数字化带条针布植针机的研制
本文发表在2011年出版的第21期《梳理技术》杂志上，更多好文章期待您的投稿。投稿、咨询邮箱：shulijishu@geron-china.com
数字化带条针布植针机的研制
姜立新、尹冬冬、陆前明
[金轮针布（江苏）有限公司]
0 前言
带条针布由梳针与底布组成，通过植针机械的送料、切断、成形，呈U形的梳针按照植针行列组织，以一定角度植入底布成为直脚针布，并以一定角度拉弯成为弯脚针布。
在带条针布制造工艺流程中，带条针布产品主要由植针机来实现，第一道也是最重要的是植针工序。由于植针排列的清晰度和针形标准的一致化，直接影响分梳效果，因此植针机的先进性能和植针精度，决定着带条针布的质量和使用；并且随着梳毛、起毛、棉纺除杂等现代针布的市场需求不断增大，产品变换快捷，生产效能的提高更显突出。数字化带条针布植针机研制成为必需，也为后续实现带条针布生产的群机控制奠定了基础。
1 带条针布植针机的现状
（1） 传统带条针布植针机分四大部分组成：横动部分由级轮差动机构完成排列换向；成型部分由主轴凸轮系完成钢丝的送料、握持、截断、打孔、成型、进入（底布）、拉弯等动作；上升部分由棘轮和制动机构等结合完成纵向植针“行列”的提升；传动部分由电机带动主轴凸轮系，完成动能的输入。横动、成型、上升、传动四大部分的配合协调需人为掌握，对植针工操作要求特别严格。
（2）传统带条针布植针机，是19世纪30年代的设备，结构复杂，零件加工及装配工艺差，机件易损，维修工作量大，运行不可靠，产生植针疵点的频次高。整个设备又是纯机械的单输入多输出传动结构，产品品种的变换，每次需要设计专用工装件，以满足调试，产品制造周期长，效率低。
级轮作为整个设备的横动和提升系统的核心件，级轮的差动层面，呈S形曲线状，针布作横向移动，依靠级轮的圆周、左右侧面相邻的固定轧板和活动轧板滑动。级轮上任一斜面的高低层间轴向距离相等，加上其最后一行的针宽为针布的植针宽度。级轮的形状规格确定带条针布的植针型式和植针宽度。
经统计，梳毛、起毛、抄针带条针布产品规格有850多种，植针需要准备许多各种不同规格的级轮和机件，按产品的不同要求进行调换。在植针过程中，级轮的标准面与轧板始终处于摩擦，随着磨损程度不一，带条针布的产品的植针质量处于不稳定状态，严重引起产品报废。所以需要定期对级轮进行维护或修配，而且级轮的外形复杂，计算和工艺麻烦，需要专用机床由专人进行修整或加工。
角轮是联接横动部件和上升部件的承接件，它随着同轴的级轮进行运动，带动提升臂推动上升棘轮的转动，从而与同轴的提升罗拉带动底布完成一行列的植针。角轮与撑牙间歇运动易引起磨损和弹簧疲劳，针布出现黑白露，甚至叠针打洞，使带条针布断裂。
（3）带条针布产品植针规格，必须根据植针机单独配制。由于针布易锈蚀，目前针布制造单位都是根据市场需求进行订单生产，部分带条针布的专机闲置时间过长，造成了一定的设备空置浪费现象，无法适应灵活生产的需求。
（4）传统变换带条针布产品工装配置需要2天（16 h），针布新品开发工装配置最快需要15天（120 h）。更重要的是其植针形式和针密只能局限在常规的排列型式上。
2 数字化带条针布植针机的设计目的与改进点
（1）提高植针机的稳定性，改善针布产品质量，特别是满足适应产品多样化，及迅速实现各种产品之间的生产切换，有利于开发出更需要的新颖带条针布产品。
（2） 通过改变传统带条针布植针机横动、提升和主轴凸轮系传动的结构和联接，减少传动链，简化机械构造，以伺服系统控制植针机工作，使传动系统具有良好的柔性和灵活性。
（3） 取消原级轮横向组合机构运动方式，由伺服电机（配减速器）驱动滚珠丝杆，通过专用弹性联轴器和编码器，向驱动滚珠丝杆的伺服电机（配减速器）发出速度或角度信号跟进；同时经PLC控制，驱动带花键副卷布轴的伺服电机（配减速器），提升底布运动。
主要结构创新方案：主传动伺服电机联系主轴凸轮系、编码器等；横动伺服电机（配减速器）联系滚珠丝杆、带花键副卷布轴和左右侧板架，组成往复横动机构；提升伺服电机（配减速器）和PLC结合伺服控制系统。
3 数字化带条针布植针机设计
3.1 带条产品编程设计
带条针布植针形式分为条纹式、斜纹式和缎纹三种。毛纺、起毛用带条针布一般都采用条纹式，风轮针布与抄针针布采用斜纹式植针，为了增加横向密度采用缎纹。此外某些带条针布还采用“之”字形，“双之”字形和“三重之”字形植针式，以减少针密和减少吸风吸去的羊毛和羊绒。
3.1.1 针对带条针布产品特点设计试制起毛针布产品QRT27/31-2
（1）植针式6×3（条纹）；
（2）针形参数：
针高A=（10±0.2）mm、下膝高l=（7±0.2）mm、动角α=42°±2°，植角γ=（89 °+1°-2°；针布宽（22±1）mm；植针密度N=310+5%-3% ，针尖数/（25.4mm）2。
3.1.2 按产品参数进行计算机编程
转变成数字化语言输入程序，并预先内置带条针布HP28和HQ32两种产品。
3.2 机械设计
3.2.1 横向移动机构部件设计
