喷丝板自动化铲板的刮铲工艺参数设计与优化_丁彩红.pdf

第4 9卷 第1期2 0 2 3年2月东华大学学报(自然科学版)J OUR NA L O F D ON GHUA UN I V E R S I T Y(NA TUR A L S C I E N C E)V o l.4 9,N o.1F e b.2 0 2 3 文章编号:1 6 7 1-0 4 4 4(2 0 2 3)0 1-0 0 7 0-0 6D O I:1 0.1 9 8 8 6/j.c n k i.d h d z.2 0 2 1.0 5 2 9收稿日期:2 0 2 1-0 9-2 6基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 1 7 Y F B 1 3 0 4 0 0 3)通信作者:丁彩红,女,副教授,研究方向为纺织机械机电一体化、机械设计和故障诊断技术,E-m a i l:d i n g c h d h u.e d u.c n引用格式:丁彩红,左今朝,李署程.喷丝板自动化铲板的刮铲工艺参数设计与优化J.东华大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 9(1):7 0-7 5.D I NG C H,Z UO J Z,L I S C.S h o v e l p r o c e s s p a r a m e t e r s d e s i g n a n d o p t i m i z a t i o n o f s p i n n e r e t s a u t o m a t e d b o a r d s h o v e l i n g J.J o u r n a l o f D o n g h u a U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e),2 0 2 3,4 9(1):7 0-7 5.喷丝板自动化铲板的刮铲工艺参数设计与优化丁彩红,左今朝,李署程(东华大学 机械工程学院,上海 2 0 1 6 2 0)摘要:针对喷丝板自动化铲板缺乏合理工艺指导的问题,研究铲板的工艺参数对刮铲效果和铲刀磨损程度的影响,并对主要工艺参数刮铲力和刮铲圈数进行优化设计。用喷丝板表面污染指数表征刮铲效果,建立铲刀磨损宽度与铲板工艺参数的数学关系式,定性分析铲刀磨损对刮铲效果的影响;通过多组自动化铲板试验拟合得到污染指数与刮铲力及刮铲圈数的数学关系式,将污染指数取值0.0 4%确定为刮铲效果的评价指标;在保证良好刮铲效果和较大修磨周期的前提下,以总刮铲次数为目标进行参数优化,利用MAT L A B软件求得铲刀单次刮铲作业的局部最优参数(刮铲力为4 3.7 N、刮铲圈数为5),此时最大刮铲次数为4 4 0次。研究可为自动化铲板系统的工艺参数设定提供参考。关键词:喷丝板;自动化铲板;铲刀磨损;表面污染指数;刮铲力;刮铲圈数中图分类号:T Q 3 4 0.5 文献标志码:AS h o v e l p r o c e s s p a r a m e t e r s d e s i g n a n d o p t i m i z a t i o n o f s p i n n e r e t s a u t o m a t e d b o a r d s h o v e l i n gD I NG C a i h o n g,Z U O J i n z h a o,L I S h u c h e n g(C o l l ege o f M e c h a n i c a l E ngi n e e r i ng,D o ngh u a U n i v e r s i ty,S h a ngh a i 2 0 1 6 2 0,C h i n a)A b s t r a c t:I n v i e w o f t h e l a c k o f r e a s o n a b l e pr o c e s s gu i d a n c e f o r spi n n e r e t s a u t o m a t e d b o a r d s h o v e l i ng,t h e e f f e c t o f s h o v e l pr o c e s s pa r a m e t e r s o n s h o v e l e f f e c t a n d b l a d e w e a r w a s c a r r i e d o u t,a n d t h e m a i n pr o c e s s pa r a m e t e r s o f s h o v e l f o r c e a n d s h o v e l t u r n w e r e opt i m i z e d.T h e s u r f a c e c o n t a m i n a t i o n i n d e x o f t h e spi n n e r e t w a s u s e d t o c h a r a c t e r i z e t h e s h o v e l e f f e c t.T h e m a t h e m a t i c a l r e l a t i o n s h ip b e t w e e n t h e b l a d e w e a r w i d t h a n d t h e m a i n pr o c e s s pa r a m e t e r s w a s e s t a b l i s h e d t o qu a l i t a t i v e ly a n a lyz e t h e i n f l u e n c e o f b l a d e w e a r o n t h e s h o v e l e f f e c t.T h e m a t h e m a t i c a l r e l a