李再學(xué)

(貴州大眾橡膠配件有限公司，貴州 貴陽 550008)

膠帶成型機的原理及控制

Principle and control of belt forming machine

李再學(xué)

(貴州大眾橡膠配件有限公司，貴州 貴陽 550008)

膠帶成型機主要用于工業(yè)、國防和汽車所用的V帶、同步帶、多楔帶的成型。成型機做出圓筒形產(chǎn)品，再送入硫化罐硫化定型。成型機是膠帶生產(chǎn)設(shè)備中非常關(guān)鍵的設(shè)備，闡述了成型機的原理、控制以及應(yīng)用，并對生產(chǎn)過程中存在的問題提出了合理建議，對產(chǎn)品質(zhì)量的提高有一定幫助。

控制；成型；張力；功能；伺服電機

成型機是膠帶產(chǎn)品生產(chǎn)中最關(guān)鍵的設(shè)備，其任務(wù)是將布、膠片、線繩按要求纏繞在圓筒工裝上送去硫化。圓筒形的工裝一般長度為600 mm、1 000 mm兩種，工裝直徑由產(chǎn)品決定，有幾十種甚至上百種規(guī)格。一般V帶產(chǎn)品第一層是布，第二層是緩沖膠，第三層是底膠，第四層是緩沖膠，第五層繞線。V帶和多楔帶是單線繞，同步帶是雙線纏繞；線與線之間采用密繞。第六層是緩沖膠，第七層是底膠，第八層是布。由于每家企業(yè)的生產(chǎn)工藝不一樣，產(chǎn)品也就有所區(qū)別。成型機的首要任務(wù)是將半成品變成圓筒形，其次則是在纏繞過程中消除線繩的應(yīng)力（拉伸力），也就是在繞制過程中線繩上施加張力。

1 成型機的原理及控制

成型機是一個龐然大物，一臺工裝為1 m的成型機約占40 m2左右。成型機主要由三大部分組成：主機、張力機、旋架。

1.1 主機

主機由電機、工裝、尾座、液壓站組成，如圖1。其工作原理是：首先用行車將工裝調(diào)到主機中央，并將工裝與主軸相連，一般采用插入式，并不需要螺釘連接。然后液壓站啟動，尾座頂緊裝置由右向左運動，將工裝牢牢頂??；尾座頂緊裝置與工裝一般采用30°錐形連接。電機帶動主軸旋轉(zhuǎn)，工裝上包好膠片，就可以繞線了。主軸的轉(zhuǎn)速一般要控制在線速度200 m/min以下。工藝要求：繞線一定要均勻，伺服電機帶動滾珠絲桿運動，繞線架拉著線繩，隨滾珠絲桿作直線移動。線繩從左到右密繞在工裝上。主電機的轉(zhuǎn)速要與伺服電機的轉(zhuǎn)速配合好。主軸電機一般都采用直流電機，由于兩電機都是勻速運動，所以只需確定兩電機的轉(zhuǎn)速比。

1—電機；2—主軸；3—工裝；4—尾座頂緊裝置；5—尾座；6—底座；7—箱體；8—液壓站；9—滾珠絲桿；10—伺服電機；11—繞線架圖1 成型機主機原理圖

成型機的關(guān)鍵技術(shù)是繞線一定要均勻。不管是V帶、多楔帶，還是同步帶，皮帶的強度主要取決于線繩。如果繞線不均勻，皮帶中的線繩數(shù)量就不一樣多，肯定會影響產(chǎn)品質(zhì)量。繞線不均勻與下列因素有關(guān)：

（1）主軸徑向跳動

如圖2所示，假設(shè)主軸長度為200 mm，工裝長度為1 000 mm。當(dāng)主軸與工裝鏈接的端面跳動為1 mm，那么工裝的另一端跳動就是5 mm。如果主軸跳動為2 mm，那么工裝跳動就是10 mm。徑向跳動幅度這么大，繞線肯定不均。當(dāng)然，要使這么長的工裝完全不跳動也不可能，但需要盡量控制跳動幅度。特別是用了一段時間之后的設(shè)備，零部件的磨損增大，跳動幅度也會增大，要抓緊維護。購買設(shè)備要選擇高質(zhì)量的成型機。

