【精品硕士论文】958全电驱动自动落纱装置的研究与设计.pdf

学学校校代代码码10406 分分 类类 号号ts103+.7 密密级级 学学号号090430102010 题题目目全全电电驱驱动动 自自动动落落纱纱装装置置的的研研究究与与设设计计 作作者者邹邹俊俊伟伟 学学科科、专专业业机机械械工工程程 指指 导导 教教 师师朱朱保保利利副副教教授授 申申请请学学位位日日期期20112011 年年 1212 月月 学校代码：10406 分类号： ts103+.7学号：090430102010 南南昌昌航航空空大大学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 （学位研究生） 全全电电驱驱动动 自自动动落落纱纱装装置置的的研研究究与与设设计计 硕士研究生：邹 俊 伟 导师：朱 保 利 申请学位级别 ：硕士 学科、专业 ：机械工程 所 在 单 位：航空制造工程学院 答 辩 日 期：2011 年 12 月 授予学位单位 ：南昌航空大学 all-electric driveautomatic doffing device research and design adissertation submitted for the degree of master on mechanical engineering byzou junwei under the supervision of associate.prof.zhu baoli school ofaeronautical manufacturing engineering nanchang hongkong university, nanchang, china december, 2011 i 摘要 细纱机的自动化程度，直接影响纺织行业的生产效率，决定着我国纺织行业 在国际上的竞争力。针对我国大量存在的自动化程度不高的旧式细纱机，落纱需 要人工，不仅需要大量的人力，而且还要花费大量的时间，这样造成纺织企业生 产成本的提高，生产力及生产效率低下。在科技日新月异的今天，显然这是不符 合现代企业的生存、发展、及竞争。在使旧式细纱机得到有效利用，发挥其最大 价值的情况下，研制代替人工落纱，用于旧式细纱机的自动落纱装置已变得迫在 眉睫。所以，本文根据旧式细纱机的落纱特征，采用“理论设计理论分析有 限元分析实验分析” 相结合的方法展开对自动落纱装置的研究。主要工作如 下： 首先，以机械原理、机械设计为理论基础，完成自动落纱装置总体方案及功 能部分结构设计。 其次，对旋转托盘进行运动分析，以及运用理论知识和 ansys 分析软件对关 键部件进行强度和刚度分析。 最后,通过实验,改进理论设计存在的一些问题， 对抓管机构和放管机构进行 结构优化。 本文所研究的自动落纱装置不仅可应用于旧式细纱机的落纱工作， 而且也可 为开发更好的自动落纱装置积累经验。 关关键键词词：全电驱动自动落纱装置，旧式细纱机，有限元分析，实验研究 ii abstract the automation degree of spinning, directly influence the textile industry production efficiency, determines chinas textile industrys competitiveness in the international. for china there are a lot of old spinning, however, the low level of automation of the old spinning, doffing need artificial, not only need a large number of human ,but also spend a lot of time, this greatly increased the production costs of textile enterprises, productivity and production efficiency is low. today, rapid changes in technology, this is clearly did not meet with the modern enterprises survival、development and