t i o n s h ip b e t w e e n t h e c o n t a m i n a t i o n i n d e x a n d t h e s h o v e l f o r c e o r t h e n u m b e r o f s c r api ng t u r n s w a s o b t a i n e d by f i t t i ng m u l t ipl e a u t o m a t e d s h o v e l i ng t e s t s.T h e v a l u e o f 0.0 4%o f t h e c o n t a m i n a t i o n i n d e x w a s d e t e r m i n e d a s t h e e v a l u a t i o n i n d e x o f t h e s h o v e l e f f e c t.O n t h e pr e m i s e o f go o d s h o v e l e f f e c t a n d l o nge r gr i n d i ng cyc l e,t h e m a i n pr o c e s s pa r a m e t e r s w e r e opt i m i z e d w i t h t h e t o t a l n u m b e r o f s h o v e l t i m e s a s t h e t a rge t.T h e MA T L A B s o f t w a r e w a s u s e d t o f i n d o u t t h e l o c a l opt i m a l pa r a m e t e r s f o r t h e s i ngl e s c r api ng ope r a t i o n o f t h e s h o v e l,i.e.4 3.7 N s h o v e l f o r c e a n d 5 s h o v e l t u r n s,a n d t h e m a x i m u m n u m b e r o f s h o v e l t i m e s w a s 4 4 0.T h e s t u dy c a n pr o v i d e a r e f e r e n c e f o r t h e pr o c e s s pa r a m e t e r s e t t i ng o f t h e a u t o m a t e d s h o v e l sys t e m.第1期丁彩红,等:喷丝板自动化铲板的刮铲工艺参数设计与优化K e y w o r d s:spi n n e r e t;a u t o m a t e d b o a r d s h o v e l i ng;b l a d e w e a r;s u r f a c e c o n t a m i n a t i o n i n d e x;s h o v e l f o r c e;s h o v e l t u r n 在化纤长丝生产中,聚酯材料的膨化效应使得喷丝板表面会产生结焦物,从而影响正常纺丝1。为确保纺丝质量的稳定,必须对纺丝组件进行定期清洁,尤其是喷丝板面须在2 d内至少铲板1次2。目前全球纺丝行业主要采用人工铲板的方式进行清洁作业。然而,人工铲板无法避免铲板死角,铲板力度和动作也不易控制,再者恶劣的铲板环境造成人员流动较大,这些问题都不利于保持铲板质量的稳定3,因此研究自动化铲板技术和开发系统势在必行。目前德国欧瑞康纺织集团研发的首台铲板机器人已于2 0 2 0年年初在印度的一个纺丝生产线上投入使用,抽取3个月的运行数据显示,无论何种产品,其纺丝断头率都降低约3 0%,将铲板作业间隔延长到6 0 h,显著提高了纺丝稳定性和纺丝质量4。国内江苏吴江朗科化纤有限公司开发的天轨式自动化铲板系统在浙江某公司的一条纺丝生产线上进行试运行,2个月的试验结果表明,智能铲板机器人能有效提高保板率,减少纺丝断头并缩短铲板时间,并提高纺丝质量,但铲刀刀片易于磨损3。此外:日本东丽株式会社提出了不停丝工况下的自动化铲板结构5;杭 州 锐 冠 科 技 有 限 公 司 研 发 了AGV(a u t o m a t e d g u i d e d v e h i c l e)车载铲板机器人,并进行多刀铲板组件的结构设计,同时采用3 D视觉拍照定位系统,该举措可使铲板组件位置移动更加精确,有望实现精准对刀6;东华大学提出一种采用机械缓冲和传感检测控制技术实现快速对刀的机电控制方法7,并公布了一种采用偏置结构的自动化铲板装置8,可实现不停丝工况下的自动化铲板。国内外的自动化铲板系统均还处于研发阶段,技术高度保密,少见于文献。但分析可知自动化铲板技术主要体现在铲板结构设计、铲板运动规划和自动化铲板工艺等方面,其中铲板工艺直接影响铲板质量。本文在前期自动化铲板结构设计和对刀运动规划研究的基础上,利用理论建模和试验研究分析自动化铲板工艺并对刮铲力和铲板圈数等工艺参数进行优化,以期为喷丝板自动化铲板刮铲工艺参数设置提供参考。1 自动化铲板的刮铲运动描述 铲板末端执行器的刮铲运动示意图如图1所示。自动化铲板机器人末端执行器快速运动使铲板组件上的铲刀刀刃被紧压在喷丝板面上并产生一定的刮铲力Fy,通过铲板组件的旋转使铲刀刀刃刮铲喷丝板的板面进行铲板作业9。分析人工铲板作业的具体实施过程及铲板效果可知,影响铲板作业质量的因素主要包括刮铲力、刮铲圈数、刮铲角度和铲刀的磨损程度,而铲刀的磨损程度和刮铲力、刮铲圈数、刮铲角度直接相关。为提高铲板质量和刮铲效率并在一定程度上延长铲刀的使用寿命,本文围绕铲板的影响因素进行铲板工艺分析和设计。图1 铲板末端执行器的刮铲运动示意图F i g.1 S h o v e l i n g m o v e m e n t d i a g r a m