环锭纺绕纱与接头机械手结构设计

曾凡超，何 勇，张国辉，周阳华

（东华大学 机械工程学院，上海 201600）

0 引言

环锭纺纱机具有生产的品种多，适合生产的原料广，纱线质量好等优点，促就了环锭纺在纺纱行业中不可代替的地位[1，2]。进入21世纪，环锭纺纱机呈现出了高速运转、互联监控和数控驱动等特点[3]。然而环锭纺纱机的接线一直由人工来完成，劳动强度大、效率低、用工成本高，多少年来，环锭纺纱机自动接头一直是纺织界亟需解决的问题。早在意大利米兰展览会上，西德青泽、意大利卡梅、瑞士希斯潘和意大利康涅展出了用于环锭纺纱机接头的装置[4]，RIETER和PREMIER等公司提出了多种用于环锭纺纱机自动接头装置的专利[5，6]。国内唐火红等人也设计出了环锭纺纱机的自动接头机器人，并对其关键部件进行了动力学分析[7]。但是这些装置仍然不够成熟且无法完全代替人工接头。根据这种现状，设计了一套环锭纺绕纱与接头机械手，在紧凑的操作空间内规划了机械手末端执行器的运动轨迹，并对其运动规律和轨迹进行了优化，避免了机械手的冲击，从而提高了机械手绕纱与接线的成功率。

1 环锭纺接头工艺分析与轨迹确定

1.1 接头工艺分析

环锭纺纱机导纱钩及牵伸装置位置示意图如图1所示，导纱钩和前下罗拉轴的水平距离为70mm，竖直距离为120mm。导纱钩固定于机架上，其形式是开口式的且末端斜向下方。牵伸装置由三罗拉双胶圈组成，在工作过程中粗纱经过中、后罗拉之后纱条以较高的紧密度喂入前罗拉，纱条经过前罗拉的处理变成细纱，细纱经过导纱钩缠绕于纱管上[9]。当环锭纺在纺纱过程中出现断纱时，操作工人首先把纱线穿进钢丝圈，然后再将纱线绕进导纱钩中，最后牵引纱线至前罗拉处与粗纱接触从而完成纱线接头工作。根据环锭纺导纱钩和前罗拉的相对位置，以及对人工绕纱和接头方法的研究，设计的机械手需要安装在环锭纺纱机的正前方，机械手的工作过程主要包含两个步骤：

图1 环锭纺纱机导纱钩及前罗拉位置示意图

1）机械手末端执行器吸住纱头之后，将纱线绕进导纱钩中；

2）纱线绕进导纱钩之后，需要将纱线牵引至前罗拉处与粗纱接触从而完成接头。

1.2 机械手的轨迹确定

基于以上接头工艺的分析，可以得出如图2所示的机械手在工作过程中末端执行器的三个关键位置以及轨迹曲线，其中三个关键分别为：吸纱位置、绕纱位置和接头位置。末端执行器在吸纱位置吸住纱线之后，需要运动到绕纱位置将纱线绕进导纱钩中，最后牵引纱线至前罗拉处与粗纱接触完成接线。

从吸纱位置到绕纱位置，机械手末端执行器可以先移动到导纱钩的上方，然后再水平移动到绕纱位置，进行绕纱。通过人工绕纱方法的研究和导纱钩的形状特征，机械手末端执行器绕纱方案可以为：首先末端执行器在导纱钩上方旋转一定的角度，使牵引的纱线接触导纱钩上弧面，然后末端执行器向导纱钩的下前方移动一定的距离，以便将纱线绕进导纱钩中，最后末端执行器再向回旋转一定的角度，以使纱线完全的绕进导纱钩中，同时避免了机构之间的干涉。从绕纱位置到接头位置，机械手末端执行器可以先移动到前下罗拉轴的上方，再移动到接头位置将断纱头和粗纱接触完成接头。完成纱线接头之后，末端执行器迅速复位到吸纱位置，等待下一次的接头命令。

根据以上分析，可以明确机械手末端执行器的3个位置点以及3个位置点机械手的运动方向。根据人工接头工艺过程和操作空间的分析，可以初步确定如图2所示的机械手末端执行器的运动轨迹曲线。

图2 末端执行器的关键位置及路径曲线

2 环锭纺绕纱与接头机械手结构设计

2.1 升降和平移机构设计

根据以上环锭纺绕纱接头工艺过程和操作空间的分析，确定机械手的传动机构、自由度数和具体参数。考虑到机械手在工作过程中需要分别精确的定位在导纱钩上方和前罗拉处，由于滚珠丝杠具有精度高、可逆性强和效率高的特点，故采用两个滚珠丝杠直线模组作为机械手的传动机构，其中一个竖直固定于机架上作为升降机构，另外一个水平安装在升降机构的丝杠螺母座上作为平移机构，结构图如图3所示。

图3 环锭纺绕纱与接头机械手结构图

如图4所示为升降和平移机构的滚珠丝杠直线模组结构示意图，主要有伺服电动机1、联轴器2、固定座3、丝杠螺母4、丝杠螺母座5、滑块6、丝杠7、导轨8以及支撑座9组成。滚珠的循环方式有内循环和外循环两种方式，由于外循环式既适用于高速重载的驱动系统，也适用于精密传动系统[10]，故升降和平移机构的滚珠采用外循环方式。滚珠丝杠副的预紧方式采用双螺母螺纹式预紧。滚珠丝杠副的具体尺寸如表1所示。通过计算，滚珠丝杠的强度、刚度均满足设计要求，其丝杠也有足够的稳定性。