competition. in that old jammed available, play the greatest value, instead of artificial doffing developed, used for the old spinning , auto-doffing device has become urgent. so, in this paper, according to doffing characteristics of old spinning, use “theory of design-theoretical analysis-finite elementanalysis-experimentalanalysis”amethodofcombinationtostudy auto-doffing device. main research work is as follows: first, on the basis of mechanical principles and mechanical design, complete overall design ofauto-doffing device and part of functional of the structural design. second, analysis rotating trays motion, and analysis the force of the key components by use of theoretical knowledge and ansys software. finally, through experiment, improvement some of the problems that exist in the theoretical design, optimization the structure of grasping pipe body and discharge pipe body. studied in this paper auto-doffing device can be applied not only to old-fashioned spinning doffing work, but also can accumulate experience for developing betterauto-doffing device. key words:all-electric driveauto-doffing device, old spinning, finite element analysis, experiment study 南昌航空大学硕士学位论文目录 iii 目录 摘摘要要. i i abstractabstract . iiii 第第 1 1 章章 绪绪论论 . 1 1 1.1 研究的目的和意义 .1 1.2 国内外研究概况 .3 1.2.1 国外研究现状.3 1.2.2 国内研究现状.4 1.3 研究的主要内容及方法 .6 1.3.1 研究的主要内容.6 1.3.2 研究的主要方法.6 1.4 必须解决的关键问题与创新点 .6 1.4.1 必须解决的关键问题.6 1.4.2 创新点.6 1.5 本章小结及内容安排 .7 第第 2 2 章章 自自动动落落纱纱装装置置总总体体方方案案及及功功能能部部分分结结构构设设计计. 8 8 2.1 细纱机落纱特征及落纱要求 .8 2.1.1 细纱机落纱特征.8 2.1.2 自动落纱装置应具有的功能.8 2.2 自动落纱装置的总体方案 .9 2.3 抓管部分结构设计 .10 2.3.1 x-z 直线运动模组设计 .10 2.3.2 夹紧机构设计.11 2.3.3 顶松机构设计.12 2.4 放空管部分结构设计 .12 2.5 驱动及传动方式的选择 .14 2.5.1 运动系统分析.14 2.5.2 驱动方式的选择.14 2.5.3 传动方式的选择.15 2.5.4 步进电机的选型计算.16 2.5.5 滚珠丝杆副的选型计算.18 2.6 自动落纱装置的操作过程 .20 2.7 本章小结 .20 第第 3 3 章章 关关键键部部件件力力和和运运动动分分析析 . 