数字化带条针布植针机横向移动机构，利用滚珠丝杆副传动，适应植针机生产带条针布横向针尖距0.3～1.5的产品要求，而且通过伺服系统可以实现横向针尖距的变化，解决了传统带条针布植针机不能实现的问题。
滚珠丝杆副的支承方式为一端固定，一端游动。固定一端选用成对安装角接触球轴承，游动一端选用带防尘盖的深沟球轴承（见图1）。为了提高传动稳定性和结构配合工艺性，选用与丝杠配套的专用的螺杆支撑座。
由于植针机工作时，废钢针脱落、底布的纱绒与尘杂、油垢的污染，造成工作台下横动机构工况较差，采用折皱保护罩，防止异物进入精密传动零部件而引起磨耗，导致传动精度降低或卡死。
图１ 带防尘盖的深沟球轴承
滚珠丝杆副随驱动伺服电机进行步进和正反转传动，且运动频率高、负载大，因此两者之间的联接方式采用半刚性联轴器，有效避免通用联轴器的正反传动间隙的存在和使用疲劳磨损现象的发生。
3.2.2 提升机构部件设计
数字化带条针布植针机提升机构部件，选用花键副结合伺服电机（配减速器）进行控制，考虑到具体结构尺寸受到提升罗拉外径的影响，将花键套设计成具有罗拉的形状，并实现提升底布的功能。
滚动花键副设计两类，即凸缘式花键副和凹槽式花键副两种。经试验后选择凸缘式花键副，主要结构见图2。通常情况下，凸缘式花键副所能承受的径向载荷及传递的扭矩都较凹槽式花键副要大些。采用滚动花键副，既能保证提升罗拉跟随横动机构的轴向运动，又能实现转动罗拉提升底布的功能，并且滚动花键副间采用的是滚动摩擦，直线运动和旋转运动的精度较高。
图2 凸缘式花键副结构
3.2.3 主轴传动控制部件设计
为了实现数字化控制的提升和横动的时序协调作用，必须以凸轮系主轴的第一送料体凸轮的相位为基准，将电信号反馈给PLC进行集中控制。
在凸轮系主轴的端部安装伺服减速电机，直接带动凸轮系主轴旋转，同时为了方便对带条产品的检修和调试，设置了手动辅助机构。
3.3 电器控制设计
（1）根据针布产品工艺要求,设定需用的主轴伺服电机转速，并驱动凸轮系主轴转动，主轴相位经编码器测量后，将信号反馈给PLC,PLC运算，再传送横动伺服电机（配减速器），控制滚珠丝杠转动一定位移，把完成信号反馈至PLC，即完成了第一行的一次植针工作；接着进行二次植针工作，直至完成针布产品工艺规定的行向工作循环；这时PLC将信号发给提升伺服电机（配减速器），控制带花键副卷布轴转动上升底布，完成产品工艺规定的列向工作位移，然后反馈信号给PLC，由PLC控制植针第二行工作循环……，后完成整个植针组织行列要求。PLC再控制进入下一上述工作循环。整个控制流程见图3。
图3 控制流程示意
（2）通过在凸轮系主轴上安装光纤开关，用于配合主轴伺服系统进行寻零动作，然后形成凸轮主轴的绝对相位值。凸轮主轴的相位通过SX总线进入PLC控制。
（3）横移伺服系统在导轨两端安装两个极限位置保护开关，每次刚开机接电后，横移伺服系统执行寻零动作。以其中的一个限位开关为相对参考点，执行完寻零动作后，横移伺服系统即已绝对位置坐标进行工作。绝对位置坐标值通过SX总线发送到PLC。PLC根据横移绝对位置坐标和主轴相位关系，确定提升机构的动作时机。
（4） 数字化带条针布植针过程中，出现钢丝打弯、蹩针、漏针、钢丝耗尽等，将根据植针质量情况能作出自动停机的反映控制。
3.4 机电接口设计
数字化植针机的机械部分与电器系统联接性能要求，对带条针布产品植针的稳定、可靠至关重要。其主要解决和攻克技术难点：
（1）机电传动、轴类联接结构及工艺定位和紧固型式，能否保证带条针布产品允许的轴向窜动和周向扭转的结合误差。
（2） 伺服电机传动扭矩能否满足植针运动工作阻力与摩擦阻力的合力扭矩，即M≥Mg＋Mf。
（3） 电器信息指令机械系统，在指定的植针宽度内，能否达到3.3 s内植针一行3列的频繁换向（正反转）变位、植针横向针距的准确性。
通过多次严密的计算、设计、选用、反复的计算机模拟及试验，机电一体的控制响应成功实现。
4 数字化植针机与带条针布产品试制与验正
（1）数字化植针机与带条针布QRT27/31-2，植针生产三条（120 m/条×3）符合产品要求，检验合格。
（2） 通过对数字化带条针布植针机预先输入的内置产品参数进行了调整试验，可以快速实现产品间的变换与新品开发。
（3）产品编程输入、电器与机械的调整工作仅需2 h，与传统纵植机相比分别减少14 h和118 h。
（4） 带条针布产品植针工艺参数能通过人机界面的智能对话，完全实现植针机的数字化。
5 结语
金轮针布（江苏）有限公司于2010年9月成功研发数字化带条针布植针机，经试用并通过鉴定。数字化带条针布植针机的稳定性和带条针布产品质量显著提高，产品的变换和开发的适应性强，降低植针技能要求和劳动强度，并为带条针布植针机车间群控奠定了基础，是改进带条针布植针机的一项创新突破，为国内、国际首创。
参考文献：
［1］费青，等.梳棉针布的工艺特性［M］.北京：中国纺织出版社，2007.
［2］姜立新.植针产品质量控制和提高途径［Ｊ］.纺织器材,2001，28（1）：49－53．
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