李本海， 顏敏， 郝利， 王越， 高梅香

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044，2.山東省濟(jì)寧市兗州區(qū)職教中心，山東 濟(jì)寧 272000）

0 引言

在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到細(xì)金屬絲（如鋼絲、鐵絲、鋁絲、銀絲等）的精確定長切斷問題不好解決。例如：在電光源行業(yè)需耗用大量各種規(guī)格形狀絲類零件，通常需要采用多種設(shè)備完成；在金絲自動(dòng)配稱系統(tǒng)中，金錠在熔煉之前需要對原料進(jìn)行粗稱重和精確配稱兩個(gè)過程以精確控制重量（精度為0.01 g）。精確配稱過程就是將直徑為1 mm的金絲根據(jù)每一罐金錠和目標(biāo)值的差值，精確定長進(jìn)絲并剪切。由于長度要求很短,數(shù)量多,而且精度要求較高,如果用人工或者是一般剪床定長切斷，效率及合格率都較低。

為了實(shí)現(xiàn)細(xì)金屬絲的定長剪切功能，同時(shí)提高自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率，減輕生產(chǎn)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，本文對細(xì)金屬絲精確定長進(jìn)絲和剪切系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

由于細(xì)金屬絲容易彎曲變形，在定長剪切之前，需對金屬絲施加張力，使其矯直，以便消除彎曲帶來的誤差。同時(shí)，細(xì)金屬絲依靠一對喂料輪通過摩擦向前輸送，對伺服電機(jī)的位置控制精度和防止打滑的措施也提出了更高的要求。

該系統(tǒng)的核心內(nèi)容是張力控制、速度控制和位置控制，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)精確定長進(jìn)絲和剪切。

1 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

系統(tǒng)組成原理如圖1所示。選用2臺交流伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)張力輪和喂料輪，通過對兩輪的速度差控制，實(shí)現(xiàn)張力控制；通過對喂料輪進(jìn)行精確位置控制，實(shí)現(xiàn)精確定長進(jìn)絲；剪切機(jī)構(gòu)為氣缸驅(qū)動(dòng)上裁刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式。使用西門子觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，選用PLC為控制系統(tǒng)。

張力傳感器的作用是為張力控制提供閉環(huán)控制。根據(jù)需要選配精度為0.01 g的天平，為位置控制提供閉環(huán)控制。

1.2 系統(tǒng)組成

1）開卷機(jī)構(gòu)。金屬絲的來料狀態(tài)為卷狀，通常纏繞在絲筒上。為實(shí)現(xiàn)開卷，絲筒被支撐在絲軸上。在開卷過程中，由于絲筒的慣性，絲筒不會馬上停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這就會造成絲卷散落下來。為了防止由于絲筒慣性造成松卷，將一個(gè)小型磁粉制動(dòng)器安裝在絲軸后端，并調(diào)節(jié)好所需的制動(dòng)扭矩。

2）張力控制系統(tǒng)。張力控制系統(tǒng)由張力輪機(jī)構(gòu)、喂料輪機(jī)構(gòu)和張力傳感器組成（如圖1所示）。該系統(tǒng)對金屬絲施加張力，使其矯直。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

其中，張力輪機(jī)構(gòu)是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)輪1和氣缸驅(qū)動(dòng)的壓緊輪1組成；喂料輪機(jī)構(gòu)是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)輪2和氣缸驅(qū)動(dòng)的壓緊輪2組成。

張力輪的伺服電機(jī)采用速度控制模式。

喂料輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能：定長進(jìn)絲和張力控制。喂料輪的伺服電機(jī)采用位置控制模式。喂料輪機(jī)構(gòu)與張力輪機(jī)構(gòu)相同，只是電機(jī)的轉(zhuǎn)速略有差異。通過控制兩個(gè)電機(jī)的微小轉(zhuǎn)速差，使金屬絲具有一定的張緊力。根據(jù)金屬絲材料的不同，當(dāng)需要較小的張力時(shí)，張力輪轉(zhuǎn)速就快一些，當(dāng)需要較大的張力時(shí)，張力輪轉(zhuǎn)速就慢一些。

張力傳感器如圖2所示，金屬絲繞過傳感器的3個(gè)輪，通過對中間輪的壓力感知來控制張力輪的轉(zhuǎn)速。

圖2 張力傳感器

3）定長進(jìn)絲控制系統(tǒng)。金屬絲的定長進(jìn)絲是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的喂料輪機(jī)構(gòu)完成，伺服電機(jī)的控制方式是采用位置控制模式。因?yàn)槲恢每刂颇Ｊ娇梢酝瑫r(shí)對速度和位置進(jìn)行嚴(yán)格的控制，所以適用于定位裝置。