2222 3.1 关键部件的确定 .22 3.2 螺栓组连接的强度分析 .22 3.3 有限元方法及应用 .27 南昌航空大学硕士学位论文目录 iv 3.3.1 有限元法的基本思想.27 3.3.2 ansys 软件及其应用简介 .27 3.4 夹片安装板的有限元分析 .28 3.4.1 创建分析模型.28 3.4.2 网格划分并创建有限元模型.29 3.4.3 施加载荷并求解.29 3.4.4 结果分析.30 3.4.5 夹片安装板重新建模及分析.31 3.5 竖直转接板的有限元分析 .33 3.5.1 竖直转接板分析的前处理及加载求解.33 3.5.2 结果分析.33 3.6 旋转托盘运动分析 .35 3.6.1 空纱管运动方程及轨迹方程.35 3.6.2 旋转托盘运动平均速度条件.37 3.7 实例理论计算与有限元计算结果比较 .38 3.7.1 夹片安装板最大应力及挠度计算.38 3.7.2 计算结果分析.39 3.8 本章小结 .39 第第 4 4 章章 实实验验分分析析 . 4040 4.1 纱管夹紧机构实验 .40 4.1.1 实验目的.40 4.1.2 实验步骤及方案.40 4.1.3 实验过程及数据记录.41 4.1.4 实验分析结论及建议.42 4.1.5 抓管部分结构改进设计.42 4.2 放空管机构实验 .43 4.2.1 实验目的.43 4.2.2 实验步骤及方案.44 4.2.3 实验过程及数据记录.44 4.2.4 实验分析结论及建议.45 4.2.5 放管部分结构改进设计.45 4.3 本章小结 .46 第第 5 5 章章 总总结结 . 4747 5.1 主要工作回顾 .47 5.2 本课题今后需要进一步研究的地方 .47 参参考考文文献献 . 4848 攻攻读读硕硕士士期期间间发发表表论论文文和和科科研研情情况况 . 5151 致致谢谢. 5252 附附录录. 5353 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 1 第第 1 1 章章 绪绪论论 1.1 研究的目的和意义 纺纱是纺织产业链的第一道工序，其产品质量档次、生产效率与加工成本在 整个产业链中具有十分重要的地位， 故国内外对纺纱技术的发展与创新技术的应 用都十分重视与关注1。纺织业是我国竞争力较强和国际依存度较高的产业，也 是劳动密集和具有比较优势的传统产业， 一直是出口创汇的重要产业和我国国民 经济的支柱2-4。我国纺织品出口利润空间近年来逐步缩小，目前约为2%3%， 加之能源短缺，棉花等原材料价格上涨，劳动力成本优势逐步降低。伴随社会的 高速发展，高质量的纺织品需求也不断增加，纺织企业竞争加剧，纺织高质量产 品的企业逐渐增多，从而提高了对设备的需求。为降低半制品在工序，操作间等 过程中因摩擦，触摸，碰撞等造成纱疵，毛羽的影响，必须采取一些措施来减少 上述情况的发生。但要从根本上消除人为操作产生的质量问题，就必须实现纺纱 车间生产的自动化5。具有自动集体落纱6-7系统的长细纱机成为未来发展的趋 势，在细纱机上配置集体自动落纱装置后将人工落纱改为集体自动落纱，就可大 大减少用工，将提高生产效率及产品质量8。长车型细纱机自动化水平高,发展 长车型环锭细纱机以及细络联成为当代环锭细纱机发展的重要方向9。环锭细纱 机配集体落纱机的细纱长机是棉纺企业提高劳动生产率的一个重要环节,国际上 先进的棉纺企业中,能把万锭用工降低到50人以下的企业,几乎都以采用细纱长 机配集体落纱及细络联机作为主要手段10。 国内外生产细纱机的企业也相继开发 了具有自动集体落纱系统的长锭细纱机11-13，如图1-1所示。 图 1-1 配备集体自动落纱装置的细纱机 其工作工程为首先将空纱管装入锭子，待空纱管纺满纱后成为满纱管，这时 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 2 自动落纱装置将满纱管拨出并放在满纱管收集箱里并马上将空纱管再之装入细 纱机锭子，如此循环工作。 据统计我国现有棉纺纱锭 1.15 亿锭， 除了一些先进的大锭数的细纱机采用 集体自动落纱外， 目前国内还存在大量不带集体自动落纱的旧式细纱机14。 其主 要原因是带集体自动落纱装置的细纱机造价过高， 一台进口1008锭自动落纱机售 价超过28万元人民币， 国内生产的自动落纱机一台也要18万元人民币15。 这么高 的价格使不少纺织企业无力承受，大部分细纱机仍然采用人工落纱的方式，只有 少部分采用电动落纱机落纱，用工多，劳动强度大，生产效率较低,我国出口细 纱机的情况也基本如此16。 