曹長(zhǎng)昕，羅維平*,2，賈樹林

（1. 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2. 湖北省數(shù)字化紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430200）

近年來，中國(guó)的科技技術(shù)飛速發(fā)展，也隨之帶動(dòng)紡織行業(yè)的快速進(jìn)步。但目前大多數(shù)工廠依舊采用人工掛紗模式，使用人力搬運(yùn)紗筒，人工操作帶來以下缺點(diǎn)：（1）掛紗效率低下，無法形成搬紗、掛紗一體化，且需要消耗大量人力，影響后續(xù)工序，大大延緩工作進(jìn)程[1]；（2）存在高度較高的掛桿，具有一定的安全隱患[2]。目前，少數(shù)工廠開始采用大型機(jī)械臂進(jìn)行掛紗，減少了人力消耗，掛紗電氣化，提高掛紗效率，降低了安全隱患，但大型機(jī)械臂的缺點(diǎn)也很明顯：（1）本體質(zhì)量較大，占地面積大，縮小了工廠使用的有效空間，增加了生產(chǎn)成本；（2）大型機(jī)械臂本身價(jià)格高昂，提高了制造成本。

本文所研制的可移動(dòng)自動(dòng)掛紗裝置，大大節(jié)省占地空間與人力消耗，降低成本，并將掛紗系統(tǒng)化，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)掛紗功能。

1 自動(dòng)掛紗裝置結(jié)構(gòu)組成

1.1 移動(dòng)裝置

自動(dòng)掛紗的移動(dòng)裝置如圖1所示，考慮到使用AGV小車的成本問題，采用成本較低，裝置簡(jiǎn)便的舵機(jī)小車作為底盤。使用舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向，舵機(jī)選取型號(hào)為SZW-C5，連接12-24V直流電源，支持標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)控制信號(hào)即PWM脈沖1-2MS信號(hào)控制，根據(jù)電源輸入，扭矩在539N/cm-1078N/cm之間，角速度區(qū)間為0.12s/60°-0.24s/60°。相對(duì)于市面上其他舵機(jī)，存在以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)上使用鋼制旋轉(zhuǎn)齒輪，齒輪間隙合理，將磨損降至最低[3]；

（2）采用有刷555電機(jī)驅(qū)動(dòng)，耐用性高，整體易維護(hù)，壽命長(zhǎng)；

（3）減速箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝[4]；

（4）驅(qū)動(dòng)采用數(shù)字電路，反應(yīng)靈敏，行程大；

（5）過載不會(huì)損壞電路，去掉超載部分即可正常工作；

（6）低功耗，高轉(zhuǎn)速且噪聲低。

整體控制器采用STM32F429單片機(jī)，32系列單片機(jī)基于高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3內(nèi)核，相對(duì)于傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)來說，地址空間達(dá)到4GB，儲(chǔ)存器空間更大，外設(shè)較多，且操作系統(tǒng)更為全面，更適合成為本次整體裝置的控制器[5]。

1.2 旋轉(zhuǎn)裝置

圖1 自動(dòng)掛紗移動(dòng)裝置

圖2 旋轉(zhuǎn)裝置

自動(dòng)掛紗裝置的旋轉(zhuǎn)裝置如圖 2所示，該裝置由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器以及交叉滾子軸承等組成[6]。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)[7]，根據(jù)負(fù)載重量為24kg，選擇轉(zhuǎn)矩為12N的86步進(jìn)電機(jī)；考慮到旋轉(zhuǎn)精度問題，減速比不宜過大，選擇30；考慮機(jī)械效率，輸出扭矩大約為288N/M。根據(jù)產(chǎn)品需求以及電機(jī)型號(hào)，采用DMA860H電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，相對(duì)于其他驅(qū)動(dòng)器，具有高穩(wěn)定、低噪聲、減少電機(jī)發(fā)熱的優(yōu)點(diǎn)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)角度調(diào)整自動(dòng)化[8]；通過聯(lián)軸器將步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)件相連，排除空間和加工形位誤差；使用交叉滾子軸承[9]代替?zhèn)鹘y(tǒng)蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，解決了蝸輪蝸桿因長(zhǎng)時(shí)間的磨損導(dǎo)致精度降低的問題[10]，而體積小巧這一優(yōu)點(diǎn)，大大提高了中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的空間合理性，減少占地面積，降低成本。整體實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)掛紗裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的功能，具有高剛性、高精度、高負(fù)載且體積較小的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 掛紗裝置