圖2 主軸徑向跳動示意圖

（2）左右竄動

尾座與工裝的連接類型是錐面連接，但錐面磨損后，會出現(xiàn)頂不緊或者頂偏的狀況，徑向跳動大，錐面的磨損也會增大。當(dāng)錐面受傷后，會出現(xiàn)左右串動，繞線就更不可能均勻。錐面受傷有可能是尾座受傷，也有可能是工裝錐面。

（3）包膠

包膠需要技術(shù)，特別是V帶產(chǎn)品，要包幾層膠片。1 000 mm的工裝，膠片的寬度最小也是1 000 mm。膠片本身厚度也有誤差，包到最后一層，有可能會出現(xiàn)圖3這種波浪形，膠片不在一條水平線上。這對繞線均勻度多少有一點影響，所以包膠時盡量用旋架上的壓輥把膠壓平。

另外，包多層膠片容易使層與層之間產(chǎn)生一定空氣，也就是通常所說的氣泡。只要膠片里有空氣，即使采用高壓硫化也很難將氣泡擠壓完。有了氣泡，膠片與膠片之間或者膠片與線繩之間就貼合不好，皮帶就容易脫層。建議操作工在每包完一層時，用錐子錐幾個小孔。這對產(chǎn)品質(zhì)量大有好處，也不會影響生產(chǎn)效率。

圖3 包膠不均勻示意圖

1.2 張力系統(tǒng)

張力系統(tǒng)既簡單又復(fù)雜，設(shè)計也很巧妙。其工作原理如圖4。主電機與帶動包有產(chǎn)品的工裝轉(zhuǎn)動，直流伺服電機帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，繞線架隨滾珠絲桿從左到右移動，砝碼對線繩施加張力。件1是直流伺服電機，該電機的作用是將線繩拉住，如果不把線繩拉住，砝碼就一直在地上，拉不起來，線繩上沒有張力。但也不能拉得太緊。拉緊了，線繩也會被拉斷。由于線繩的張力大小由砝碼決定，與其他無關(guān)，所以控制伺服電機非常關(guān)鍵。

1—伺服電機；2—線輥；3～7—線輪；8—導(dǎo)向桿；9—砝碼；10—拉桿電位器；11—張力傳感器；12—工裝；13—繞線架；14—主軸；15—滾珠絲桿；16—伺服電機；17—尾座頂升裝置；18—主軸電機圖4 張力系統(tǒng)原理圖

（1）拉桿電位器

拉桿電位器是比較精確的電位器，見圖5。一般選用線繞電位器，主要用于測量，在本系統(tǒng)中用于反饋。

（2）直流伺服電機

圖5 電位器原理圖

伺服電機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，把收到的電信號轉(zhuǎn)換成為電動機軸上的角位移或者角速度輸出。但信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。伺服電機內(nèi)部的裝置是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成的電磁場。轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼板反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋信號與目標(biāo)值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度，伺服電機的精度取決于編碼器的精度。

伺服電機的工作原理與普通的直流電機相同，當(dāng)磁極有磁通，繞組中有電流通過時，電樞電流與磁通作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，伺服電機就動作，如圖6。

1.3 機械自動調(diào)節(jié)

圖6 直流伺服電機的原理圖

張力系統(tǒng)設(shè)計非常巧妙、簡單。見圖4，主軸電機轉(zhuǎn)動，伺服電機也轉(zhuǎn)動，很巧妙的把砝碼拉起來了。只要砝碼離開地面不落地，線繩上的張力大小就主要由砝碼決定。主軸電機的轉(zhuǎn)速要求不變，即在工裝上開始繞第一圈線到繞最后一圈線都必須用相同的速度。伺服電機的速度隨時都在變，因為線輥上纏的線不可能每圈或者每層都均勻，所以線輥上的線速度是不一樣，而且是隨機變化的。即使線輥上纏的線每層都均勻，第二層也肯定比第一層的線徑小，第三層肯定比第二層的線徑小。以此類推，線速度同樣在變。所以要求伺服電機隨著線輥上每圈線徑的變化而轉(zhuǎn)速要求自動調(diào)節(jié)。換句話說，伺服電機處于送線的狀態(tài)。將線輥上的線送往主電機轉(zhuǎn)動的工裝上，如果伺服電機轉(zhuǎn)速太快，送線多了，砝碼就要落地。如果伺服電機的轉(zhuǎn)速太低，送線少了，線繩就有可能被拉斷。所以伺服電機送線的轉(zhuǎn)速要恰到好處才行。