前些年我国劳务市场繁荣,纺织企业招工不存在困难, 用工成本也不高,采用人工落纱没有什么大的问题，如今我国大部分地区，纺织 企业招工困难, 成本也在不断提高。 一般落纱工都是年轻、生强力壮的女工担任，长期工作，会引起落纱女工慢 性鞘炎、 腰肌劳损等职业病17。 再之细纱机车间工作环境差， 噪声大、 空气污染、 高温、湿度大等，使得愿意从事落纱工作的工人越来越少，企业面临很大的用工 压力。因此近年来招工越来越困难，劳动力成本也越来越高，纺织厂都渴望能有 一种生产成本低、效率高的自动落纱装置来替代人工落纱并换上空纱管，所以如 果研制一种针对我国目前大量存在的旧式细纱机的自动落纱装置并应用， 不但可 以大大提高企业的生产效率，有效利用大量存在的旧式细纱机，降低人工成本。 经保守估计， 落纱人工数量将在现基础上减少23,那么同样人工成本也将减少2 3，因此开发适合旧式细纱机的自动落纱装置成为当务之急, 做好了会取得明 显的经济和社会效益。 如图 1-2 为国产 tfa506 旧式细纱机，其工作过程为首先由落纱工人将空纱 管装入固定其位置的锭子上，待空纱管纺满纱后，由落纱工人将满纱管从锭子上 拨下、收集，并换上新的空纱管。 图 1-2 国产 tfa506 细纱机 由于纱管随锭子高速旋转，满纱管与锭子之间产生较大的粘合力（约10公斤 的力） ，人工落纱需要很大的劳动强度。同时满纱管落纱完成后，换上空纱管， 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 3 落纱工工作量大，生产效率低，细纱机一般锭数较多，需要工人数目也多，导致 人工成本高。 为解决以上问题，国内也做过很多尝试，如采用振动拨纱、预拨二次拨纱等 方法,这些方法中采用的拨纱装置在拨纱过程中出现了对锭子产生径向力、容易 碰撞锭子，不易检测落纱漏纱和拨纱速度低等问题18。 因此本课题目的是研制自动落纱装置，不但替代人工完成拨纱、集纱、换 空管的工作，用于旧式短锭细纱机，提高生产效率，降低劳动强度，而且还可以 做到垂直拨纱，减少在拨纱过程中对锭子产生的径向力。采用全电驱动方式，避 免了气动、液压驱动方式需要铺设气路、油路的缺点，一台自动落纱装置可以兼 顾多台旧式细纱机， 使总体生产成本得到降低， 细纱机与自动落纱装置相对独立， 这样便于安装和维护。 1.2 国内外研究概况 1.2.1 国外研究现状 自动落纱装置19-26适用于旧式细纱机落纱， 国外的自动小车落纱机比集体落 纱装置的开发和使用要早些。 日本丰和公司的ua27e型细纱机， 配备了自动落纱装置,细纱机的中心线与自 动落纱装置的中心线垂直，首先在细纱机尾部的外侧装有地面导轨,将自动落纱 装置置于地面导轨上。当落纱工人注意到细纱机满纱指示灯亮时，这时候操作自 动落纱装置上的开关按钮，使其行进到细纱机的机身部分,每次拔完10个满纱管 的同时换上10个空纱管，每完成10个锭子的满纱管落纱,向前行进10个锭子的距 离, 最后行至细纱机的机头处，落纱完成,自动落纱装置自动返回。将480锭的细 纱机落纱完成所需时间大约为4分钟，自动落纱装置的动力能源来自地面导轨正 上方安装的导电轨,采用220v交流电供电。 日本okk公司的md-s型自动落纱装置,与我国早期开发的电动型落纱装置比 较相似。光杆锭子的落纱比较适合用日本 okk 公司的 md-s 型自动落纱装置，其 不仅能使满纱管免于受到伤害，而且也能使细纱机的锭子免于受到伤害,原因在 于它是用夹持辊预松满纱管,再用落纱辊落纱,而这 2 个操作过程均没有接触到 棉纱；另它还能使行进的节奏性得到很好的控制，原因在于先在自动落纱装置上 安装有齿轮，细纱机上安装有导轨并在导轨上安装有齿条,再将自动落纱装置的 齿轮与细纱机上导轨齿条啮合。这是与前述自动落纱装置的不同之处，工作时由 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 4 落纱工人将自动落纱装置推到细纱机的导轨上并使自动落纱装置的齿轮与细纱 机上导轨齿条啮合，前进时逐个将满纱管拨掉，当返回时再换上空纱管。落纱周 期约为9分钟,如果按落纱工人平均落纱时间4小时计算的话,那么一个落纱小组 每班可完成 26 台/次的落纱。 这样的设计思路对于我们改进现有的电动型落纱装 置以及以后设计新型的自动落纱装置时，可以拿过来借鉴。 德国拨拉特萨科洛威尔 802 型细纱机, 它配备有迈耶子母型小车自动落纱 系统。 