減小袋內(nèi)無效空間，防止成排的筒子紗在后續(xù)運輸過程中受外力影響而摔倒或位置錯亂。

③縫紉機可移動的全自動編織袋自動縫紉系統(tǒng)，解決了編織袋縫紉時縫紉機無法移動的問題。當(dāng)裝滿筒子紗的編織袋運動到指定位置后，第二夾持機構(gòu)動作，縫紉機橫向移動進行縫紉。

④系統(tǒng)對于編織袋袋口的整體夾持縫紉效果較好，克服了編織袋自身和筒子紗作為物料都較為柔軟、容易形變的問題。對于不同硬度、質(zhì)量、尺寸的編織袋，系統(tǒng)也有很好的適應(yīng)性。

2 自動縫紉系統(tǒng)程序設(shè)計

2.1 整體程序設(shè)計

作為筒子紗編織袋自動化包裝的末端工藝，自動縫紉系統(tǒng)的可靠性和效率是評估包裝線整體性能十分重要的一環(huán)。為此，在設(shè)置必要的光電開關(guān)和硬/軟限位開關(guān)保證系統(tǒng)的安全可靠的同時，更需要通過規(guī)劃系統(tǒng)的串行工序與并行工序，設(shè)計邏輯嚴密的梯形圖程序，以控制整套系統(tǒng)高效運作。

自動縫紉系統(tǒng)采用西門子S7-1200作為控制器。SIMATIC S7-1200 控制器具有模塊化和緊湊型設(shè)計，它功能強大、可擴展性強、靈活度高，具備最高標準工業(yè)通信的通信接口，可實現(xiàn)一整套強大的集成技術(shù)功能，滿足對自動縫紉系統(tǒng)的控制需求[7]。軟件編程采用西門子的TIA Portal V14 SP1軟件，運用梯形圖設(shè)計了整個整列模塊的控制程序。自動縫紉系統(tǒng)順序動作流程如圖2所示。

圖2 自動縫紉系統(tǒng)順序動作流程圖

2.2 I/O配置

對程序中所用到的自動縫紉系統(tǒng)整體的輸入輸出點進行配置。除常規(guī)輸入輸出點外，考慮到本系統(tǒng)存在步進電機，需激活S7-1200的CPU模塊高速脈沖輸出功能，用來對步進電機驅(qū)動器發(fā)送頻率和方向脈沖。自動縫紉系統(tǒng)I/O配置如表1所示。

表1 自動縫紉系統(tǒng)I/O配置表

3 系統(tǒng)測試、效率與故障統(tǒng)計

本部分主要統(tǒng)計自動縫紉系統(tǒng)的實現(xiàn)效果：在不考慮前方編織袋包裝工序的前提下，對本套系統(tǒng)進行單獨測試；以1 h為限，對80個裝滿不同規(guī)格紗線的編織袋進行縫紉數(shù)據(jù)測試，將縫紉效果差歸為縫紉失敗。系統(tǒng)運行測試結(jié)果為評價本系統(tǒng)的縫紉效率、縫紉質(zhì)量、運行穩(wěn)定性提供數(shù)據(jù)支撐。

自動縫紉系統(tǒng)經(jīng)過山東某紡紗廠實際縫紉測試，實測效率如表2所示。

表2 自動縫紉系統(tǒng)實測效率

由表2可知，每組計劃進行80次封包，進行9組共720次，編織袋自動縫紉系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定，總體成功率達到99.40%。失敗原因與工業(yè)縫紉機自身、氣源壓縮機壓力不足等因素有關(guān)，且故障后可以快速修復(fù)，保障生產(chǎn)線連續(xù)運行。

4 結(jié)束語

我國對于紡紗業(yè)末端筒子紗自動包裝環(huán)節(jié)的探索與設(shè)計已經(jīng)比較成熟[8]。然而，工業(yè)4.0和中國制造2025的浪潮對傳統(tǒng)的筒子紗包裝行業(yè)也提出了新的要求，產(chǎn)業(yè)的革新和優(yōu)化勢在必行[9]。本文從筒子紗編織袋包裝的自動縫紉封口工藝出發(fā)，設(shè)計和實現(xiàn)了一種新型的筒子紗編織袋包裝自動縫紉系統(tǒng)。該系統(tǒng)突破了編織袋運動而縫紉機頭靜止縫紉的傳統(tǒng)理念，通過夾持移動子系統(tǒng)和縫紉移動子系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，高效、良好地實現(xiàn)了編織袋的全自動縫紉封口功能。