線輪（3、5、6、7）位置是固定的，但線輪4是活動的，可以上下移動。砝碼和線輪4是通過掛鉤連在一起的，自然也跟著上下移動。由于線輥上的線速度在隨機改變，要求伺服電機1也跟著變。而伺服電機如果由正轉(zhuǎn)變成反轉(zhuǎn)，換向需要時間。即使不換向，如果線輥上的線繩直徑從100 mm突然變成400 mm，此時砝碼會突然從中點掉到接近地面，變化時間非常短暫；而且電機假設(shè)也需要從200 r/mm突然變化到800 r/mm，電機瞬間也是無法達到的。這是一個很大的加速度，所以電機也需要時間。當(dāng)伺服電機來不及跟蹤變化的時候，線輪4帶著砝碼工作在中間點，離地面還有一段距離，而這段距離給了伺服電機換向或加速的時間，避免了砝碼落地或向上把線繩拉斷。線輪4和拉桿起到了機械自動調(diào)節(jié)的作用。這就是該系統(tǒng)設(shè)計非常巧妙的地方。如果不采用這種調(diào)節(jié)方式，要想解決這種伺服電機完成瞬間跟蹤，既不讓砝碼落地，又不能把線繩拉斷，線輥上的線速度又是隨機的，無規(guī)律可循，控制系統(tǒng)就變得非常復(fù)雜了。而張力系統(tǒng)引進了機械式的自動調(diào)節(jié)并配合伺服電機解決了這個難題。

1.4 張力控制

在張力控制系統(tǒng)中，拉桿電位器作為反饋文件，反饋信號與給定信號進行比較，然后經(jīng)過PLC或者不經(jīng)過PLC（伺服驅(qū)動功能很強大），送到伺服驅(qū)動去控制伺服電機的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)給定信號設(shè)定為0 V，為什么給定信號是0 V呢？因為伺服電機工作在±5 V，所以電位器也選擇工作在±5 V電壓。而電位器的零點是中心點，也是導(dǎo)向桿，把砝碼拉起來的中心點。當(dāng)張力系統(tǒng)開機，砝碼就被拉到中心點，這樣就可以協(xié)助伺服電機1進行上下調(diào)節(jié)。

張力系統(tǒng)的工作原理是（見圖4）：主軸電機轉(zhuǎn)動開始繞線，伺服電機也轉(zhuǎn)動，而此時電位器檢測到的信號，假設(shè)是0.5 V，該電壓被反饋到伺服驅(qū)動器輸入端與0 V進行比較，比較后的電壓依然是0.5 V。該電壓使伺服電機工作在200 r/min（假設(shè)±5 V為±2 000 r/m）。這是一個很低的轉(zhuǎn)速，因為主軸電機的線速度較大，功率也大，實際上是把伺服電機帶著動。而伺服電機處于被動轉(zhuǎn)動狀態(tài)，這樣砝碼就工作在中心點略微偏上的位置。如果電位器突然檢測到電壓為-4 V，說明瞬間線輥上的線徑突然變大，也就是線速度瞬間增大，電位器檢測到的- 4 V電壓與給定電壓0 V進行比較，仍然是-4 V，此時伺服電機必須換向，反向1 600 r/min。因為線繩瞬間變長了，而1號伺服電機不能突然調(diào)整到反向1 600 r/min，此時砝碼急速往下掉，快要掉到地面了。這段砝碼往下掉的時間給了伺服電機換向的時間，伺服反向1 600 r/min，把線繩牢牢拉住，砝碼也不會繼續(xù)下落，線輥上的線徑變小。伺服電機又工作在新的狀態(tài)。

由于線輥上的線徑在不斷變化，伺服電機的轉(zhuǎn)速也在不斷調(diào)整。砝碼也在配合伺服電機不斷上下運動，這樣就實現(xiàn)了張力系統(tǒng)的自動控制，而線繩上的張力主要是由砝碼的重量決定。

2 旋架

旋架又叫供布架，將成型機上的產(chǎn)品所需要的布、膠片卷成筒狀，中間穿一根木棍成竹竿，放在旋架上，方便操作工使用，如圖7。

旋架有好多種，有簡易的、有復(fù)雜的，有單工位，也有四工位，還有六工位的；有螺旋的，也有翻滾式的，有手動的，也有自動旋轉(zhuǎn)的。無論哪一種，主要是操作方便，提高生產(chǎn)效率。

