基于缓冲对刀策略的自动化铲板组件设计

丁彩红， 李署程， 季兴跃

(东华大学 机械工程学院， 上海 201620)

化纤纺丝生产中由于纺丝溶液从喷丝板喷丝孔挤出时的膨化胀大效应[1]，喷丝板在使用一段时间后，喷丝孔周围以及喷丝板面上会积累一些结焦物，也可能会积累微小颗粒或者出现熔融细流黏结在喷丝板面的现象[2]，影响纺丝细流的质量。通过定期铲板，可使喷丝板面及喷丝孔周围保持清洁，确保纺丝质量和纺丝过程顺畅[3-4]。

目前，喷丝板的清洁主要采用人工操作，对熟练工人的依赖性高，铲板不当易损伤板面，且高温作业对工人健康损害大。国外的德国欧瑞康纺织集团、日本东丽株式会社，国内的恒科新材料有限公司、锐冠科技有限公司等企业陆续提出铲板自动化技术，在铲板结构形式上都采用机械缓冲以减小对刀时铲刀对喷丝板面的冲击，在铲板方式、铲刀布局上各有不同，但都采用旋转刮铲方式。日本东丽株式会社的技术涉及纺丝不停丝状况下的设计，国内企业目前只涉及纺丝停丝状况下的设计。总体来看国内外铲板自动化的研究与设备开发仍处于起步阶段。为此，本文围绕铲板自动化技术开展研究，提出一种串并联组合弹簧缓冲对刀结构方案和自动铲板方法，完成铲板组件的设计、动态仿真和实验论证。

1 铲刀组件设计

1.1 铲板方式

以大多数用于聚酯纤维的多孔圆形喷丝板(尺寸为104 mm×94 mm)为研究对象，如图1所示。由于喷丝孔之间的间距较窄，孔数较多，为提高铲板效率，在铲刀组件上设计周向均匀布置的3个铲刀[5]。

图1 多孔喷丝板的铲板方式Fig.1 Scraping method of porous spinneret

通常，喷丝板的材质采用不锈钢(630)，为保证喷丝板不被划伤，铲刀材质选用硬度远低于不锈钢(630)的黄铜(H62)[6]。

1.2 铲刀组件的结构

纺丝车间人工铲板工艺及相关铲刀参数如表1所示。由此设计铲刀的厚度为3 mm，刀刃角为30°，铲刀长度为42 mm，宽度为18 mm，铲刀与喷丝板面间的倾角为45°。

表1 人工铲板工艺参数Tab.1 Technical parameters of manual scraping

铲板过程中，必须保证铲刀刀刃始终贴紧喷丝板面才能有效清洁，且为防止铲板组件对刀时铲刀刀刃发生严重损伤，应设计合理的对刀缓冲机构。弹簧排列方式不同可实现不同的缓冲防护效果[7]，为此，提出了一种铲板组件结构如图2所示。

图2 铲刀组件结构图Fig.2 Structure of scraper component

铲板组件包含3个刀组，每个刀组均通过一组3个并联的弹簧K1与底座法兰弹性连接，使刀组在竖直方向相对于底座法兰可弹性移动。每个刀组的铲刀座固联在刀组底座上，铲刀安装在铲刀固定板上，而铲刀固定板通过一个销轴相对于铲刀座可回转，其结构关系示意如图3所示。铲刀座内置有顶杆和弹簧K2，顶杆的上端与铲刀相抵触，当铲刀上行抵触喷丝板面时，铲刀顺时针转动，顶杆被下压，底部的弹簧K2被压缩。由此可见，铲刀组件通过弹簧的并联和串联实现了对刀时的机械缓冲，并为铲刀提供铲板力。弹簧K2主要起缓冲作用，铲板力取决于弹簧K1的压缩。铲刀组件的底座法兰可固连在机器人末端，由机器人举升该铲刀组件完成铲板。

图3 铲刀与刀座的结构关系Fig.3 Structural relationship between scraper and holder

2 铲刀组件动态特性分析

2.1 铲刀组件动力学分析与参数设计

2.1.1 对刀参数设计

铲刀组件在对刀时，具有一定速度的铲刀抵触喷丝板面的过程具有物体碰撞的现象。通过实验及铲刀与喷丝板面的碰撞模拟分析可知，铲刀最大碰撞变形量为0.1 mm时的碰撞速度为87.07 mm/s，取安全系数为1.5，确定铲刀组件的最大对刀速度vm为58 mm/s。图4示出对刀运动规划。设定铲刀组件开始接触喷丝板面的时刻为t0，对刀完成的时刻为t2，将t0～t1阶段定义为对刀阶段1，铲刀刀刃由抵触至完全贴紧喷丝板面为止；t1～t2阶段定义为对刀阶段2，铲刀组件继续上行直至铲刀接触力(可近似为铲板力)达到设定值。为实现阶段1的缓冲对刀和阶段2的快速对刀，规划对刀过程中铲刀接触力的变化趋势如图4(b)所示。为方便进行后续分析，设计铲刀接触力的特征参数为：t2取0.15 s时，令f2(0.05)=4 N，f2(0.15)=50 N，x2(0.05)=0.8 mm，x2(0.15)=2.5 mm。