掛紗裝置如圖 3所示，考慮到紗筒在水平方向以及豎直方向上的移動(dòng)，采用兩個(gè)相同型號(hào)的直線滑臺(tái)[11]組成X-Y型，使紗筒在水平與豎直方向上有足夠的位移。水平直線滑臺(tái)整體機(jī)身長(zhǎng)為100cm，有效行程為80cm，負(fù)責(zé)水平方向的移動(dòng)；豎直直線滑臺(tái)整體機(jī)身長(zhǎng)為 130cm，有效行程為 110cm，負(fù)責(zé)豎直方向上的移動(dòng)，兩者通過水平滑塊進(jìn)行連接?？紤]到紗筒質(zhì)量為 10-15kg，采用適合高負(fù)載的57步進(jìn)電機(jī)，57步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)控制滑塊移動(dòng)速率，而57步進(jìn)電機(jī)由32單片機(jī)連接DM542驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，通過撥動(dòng)DM542電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上的SW5-8撥碼開關(guān)控制驅(qū)動(dòng)器的步數(shù)。由于紗線整體易破且顏色為白色，所以支撐桿選取如圖3所示形狀，而不選用兩邊夾持的方式，既能保護(hù)紗線，又能節(jié)省空間，降低成本。支撐桿完全固定于豎直滑臺(tái)滑塊上，整體長(zhǎng) 40cm，保證完全穿過紗筒，橫切面為4cm*4cm的正方形，保證不碰到掛桿，通過水平滑塊與豎直滑塊聯(lián)動(dòng)，完成提紗、掛紗的工作。

圖3 掛紗裝置

2 自動(dòng)掛紗機(jī)工作原理

自動(dòng)掛紗機(jī)工作流程如圖4所示，分為小車移動(dòng)、平臺(tái)旋轉(zhuǎn)、直線滑臺(tái)掛紗、滑臺(tái)與小車復(fù)位四大部分，其詳細(xì)工作原理如下：

（1）系統(tǒng)初始化；

（2）確認(rèn)小車當(dāng)前所在位置是否為起始位置，不是的話，將小車移動(dòng)到起始位置；

（3）確認(rèn)是否需要轉(zhuǎn)向，需要轉(zhuǎn)向則旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行水平180°轉(zhuǎn)向；

（4）由于工廠內(nèi)的一組掛桿呈5×10點(diǎn)陣式有規(guī)律排列，所以以小車兩個(gè)滑臺(tái)連接處為原點(diǎn)，計(jì)算三維空間中第一行第一列第一個(gè)的掛桿到原點(diǎn)的各個(gè)軸上的距離（X，Y，Z）；

（5）小車向前移動(dòng)Y+a*m米，到達(dá)掛桿位置（m為掛桿列與列之間的距離，a第一次取0）；

（6）豎直滑臺(tái)上升Z+b*n米，當(dāng)支撐桿與掛桿平行時(shí)，停止移動(dòng)（n為掛桿行與行之間的距離，b第一次取0）；

（7）水平滑臺(tái)前進(jìn) X米，慢慢使支撐桿與紗筒穿過掛桿；

（8）執(zhí)行掛紗操作：豎直滑臺(tái)下降一小段距離，使紗筒完全懸掛于掛桿上，并使支撐桿完全脫離紗筒，不與掛桿與紗筒接觸；

（9）水平滑臺(tái)后退，豎直滑臺(tái)下降，滑臺(tái)進(jìn)行復(fù)位操作；

（10）小車后退，返回到起始位置；

（11）返回操作5，a取1，執(zhí)行操作6-11后再次返回操作5，a取2...，a依次取值1-9；

（12）a取9后執(zhí)行操作6-11完畢后，a再次取0，b取1，再次執(zhí)行操作5-12，b依次取值1-4；

（13）掛紗操作執(zhí)行50次后，停止工作。

需要說明的是，圖4中一組掛桿為5×10點(diǎn)陣式排列，5行10列，共50個(gè)掛桿。列與列之間相距m，行與行之間相距n。

圖4 掛紗流程圖

3 測(cè)試與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)整體需求，對(duì)小車距離、掛桿高度、紗筒質(zhì)量三個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試，觀察改變這三者之后對(duì)結(jié)果的影響。

3.1 改變小車距離

表1 小車距離測(cè)試

如表1所示，將小車和掛桿之間的距離依次設(shè)置為3、4、5m后，測(cè)試結(jié)果為小車平均速率約為0.5m/s，距離越短，小車速率越高；距離增加之后，小車速率略微下降，但基本接近0.5m/s。

3.2 改變掛桿高度

如表2所示，將掛桿高度依次設(shè)置為0.6、0.8、1m后，測(cè)試結(jié)果為豎直滑臺(tái)平均速率約為0.130m/s，結(jié)果顯示，當(dāng)高度增加后，滑塊速率略微降低，基本符合要求。

表2 掛桿高度測(cè)試

3.3 改變紗筒質(zhì)量

表3 紗筒質(zhì)量測(cè)試

如表3所示，將紗筒質(zhì)量依次設(shè)置為10kg、15kg后，測(cè)試結(jié)果表明，加重紗筒質(zhì)量，小車前進(jìn)時(shí)間與滑塊上升時(shí)間都有所增加，并且小車前進(jìn)速率與滑塊上升速率都有所下降。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32F429控制器的自動(dòng)掛紗機(jī)，通過將舵機(jī)小車、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、直線滑臺(tái)進(jìn)行組合，對(duì)多個(gè)電機(jī)進(jìn)行使用，可以成功實(shí)現(xiàn)由該裝置進(jìn)行機(jī)械掛紗。整個(gè)過程基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，成功降低大量人工成本，同時(shí)解決了人工掛紗中存在的安全隱患問題與大型機(jī)械臂掛紗存在的壓縮生產(chǎn)空間以及價(jià)格高昂?jiǎn)栴}，掛紗成功率達(dá)到90%以上，穩(wěn)定可靠。