圖7 旋架示意圖

3 成型機應(yīng)該注意的幾個問題

膠帶生產(chǎn)企業(yè)使用的成型機大同小異，沒有本質(zhì)區(qū)別，但對成型機原理、作用和認識差異很大，自然對產(chǎn)品質(zhì)量也有一定的影響。

3.1 繞線均勻

V帶、多楔帶、同步帶中間都有線繩。每根皮帶中的線繩數(shù)量都要求相同，如果在相同規(guī)格的皮帶中的線繩不一樣多，皮帶的強度就會受到影響，一般在成型時要求在任意段測量100 mm的寬度線繩誤差不能超過±1根。

例如，在成型時某線繩100 mm的寬度繞70根線，在任意段測量都必須是70±1根線繩。這樣才能確保每根皮帶的強度是相同的，所以繞線一定要均勻。

3.2 筒狀產(chǎn)品

一筒硫化好的產(chǎn)品，如果長度是1 000 mm，可以切成幾十根皮帶。成型機的目的，就是完成筒狀產(chǎn)品，例如線繩上不加張力，松軟的線繩是很難整齊排列在600 mm或者1 000 mm的圓筒工裝上。所以做成圓筒產(chǎn)品，在線繩上必須施加一定的張力。

3.3 張力

線繩上為什么要施加張力呢？一是要做成圓筒狀的產(chǎn)品需要一定的張力，另外一個則是很重要的因素，就是要消除線繩中的應(yīng)力（拉伸力），如圖8。

圖8 力和長度的關(guān)系圖

從圖中可以看出，當(dāng)線繩上的力從0增加到F0時，繞線的長度會變長，即從0變到L0，這一段變化很快。當(dāng)線繩上持續(xù)加力時，即從F0加到F1這一段，線繩長度從L0變到L1，變化不大，則是線繩上的應(yīng)力消除了。但持續(xù)加力時，線繩的長度變化很快，其實線繩已經(jīng)被拉傷，很快就會斷掉。所以線繩施加張力的大小要由線繩的粗細、質(zhì)量來決定。線繩施加張力的理想段是F1～F2。

如果線繩上的應(yīng)力不消除，會是什么結(jié)果呢？皮帶在使用過程中，本來膠和線繩在硫化時完全裹在一起。當(dāng)線繩多次受力后，線繩變長，膠和線繩就會脫離，如圖8的0～F0段，線繩長度變化大。當(dāng)線繩和膠脫離，出現(xiàn)松動后，皮帶的強度受到影響，使用壽命就會縮短。這和鋼板存在應(yīng)力是一樣的原理。鋼板在使用中，一定要消除應(yīng)力，否則做出來的產(chǎn)品就會變形，甚至不能使用。所以線繩加張力的目的是消除應(yīng)力（拉伸力）。

3.4 張力波動對產(chǎn)品的影響

張力波動大，對產(chǎn)品肯定有影響。以V帶為例，假設(shè)線繩張力在2～5 kg這兩點來回波動，那么產(chǎn)品中的線繩排列如圖9。

圖9 張力波動示意圖

圖9（a）的線繩排成了兩行，前排的5根線繩肯定先受力，至少10根線繩不會同時受力。而圖9（b）的10根線繩排成一條直線，能夠同時受力。所以圖9（a）的皮帶壽命肯定比圖9（b）短。當(dāng)然張力的波動不可能像圖9（a）一樣有規(guī)律，是隨機的。只要將張力波動控制在一定范圍，張力的微小波動對產(chǎn)品質(zhì)量不會造成什么影響。

此外，張力波動大，對排線也有影響。因為硫化前的膠片比較軟，如果張力波動真像圖9a一樣，深一根淺一根這樣排列，排線是很難排的整齊的。線和線之間的間距也會改變。這對產(chǎn)品的質(zhì)量影響更大，只有將每圈的張力控制在一定的范圍內(nèi)，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3.5 成型機對產(chǎn)品的影響

張力的大小對產(chǎn)品肯定有影響，那么影響有多大呢？如圖8所示，只要張力的波動在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，對產(chǎn)品就沒有影響。