该自动落纱系统动力来源于蓄电池供电,母机由蓄电池供电,可以在细纱机 各机台之间行走,当母机与某一台细纱机的尾部相连接时,220v电源接通,蓄电池 进行充电,安装于自动落纱装置下部的电缆得电。不同的是细纱机的落纱、插空 管、压空管的动作是由自动落纱装置的三只机械手顺序地完成。当自动落纱装置 离开母机进行落纱、插管时, 安装在电缆盘上的电缆退绕, 返回时，电缆卷绕到 电缆盘上。在这里电缆盘上电缆的张力能得到很好的控制,原因在于电缆盘安装 有摩擦式的安全离合器, 这样也可以使电缆的卷绕速度得到调整。 该机拔纱采用 气囊, 所以每台落纱装置都另配有一台小型空气压缩机，468 锭落纱时间约 4 分 钟。 上述国外的自动落纱小车都设计有故障自停、 报警以及指示故障发生部位等 功能, 以利于及时准确地排除故障27。 1.2.2 国内研究现状 上世纪60年代，我国技术人员和纺织工人设计出了了圆盘式、铲刀式等手推 式落纱装置。 1975年由上海第二纺机设计出了au512型半自动落纱装置,湘潭纺织 机械配件厂设计出了aua513型电动式落纱装置,由于这种双圆盘式落纱装置在设 计上存在诸多缺陷，例如其工作时容易伤害锭子和管纱，原因在于锭杆盘与圆盘 之间的位置关系没有得到很好的固定,以致在水平方向常常发生挤撞,另外机器 与零部件的刚性较差、易松动,稳定性较差，造成没有得到很好的使用效果。在 经过生产实践后， 无论在国内， 还是出口到外国， 都没有得到较好的应用和推广， 特别是到了国外的纺织厂,由于维修人员和维修方法的缺乏, 造成没过多久, 落 纱机就被手工落纱所代替。 国内新型的落纱自动小车问世， 是在2010年中国国际纺织机械展览会上。铜 陵松宝机械有限公司和无锡集聚纺织器械有限公司分别以不同形式向业内界人 士展示了他们的新型自动落纱小车， 出于保密, 自动落纱小车的详细结构不容易 了解，但是还是吸引了很多的业内界人士，特别值得注意的是这两家公司的自动 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 5 落纱小车都适用光锭杆锭子, 筒管也不用改进,方便又省钱，这让大家觉得细纱 机短车的自动落纱问题的解决有了新的方法,据介绍还克服了原国产自动落纱小 车的缺陷和不足。现简述如下: 无锡集聚纺织器械有限公司的 jlj-a-1 型全自动落纱机器人， 不工作时两台 自动落纱装置一台停在细纱机机头的左侧,另外一台停在尾部的右侧。细纱机满 纱时, 自动落纱装置自动翻转隔纱板和叶子板，再分别从机尾向机头，机头向机 尾逐锭拔纱、 插管。 当完成整台细纱机落纱时, 两台落纱小车分别自动返回原处， 这时候锭杆盘复位、隔纱板、叶子板自动翻转复位,细纱机自动启动,整个过程实 现了自动化。由于将展示的细纱机的关键部位遮挡住了, 所以其拔纱、插管等工 作原理不是很了解,再之， 细纱机比较短, 落纱完成时间短,看起来自动落纱比较 顺利地就完成了。虽然其技术还不够完善, 但是只要肯不断努力一定会取得成 功。 如果固定配置 2 台落纱装置给一台细纱机,用户花在设备方面的费用肯定会 增加，虽然固定安装型变化因素少、可靠,结构简单,也比较容易使自动落纱得以 实现。 另外,由于自动落纱装置的停止位置分别处在机头和机尾的一侧,这正好将 巡回吹吸风机的吹吸风管遮挡住了,以致使其往复运行不能实现。如果将设计改 成两台自动落纱装置都停在细纱机机尾的后面,而且巡回吹吸风机两侧吹吸风管 的内沿宽度要大于两侧自动落纱装置的外沿宽度,那么这个问题就很好的得到解 决了。由于目前该自动落纱装置还存在机构及配合尺寸方面的原因,以致还存在 少数锭子的拔纱和插空纱管需人工完成的问题,所以还不能够对这些锭子进行自 动落纱,希望经过改进，使全自动落纱能够真正实现27。 松宝环锭纺智能落纱车，出于保密的原因，细节之处不祥，据介绍它采用气 囊式拔纱。 气囊被列为耗材， 说明松宝公司已经注意到气囊存在使用寿命的问题, 希望能将这个问题解决,以使自动落纱小车工作的可靠性、稳定性得到确保。另 外该落纱装置功率偏大、另外应对电缆供电方式进行改进15。 综合以上国内外自动落纱装置的简介，还存在一些问题，比如，拨纱时伤害 到满纱管的纱体及细纱机的锭子，采用机械手以及一台旧式机配备2台自动落纱 装置的话，将会使生产成本提高，采用齿轮齿条行进，整个结构变得相对复杂， 还有些不能完全实现全自动化落纱、集纱、插空管等问题。 