图4 对刀运动规划Fig.4 Tool movement planning. (a)Tool setting stage;(b)Contact force of scraper

2.1.2 铲刀组件的力学模型

针对图2所示的铲刀组件结构，建立其力学模型如图5所示。图5(a)、(b)所示过程对应对刀阶段1，此时弹簧K1和K2同时压缩，而对刀阶段2仅弹簧K1被压缩。

图5 铲刀组件的对刀过程Fig.5 Tool setting process of scraper component.(a)Scraper starting to touch spinneret;(b) Scraper tightly pressed upon spinneret

对刀阶段1，铲刀组件3个自由度x1、x2和θ有如下平衡关系：

(1)

(2)

(3)

式中：m1为底座法兰的质量，kg；m2为刀组底座、铲刀座及连接件的总质量，kg；m3为铲刀固定板、铲刀及连接件的总质量，kg；g为重力加速度，其值为 9.8 m/s2；f1、f2为驱动力和铲刀接触力，N；x1、x2为底座法兰和刀组底座在对刀时上升的位移，均为时间t的函数，mm；J3为底座法兰的转动惯量，kg·mm2；k1、k2分别为弹簧K1和K2的刚度系数，N/mm；l1、l2分别为如图5所示的距离，l3为铲刀质心至铲刀转动中心的距离，mm；θ为铲刀转角弧度，rad，由于转动角度微小，可近似认为：

θ(t)≈x2(t)/R

(4)

式中，R为刀刃抵触点绕销轴的转动半径，mm。

对刀阶段2，铲刀刀刃已全部接触喷丝板面，铲刀组件继续上行，此时只有弹簧K1继续被压缩，系统只有1个自由度，m2与m3均保持相对静止状态，铲刀组件的力学模型如式(1)所示。

对刀阶段2结束后，铲刀接触力达到设定所需值，此时铲刀组件处于力平衡，则有：

(5)

由铲刀组件的具体结构设计可获得参数m1、m2、m3、l1、l2、l3、J3、R的具体值。根据前述设计的铲刀接触力的特征参数进行计算，由式(5)可求得弹簧系统的k1=9.555 N/mm；联立式(2)～(4)可求得k2=6.132 N/mm。最后取弹簧刚度系数k1=10 N/mm，k2=6 N/mm，由此完成铲刀组件的结构设计和参数计算，后续将对铲刀组件进行Adams仿真验证。

2.2 Adams动力学仿真

2.2.1 仿真设置

应用Adams对铲刀组件的对刀运动和动态特性进行模拟仿真。对刀时产生的碰撞力由二部分组成，即铲刀与喷丝板相互挤压产生的弹性力和相对速度产生的阻尼力。在Adams中采用impact函数来建立接触碰撞力模型[8]，获得碰撞力F的计算公式为

式中：k为接触表面的刚度，N/mm；e为碰撞力指数，金属材料取1.5；q1为两碰撞构件的初始距离，mm；q为两构件碰撞过程的实际距离， mm；C为最大阻尼系数，N/(mm/s)；d为最大阻尼时的侵入深度，mm；step()为三次多项式逼近海维赛阶跃函数，是Adams软件中提供的一种表示黏性阻尼模型的函数，其返回值为阻尼系数。

应用图2所示的结构建立铲刀组件接触喷丝板的Adams虚拟样机模型，在底座法兰和刀组底座、顶杆与铲刀座之间分别建立滑动约束，在铲刀固定板与铲刀座之间以销轴为中心添加旋转副，底座法兰与大地添加圆柱副；在喷丝板与铲刀之间添加接触，设定侵入深度为0.1 mm；在铲刀固定板与顶杆之间添加接触，因弹簧K2的刚度远小于铲刀固定板与顶杆的刚度，侵入深度完全被弹簧K2的压缩所抵消，因此，设定侵入深度为0；设定静摩擦系数为0.18，动摩擦系数为0.12，并分别添加弹簧K1、K2，普通钢制弹簧的阻尼非常小，可忽略不计[9]。

2.2.2 仿真结果

实际对刀时，铲刀距离喷丝板较远，为提高Adams仿真效率，将铲刀与喷丝板接触碰撞的初始距离q1设定为4.35 mm，设置总仿真时间为0.4 s，设定仿真0.15 s后铲刀组件以最大对刀速度 58 mm/s 抵触喷丝板面，继续经过0.15 s后完成对刀。