根據(jù)進(jìn)絲長度的精度要求，合理選取喂料輪的直徑、編碼器的分辨率和伺服電機(jī)的指令脈沖數(shù)，必要的時(shí)候再選取合適的伺服電機(jī)用精密減速機(jī)，就可以滿足剪切長度的精度要求。

4）剪切機(jī)構(gòu)。剪切機(jī)構(gòu)為氣缸驅(qū)動(dòng)上裁刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)形式。上裁刀通過浮動(dòng)機(jī)構(gòu)可以緊貼在下裁刀的表面上，從而實(shí)現(xiàn)上、下裁刀間零間隙自由滑動(dòng)，保證金屬絲切口質(zhì)量的完美。

上、下裁刀由工具鋼磨削加工。在裁刀入口前可以根據(jù)金屬絲的粗細(xì)自由設(shè)置導(dǎo)線管，引導(dǎo)金屬絲進(jìn)入裁刀。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由絲軸機(jī)構(gòu)、張力輪機(jī)構(gòu)、喂料輪機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)等幾部分機(jī)械裝置組成，下面重點(diǎn)介紹喂料輪機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)。

2.1 喂料輪機(jī)構(gòu)

如圖3所示，喂料輪機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)1、電機(jī)連接座2、彈性聯(lián)軸器3、軸承座 4、齒輪5、傳動(dòng)輪 6、壓緊輪7、齒輪8、軸端支撐9、氣缸10。其中齒輪5和齒輪8為一對齒輪副，傳動(dòng)比為1∶1；齒輪5與傳動(dòng)輪6由鍵連接在一起，齒輪8與壓緊輪7由鍵連接在一起。

圖3 喂料輪機(jī)構(gòu)圖

防止打滑是喂料輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)考慮內(nèi)容，本文通過兩個(gè)方面的措施來解決：

1）兩輪均為主動(dòng)輪。傳動(dòng)輪6和齒輪5在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)齒輪5將運(yùn)動(dòng)傳遞給齒輪8，帶動(dòng)壓緊輪7以同樣的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，從而形成一對喂料輪，將金屬絲向前輸送。

2）材料的選取。傳動(dòng)輪6由耐磨的金屬材料制成，與之配副的壓緊輪7選用聚氨酯材料，以提高摩擦力。

氣缸的作用是驅(qū)動(dòng)壓緊輪上下運(yùn)動(dòng)，以方便金屬絲的穿線。

2.2 剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4所示，剪切機(jī)構(gòu)由氣缸 1、螺釘 2、彈簧3、上裁刀連接板4、上裁刀5、金屬絲 6、下裁刀 7、下裁刀連接板8組成。下裁刀開有供金屬絲穿過的孔，上裁刀和下裁刀有一定的重疊量，在浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下使兩裁刀緊密貼合。

氣缸1用于驅(qū)動(dòng)上裁刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)。氣缸1是通過螺釘2、彈簧3連接在機(jī)架上，形成浮動(dòng)機(jī)構(gòu)。氣缸1在受到外力時(shí)可以相對機(jī)架運(yùn)動(dòng)，此種設(shè)計(jì)可以保證上裁刀5緊貼在下裁刀7的表面上，從而實(shí)現(xiàn)上、下裁刀間零間隙自由滑動(dòng)，保證金屬絲切口質(zhì)量的完美。同時(shí)也方便維修人員更換裁刀，不用每次更換裁刀時(shí)調(diào)節(jié)裁刀間隙。

上、下裁刀由工具鋼磨削加工。在下裁刀入口前可以根據(jù)金屬絲的粗細(xì)自由設(shè)置導(dǎo)線管，引導(dǎo)金屬絲進(jìn)入裁刀。

圖4 剪切機(jī)構(gòu)圖

3 結(jié)語

根據(jù)工程需要，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化程度較高的細(xì)金屬絲精確定長進(jìn)絲和剪切系統(tǒng)，只要人工完成首次穿線后，啟動(dòng)自動(dòng)程序，輸入相關(guān)參數(shù)，就可以自動(dòng)完成整卷金屬絲的定長剪切，提高了自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率，減輕了生產(chǎn)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

本文對張力輪、喂料輪和剪切機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，系統(tǒng)通過采用雙電機(jī)轉(zhuǎn)速差加載方式實(shí)現(xiàn)了張力控制和精確定長進(jìn)絲，從而滿足了精度要求。

測試結(jié)果證明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性,證明了本方案的可行性。

［1］ 趙德玉.細(xì)金屬絲切斷機(jī)［J］.機(jī)械工人：冷加工，1985（2）：10.

［2］ 梁楚華.一種鋼絲自動(dòng)校直切斷機(jī)切斷與長度控制機(jī)構(gòu)［J］.機(jī)械工藝師，2001（7）：26-27.

［3］ 王崇文.絲類切斷成形機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.中國照明電器，1996（1）：18-19.

［4］ 董曉東.慢走絲電火花線切割機(jī)床走絲系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006：6-12.