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 6 1.3 研究的主要内容及方法 1.3.1 研究的主要内容 1. 自动落纱装置的总体方案。 2. 自动落纱装置功能部分结构设计。 3. 驱动及传动部件的选型。 4. 关键部件力和运动的分析。 5. 实验分析。 1.3.2 研究的主要方法 本课题拟采用的研究方法如下： 1. 按照机械系统设计理论与方法、确定自动落纱装置总体方案。 2. 从系统功能出发，对功能部分进行结构设计。 3. 运用理论力学、材料力学知识、ansys 分析软件对关键部件进行力和运 动的分析。 4. 进行实验，在实验的基础上对结构进一步优化，从而提高自动落纱装置 正常工作的可靠性。 1.4 必须解决的关键问题与创新点 1.4.1 必须解决的关键问题 1. 自动落纱装置总体方案及功能部分结构设计。 2. 抓管机构正确可靠地抓起满纱管及回收满纱管。 3. 放管机构正确可靠地将空纱管放入细纱机的纱管锭子中。 1.4.2 创新点 1. 自动落纱系统各运动部件采用全电驱动方式，并配以 dc-dc 模块得到各 运动部件所需直流电源，特别是对于抓管部分，相比以前的自动落纱装置，避免 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章 绪论 7 了液压、气动机构需要铺设油路、气路的缺点。 2. 抓管机构执行抓满纱管的工作过程中，是垂直拨纱，减少了拨纱过程中 对锭子的径向力，使锭子不容易碰弯和损坏，从而有效保护了锭子，大大提高了 锭子和纱管的使用寿命。 3. 在夹紧机构正下方安装顶松机构，将满纱管与锭子之间的粘合力大大降 低。 1.5 本章小结及内容安排 本章主要介绍了课题的目的和意义，通过查阅相关资料，了解了国内外关于 本课题相关领域研究现状与进展， 提出了本文研究工作的主要内容和运用主要的 研究方法。 第2章：以机械原理、机械设计知识为基础确定自动落纱装置的总体方案及 功能部分的结构设计，确定驱动和传动方式，电机和滚珠丝杆的选型计算。 第3章：对旋转托盘进行运动分析及校核螺栓组连接强度，运用有限元分析 软件对夹片安装板、竖直转接板进行强度和刚度分析。 第4章：通过实验，以验证理论设计是否符合要求，在实验的基础上对抓管 部分和放管部分进行了结构优化。 第5章：对前面的工作进行了总结，对本课题下一步的工作做了展望。 南昌航空大学硕士学位论文第2章 自动落纱装置总体方案及功能部分结构设计 8 第 2 章 自动落纱装置总体方案及功能部分结构设计 2.1 细纱机落纱特征及落纱要求 2.1.1 细纱机落纱特征 细纱机工作之前先将空纱管套入细纱机锭子上， 这时空纱管和细纱机上的锭 子之间只有极少的摩檫力。当细纱机开始工作后，细纱机上的锭子高速旋转并带 动空纱管旋转从而实现纺纱，由于纱管随着锭子高速旋转，满纱管与锭子之间产 生较大的粘合力。对于大量旧式的短锭细纱机来说，待空纱管纺满纱后由人工将 满纱管换下放入集管箱并及时换上空纱管。如图 2-1 所示。 图 2-1 人工落纱 2.1.2 自动落纱装置应具有的功能 经过细致分析和研究用于旧式短锭细纱机的自动落纱装置应具有如下功能： 1. 代替人工脱开锭子与满纱管的粘合，集纱以及换空管。 2. 做到垂直拨纱，减少拨纱过程中对锭子的径向力。 3. 能够做到一台装置兼顾多台细纱机，有利于降低总体成本。 4. 落纱装置与细纱机相对独立，操作简便、可靠、便于安装和维护。 南昌航空大学硕士学位论文第2章 自动落纱装置总体方案及功能部分结构设计 9 2.2 自动落纱装置的总体方案 自动落纱装置是集落纱、及换空管于一体的自动化机械装置。主要由抓管部 分、放空管部分、行进部分组成。总体设计方案示意图如图 2-2。图中主要部件 有：1、落纱小车 2、滑轮安装板 3、定向滑轮 4、定向导轨 5、电路安装板 6、 细纱机下导轨 7、定位电磁铁 8、定位电极 9、短路环 10、红外发射和接收装置 11、海绵刷 12、行进前轮 13、行进后轮 14、行进驱动步进电机 15、减速箱 18、 x 轴线模组 19、x 轴直线模组步进电机 20、接近开关 21、z 轴直线模组步进电机 22、接近开关 23、z 轴直线模组 24、竖直转接板 25、抓管机构 26、集纱箱 35、 空管箱 39、推空管用步进电机 40、接近开关 42，43、空管推杆组 44、旋转托盘 步进电机 45、合页 46、空管收集箱 47、蓄电池组 图 2-2 自动落纱装置总体方案图 自动落纱装置箱体部分是由角铁焊出骨架，外面装有面板，正面由上面板、 左下面板及右下面板组成， 其中左下面板、 右下面板分别用合页铰链安装， 配锁， 可以打开，后面板分为固定板和活动板，活动板在自动落纱装置工作时取下。