图4 滚珠丝杠直线模组结构图

表1 滚珠丝杠副的系列尺寸

2.2 末端执行器结构设计

根据机械手末端执行器绕纱方案，设计了末端执行器，其结构示意图如图5所示，主要有吸纱管1、旋转气缸2和托板3组成。托板上端固定在平移机构的丝杠螺母座上，旋转气缸固定在托板的下方，吸纱管安装在旋转气缸轴上。在机械手工作过程中，吸纱管的另一端接通负气压源，以便吸纱管吸住纱线进行绕纱和接头操作。旋转气缸的旋转角度为90°，这种设计在升降机构的配合下，可以将纱线巧妙的绕进导纱钩中，同时也避免了机构之间的干涉。当机械手将纱线送到前罗拉时，吸纱管另一端的负气压源断开，断纱头在前罗拉处与粗纱接触完成接头。

图5 末端执行器结构示意图

3 机械手的轨迹分析与优化

由于纱线是柔性的，在绕纱与接头过程中机械手不能有刚性和柔性冲击，否则会影响绕纱与接头的动作，降低了绕纱与接头的成功率。为了避免机械手的冲击和振动，需要对机械手的运动轨迹进行分析。

机械手末端执行器从吸住纱线头到最后完成接线，升降机构和水平机构发挥着重要作用，这两个机构的相互配合形成了末端执行器的路径轨迹。如图6所示，升降机构的运动过程主要可以分为四段，分别是：从吸纱位置向上移动到绕纱位置的运动段v1，从导纱钩上方向下移动到导纱钩下方的运动段v2，从绕纱位置向上移动至接头位置的运动段v3，以及从接头位置向下迅速移动到吸纱位置的运动段v4。为了避免升降机构的冲击和振动，需要对运动段v1、运动段v2、运动段v3和运动段v4进行改进，由于五次多项式运动规律既无刚性冲击也无柔性冲击，故采用五次多项式替换原来的升降机构的运动段加速段。

图6 升降机构的位移图

五次多项式的的表达式为：

式中s为升降机构的位移，C0、C1、C2、C3、C4、C5为待定系数，根据具体运动段的边界条件进行确定得到。

升降机构的速度表达式为式(1)的一阶微分方程式：

升降机构的加速度表达式为式(2)的二阶微分方程式：

根据各运动段的始点和终点处的条件可以分别求得待定系数。

同理，由上分析可得每段的位移参数方程为：

平移机构的运动过程主要分为两段：从吸纱位置想左移动到绕纱位置运动段h1，从绕纱位置向左移动至接头位置的运动段h2。同理，也采用五次多项式替换平移机构的运动段。

基于路径最短和无碰撞路径规划原则[11，12]，需要对原来的机械手末端执行器的运动轨迹进行重新规划，根据环锭纺导纱钩和前罗拉的位置，确定绕纱与接头机械手末端的运动轨迹。末端执行器在吸纱位置吸住纱线之后（夹纱机械手旋转至水平状态，避免机构之间的干涉），沿着斜直线的方向从吸纱位置运动到绕纱位置将纱线绕进导纱钩中，最后牵引纱线以圆弧线的方式运动至前罗拉处进行接线。其中末端执行器将纱线绕进导纱钩的方式为：首先末端执行器在旋转气缸的作用下绕轴旋转90°，将纱线引至导纱钩的上方并与其接触，然后升降机构向下移动一定的距离，旋转气缸再回转90°，这样末端执行器在旋转气缸和升降机构的相互作用下将纱线绕进导纱钩中。

4 绕纱与接头机械手的运动仿真分析

在ADAMS中进行绕纱与接头机械手的运动仿真，模拟机械手在环锭纺纱机上牵引纱线进行绕纱与接头的运动状态，分析升降机构和水平机构的位移、速度和角速度随时间变化的规律。

图7 末端执行器轨迹曲线

图8 升降机构的运动特性

根据绕纱与接头机械手的结构参数和运动范围，利用三维建模软件Creo构建机械手模型，并导入到ADAMS仿真软件中，在ADAMS中施加相应的约束、运动副，以及升降机构、平移机构和末端执行器的驱动函数，其中升降机构和平移机构的驱动函数用五次多项式进行拟合，设定仿真时间为2s进行仿真，以末端执行器端部上一点为研究对象，可以得出如图6所示的末端执行器的路径轨迹曲线，从路径轨迹曲线可以看出：末端执行器可以经过吸纱位置、绕纱位置以及接头位置，并且可以将纱线绕进绕纱钩中，并送纱至前罗拉处进行接头。通过ADAMS后处理模块可以得出如7所示的升降机构的位移、速度以及加速度随时间变化的曲线。

从升降机构的位移、速度以及加速度随时间变化的曲线图可以看出，升降机构的运动段v1、运动段v2、运动段v3和运动段v4替换成了五次多项式运动，运行速度平稳且速度、加速度无突变，可知升降机构运动规律既无刚性冲击也无柔性冲击，消除了绕纱接头机械手在运行过程中的冲击和振动。满足了绕纱和接头平稳性要求。

5 结语

根据环锭纺纱工艺流程以及人工接头的过程和方法的研究，设计了一套环锭纺绕纱与接头机械手，当环锭纺断纱后，可以将纱线自动绕进导纱钩并送纱至前罗拉处进行接头，提高了环锭纺的自动化程度和生产效率，降低了人工劳动强度。运用五次多项式运动规律对升降机构和平移机构的运动轨迹进行了拟合插换，在保证了机械手能够顺利完成绕纱与接头的前提下，避免了机械手运动过程中的冲击和振动。