对刀运动Adams仿真的速度变化如图6所示。可知：仿真初始在弹簧作用下存在一定波动，但随铲刀组件的加速快速达到平稳；0.15 s时铲刀运动速度产生突变，表示对刀运动进入对刀阶段1；0.22 s时铲刀刀刃全部接触喷丝板面，速度再次突变，表示对刀运动进入对刀阶段2；底座法兰继续上升至 0.3 s 时完成对刀，速度降为零。

图6 铲刀组件速度变化趋势Fig.6 Velocity change trend of scraper component

弹簧K1、K2和铲刀的接触力变化如图7所示。可知：进入对刀阶段1，铲刀接触力缓慢增大，K1、K2均受压；进入对刀阶段2，铲刀刀刃贴紧喷丝板面，K2基本保持不变，K1继续受压，铲刀接触力快速增大。

由图7可见，Adams仿真所显示的铲刀接触力的变化趋势符合对刀运动铲刀接触力的设计规划，验证了弹簧串并联缓冲结构参数设计的正确性以及对刀运动规划的合理性。Adams仿真通过改变对刀速度和对刀时间以改变弹簧K1的压缩量，获得不同的铲刀接触力以适应不同的铲板工况。

3 铲板实验

3.1 实验平台设计与搭建

本文搭建的自动化铲板实验平台如图8所示，包括铲板机械系统、运动控制系统和数据采集系统。

图8 喷丝板自动化铲板实验装置Fig.8 Test device of automatic scraping for spinneret

采用步进电动机通过同步带传动带动2组铲刀组件旋转构成一个自动化铲板末端执行器，能同时刮铲2块喷丝板面；由伺服电动机+滚珠丝杠转动，从而驱动铲板末端执行器的上下往复运动，完成铲刀对刀。采用西门子S7-200型可编程逻辑控制器控制末端执行器和铲刀的运动，通过具有力传感功能的铲刀固定板反馈对刀时的接触力，根据一定的阈值设置控制各运动的起停。

为使实验接近实际纺丝工况，在实验平台上部的喷丝板处设置喷丝板加热装置，使用高温陶瓷发热片为喷丝板面加热，使用与聚酯纤维黏结特性较一致的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)树脂型热熔胶模拟纤维结焦物，通过对喷丝板的持续加热和温度调节模拟实际铲板时喷丝板的工况。

3.2 实验及结果分析

首先在实验平台上开展接触力测量实验，设定接触力达到42 N时铲板组件停止上行，得到对刀过程的接触力变化曲线如图9所示。

图9 对刀时的铲刀接触力Fig.9 Contact force of scraper during tool setting

由图9可见：在对刀阶段1，铲刀刀刃抵触喷丝板面时(t=0.15 s)接触力存在突变，然后缓慢增加，由于铲刀固定板与顶杆之间的滑移摩擦，使铲刀接触力出现波动；在对刀阶段2，接触力快速增加，待接触力达到设定值后，铲刀组件停止上行运动，接触力也保持稳定，接着铲刀将做旋转刮铲运动。可以看出，实验得到铲刀接触力变化趋势与仿真结果基本一致，进一步验证了铲刀组件设计的可行性。

继续开展结焦物刮铲实验，分别以20、30、40 N的接触力进行刮铲，铲板时间为5 s，铲板速度为 2 r/s，模拟的结焦物和铲板后的状态如图10所示。可以看出，铲刀接触力越大，铲板效果越明显。针对模拟结焦物工况实验发现，当铲刀接触力达到40 N即可有效良好地清洁板面，继续增大接触力，板面更清洁，但清洁程度变化不大，而铲刀由于其黄铜材质特性，在作用力达到一定值后出现快速磨损[10]，一定程度上缩短了铲刀寿命，增加了磨刀频率。

图10 不同接触力的铲板效果Fig.10 Scraping effect with different contact forces.(a) Before scraping; (b) 20 N; (c) 30 N;(d) 40 N

4 结 论

通过对人工铲板工艺进行分析，提出了一种串并联弹簧缓冲对刀结构的自动化铲板设计方案。围绕该设计方案，开展了相关理论和实验研究，得到如下结论。

1)完成了对刀运动在缓冲对刀和快速对刀 2个阶段的速度规划曲线和接触力规划曲线。

2)建立铲刀组件结构的力学模型，取最大对刀速度(58 mm/s)和接触力(50 N)进行计算，得到弹簧缓冲对刀结构的弹簧K1和K2的刚度系数分别为 10、6 N/mm。

3)应用Adams仿真验证了铲刀组件的结构设计符合对刀运动的速度规划和接触力规划要求。

4)设计并搭建了自动化铲板实验平台，通过实验发现，实际对刀时的受力趋势与仿真结果一致，且可有效清洁喷丝板面，验证了铲刀组件设计的正确性和有效性；随着铲刀接触力的增大，喷丝板面的清洁效果越明显，而铲刀的磨损也随之加剧，为此在满足铲板清洁要求的情况下不建议采用更大的接触力。