箱 体左右两块面板都装有扶手，用于手动推拉自动落纱装置。尾部装有合页，行进 过程中，合页同时在换好的空纱管上方拖过，这样可以完成拍管动作，使空纱管 完全落入细纱机的锭子中去。 自动落纱装置的电源系统是由 4 节 12v/75ah 免维护铅酸蓄电池串联而成， 同时配以 dc-dc 模块，这样就可以使各功能部件得到所需直流电源，蓄电池组安 装于空管箱的正下方。定位电磁铁上装有定位电极，自动落纱装置到达停车位置 时，电磁铁通电推出定位电极与短路环接触，以停止行进。 自动落纱装置的滑轮安装板上装有轮毂带有凹槽的定向滑轮， 用来连接细纱 南昌航空大学硕士学位论文第2章 自动落纱装置总体方案及功能部分结构设计 10 机的定向导轨，行进由两只前轮驱动，后轮为万向从动轮。当自动落纱装置上的 红外接收装置接收到细纱机上红外发射装置发送来的落纱完成信号， 自动落纱装 置开始工作。控制器完成用户指令的输入、运行显示、工作状态指示、蓄电池电 压监测等功能。可参看附录图 1 自动落纱装置实物图。 2.3 抓管部分结构设计 抓管部分由抓管机构、x-z 直线运动模组两部分组成（如图 2-4） ，抓管机构 28又由顶松机构（如图 2-6）和夹紧机构（如图 2-5）这两部分所构成。设计方 案示意图如图 2-3 所示。图中主要部件有：18、x 轴直线模组 19、x 轴直线模组 步进电机 20、接近开关 21、z 轴直线模组步进电机 22、接近开关 23、z 轴直线 模组 24、竖直转接板 27、上夹片安装板 28、下夹片安装板 29、夹片 30、直流 力矩电机 31、滚珠丝杆副 32、顶松板 33、滚珠丝杆副 34、直流步进电机 图 2-3 抓管部分结构示意图 用竖直转接板将夹紧机构和 z 轴直线模组相连接， 水平转接板将 z 轴直线模 组和 x 轴直线模组相连，x 轴直线模组固定于自动落纱装置内。顶松机构安装在 自动落纱装置的正外侧壁上，处在抓管部分下方。工作时，x-z 直线运动模组对 满纱管进行定位后，夹紧机构抓住满纱管，同时顶松板向上运动顶击夹片，降低 满纱管与锭子之间的粘合力， 最后 z 轴直线运动模组带动夹紧机构及满纱管向上 运动，当满纱管位置高出细纱机锭子的顶部，完成拔纱工作。可参看附录图 1 自 动落纱装置实物图。 2.3.1 x-z 直线运动模组设计 x-z 直线运动模组设计方案示意图如图 2-4 所示。图中主要部件有：18、x 南昌航空大学硕士学位论文第2章 自动落纱装置总体方案及功能部分结构设计 11 轴直线模组 19、x 轴直线模组步进电机 20、接近开关 21、z 轴直线模组步进电 机 22、接近开关 23、z 轴直线模组 24、竖直转接板 图 2-4x-z 直线运动模组结构示意图 由前所述，x-z直线运动模组主要作用是带动抓管机构在水平方向和竖直方 向的移动，实现对满纱管的准确定位，使抓管机构上的夹片能够抓住满纱管。根 据直线运动模组的设计参数，拟选用深圳威远精密技术有限公司提供的型号为 mdl40b的x-z直线运动模组，其具体性能指标见表2-1。 表 2-1 x-z 直线运动模组参数 型号传动结构导向结构宽度x 行程z 行程 40b同步带滚轮导轨40mm185mm205mm 2.3.2 夹紧机构设计 夹紧机构设计方案示意图如图 2-5 所示。图中主要部件有：27、上夹片安装 板 28、下夹片安装板 29、夹片 图 2-5 夹紧机构示意图 南昌航空大学硕士学位论文第2章 自动落纱装置总体方案及功能部分结构设计 12 每块夹片安装板上各安装 10 个夹片，夹片相对夹片安装板可以产生竖直方 向的位移。力矩电机通过联轴器与滚珠丝杆副的丝杆进行轴联，并将其固定在下 夹片安装板上，而滚珠丝杠副的螺母与上夹片安装板相连。当力矩电机带动滚珠 丝杆副的丝杆转动时， 使得上下夹片安装板进行相向运动， 夹片此时夹紧满纱管。 2.3.3 顶松机构设计 顶松机构设计方案示意图如图 2-6 所示。图中主要部件有：23、z 轴直线模 组 24、竖直转接板 27、上夹片安装板 28、下夹片安装板 29、夹片 32、顶松板 34、顶松步进电机 53、满纱管 图 2-6 顶松机构示意图 由前所述，由于纱管随锭子高速旋转，满纱管与锭子之间产生大约为10公斤 左右的粘合力，为了能使夹紧机构准确准时地夹起满纱管。顶松机构的任务就是 在夹紧机构夹紧满纱管并由x-z直线运动模组提起满纱管之前由顶松机构上的顶 松板以一定恒定的速度顶击一下夹片，以降低满纱管与锭子之间的粘合力。可参 看附录图1自动落纱装置实物图。 2.4 放空管部分结构设计 放空管部分由空管箱、空管推杆组和旋转托盘三部分组成。设计方案示意图 如图 2-7 所示。图中主要部件有：35、空管箱 36、旋转托盘 37、电磁铁 38、挡 板 39、空管推杆步进电机 40、接近开关 41、滚珠丝杆副 42、四根推杆 43、两 根推杆 南昌航空大学硕士学位论文第2章 自动落纱装置总体方案及功能部分结构设计 13 图 2-7 放空管机构示意图 空管箱的底部开 10 个锯齿形状的槽并与旋转托盘水平对齐，旋转托盘 上设计有 10 个装空纱管的空位， 在空管箱的另一侧安装三组空管推杆组 （含 四根、四根、两根推杆） ，空管箱的底部锯齿形状槽与推杆组水平对齐，步 进电机驱动推杆组从空管箱的底部锯齿形状槽通过，将空管箱的空纱管推入 到旋转托盘的空纱管空位中去。 旋转转托盘的旋转轴与步进电机用联轴器相连，在旋转托盘的出口出安 装有挡板，当旋转托盘旋转到一定角度时，由电磁铁通电，通过连杆拉开挡 板，以实现将空纱管放入细纱机锭子中去的工作。可参看附录图 2，3，4 旋 转托盘、空管推杆组、空管箱实物图。 放空管动作示意图如图 2-8 所示。托盘旋转 60时，电磁铁拉开挡板， 这样空纱管落入细纱机锭子中去，电磁铁什么时候拉开挡板是由旋转托盘与 细纱机锭子的相对位置决定的。 图 2-8 放空管动作示意图 南昌航空大学硕士学位论文第2章 自动落纱装置总体方案及功能部分结构设计 14 2.5 驱动及传动方式的选择 2.5.1 运动系统分析 基于上节自动落纱装置整体方案介绍， 自动落纱装置运动系统主要由整体的 前进运动、抓管部分的 x-z 直线运动模组的直线运动、抓管机构夹紧部分的直线 运动、顶松机构顶松执行部件的直线运动、空管推杆组的直线运动、放空管机构 的旋转运动等组成。 2.5.2 驱动方式的选择 为了驱动自动落纱装置各部分机构的运动部件，使自动落纱装置工作起来， 首先需要解决的问题是选择什么的电机来驱动。 电机是将电能转换为机械能的能量转换装置， 也是将数字控制信号转换为机 械与位移的信息转换装置29。电机应该达到以下的基本要求： 1. 高效率。 2. 良好的控制特性、调速性能。 3. 便于安装和维护。 4. 散热好、价格适中。 至今较常用的电机有直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机三大类，三种 控制电机性能比较见表 2-2。 表 2-2 各种控制类型电机的比较 电机类型直流伺服电机交流伺服电机步进电机 电机构造复杂简单简单 输出功率一般最大一般 最大转速一般最高一般 控制方法简单复杂简单 维护性较麻烦不需要不需要 防爆性有火花好好 价格中等较高便宜 相对本课题实际情况，负载变化较小，再之开环控制结构简单、设计制造并 不困难、控制精度也较好、便于安装调试及维护，成本较低，因此开环控制应优 先考虑选用。 步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。 步进电机最大特 南昌航空大学硕士学位论文第2章 自动落纱装置总体方案及功能部分结构设计 15 点是“数字性”和“误差不积累性”。对于控制器发过来的每一个脉冲信号，步 进电机在其驱动器的作用下转动一个固定角度， 步进电机旋转式以固定的脚步一 步一步运行的。我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位 的目的；同时可以控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速 的目的。利用步进电机没有积累误差的特点，可用数字脉冲信号实现开路方式控 制，避免复杂的反馈控制电路，有利于降低总成本，因此广泛应用于各种开环控 制。 综上所述，根据自动落纱装置整体方案及各运动部分的运动特点、经济实用 性、控制精度要求，确定自动落纱装置行进驱动、抓管部分机械臂的 x-z 直线运 动模组驱动、顶松机构的顶松执行部件驱动、空管推杆组的驱动、放空管机构驱 动，都选用步进电机，抓管机构的夹紧部件采用直流力矩电机（夹紧部件