我們來分析一下整個系統(tǒng)。如圖4所示，當(dāng)主電機轉(zhuǎn)動，伺服電機轉(zhuǎn)動，砝碼被拉起來，假設(shè)砝碼的重量為5 kg，那么線繩上的張力最少就是5 kg。如果主電機以很慢的速度勻速運動，雖然線輥上的線徑大小在變，砝碼會依據(jù)線輥上的直徑大小而做上下運動。但因速度慢，砝碼上下移動沒有產(chǎn)生加速度，所以線繩上的張力依然是5 kg。

如果主電機速度加快，線速度超過200 m/min，伺服電機就來不及換向或者加速。線繩上的砝碼上下大幅度波動或者波動頻率加快。砝碼相當(dāng)于做加速運動。此時線繩上的張力會上升。當(dāng)線速度達到400 m/min，張力會從5 kg上升到6.5 kg左右，1.5 kg的波動對產(chǎn)品肯定有一定影響，所以必須把線速度降低。理想的線速度應(yīng)該是100～200 m/min，一般來說線速度越低越好，但過低會導(dǎo)致生產(chǎn)效率同時降低，所以需要兼顧。

張力系統(tǒng)是一個機電調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電機換向需要時間，電機以一種速度突變到另一種速度也需要時間。所以主軸電機線速度不能快，速度太快，伺服電機就無法跟蹤。

線速度太快，張力傳感器也反應(yīng)不過來。線速度越快，張力顯示越穩(wěn)定，這是一種虛假的顯示，因為張力傳感器一般是采用應(yīng)變片，而應(yīng)變片又貼在金屬支架上，金屬變形，應(yīng)變片才有輸出信號。線速度過快，金屬支架的變形也無法及時跟上，所以其張力顯示也是不真實的。

其實我們可以做一個小實驗，一個2 kg重的砝碼，拴上一根線繩，用手提著上下慢速運動，無論你提多高多低，線繩上的張力依然是2 kg。如果你突然提上去，再放下來，或者抖幾下砝碼，砝碼就產(chǎn)生了加速度，線繩上的張力肯定不止2 kg。這個小實驗足以說明成型機的繞線速度不能快。

選擇線輥也很關(guān)鍵，假設(shè)線輥上排了100層線，而且每層線都排的很整齊，雖然每層線徑都在減小，但他不會突變。伺服電機不會產(chǎn)生加速，甚至也不用換向了。砝碼停在中點附近幾乎不動，這是最理想的張力，雖然實際上不可能達到，但實際操作中也要盡可能選擇排列整齊的線輥。

4 膠帶成型機的發(fā)展

膠帶成型機是膠帶行業(yè)最關(guān)鍵的設(shè)備，由于膠帶行業(yè)工藝特殊，很難做到全自動，至少貼膠片、貼布需要人工完成。但成型機仍然有發(fā)展的空間。

4.1 張力系統(tǒng)的改進

能滿足高速繞線，而張力又要穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

4.2 尾座改進尾座一般采用翻轉(zhuǎn)式，將單尾座改進成旋轉(zhuǎn)式多尾座，操作工可利用成型機繞線的空余時間將工裝調(diào)到尾座上，提高生產(chǎn)效率。

4.3 提高自動化水平

一臺成型機周圍配五六臺硫化罐，并配一個冷卻池和一臺切割機，如圖10。由于硫化罐和冷卻池位置固定，動作簡單，可配機械手將成型機上繞好線的工裝調(diào)入硫化罐，將硫化罐硫化好的產(chǎn)品調(diào)入冷卻池冷卻，再將冷卻池冷卻好的產(chǎn)品調(diào)到切割機切割，這部分可完成全自動化，不需要人工操作。這樣可以提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。合理的設(shè)備布局，可使得操作路徑最短。

圖10 成型機硫化罐全自動位置圖

5 結(jié)束語

（1）張力系統(tǒng)是一個機電相互補充而且設(shè)計很巧妙的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，只能在低速工作。

（2）要做成筒狀產(chǎn)品，需要施加一定的張力。

（3）施加張力的目的，主要是清除線繩中的應(yīng)力。消除應(yīng)力也需要時間，同時要考慮張力的穩(wěn)定和生產(chǎn)效率。建議線速度不要超過200 m/min。

（4）施加張力的大小，由線繩的粗細和質(zhì)量決定。

（5）張力的大小，對產(chǎn)品直徑有很小范圍的調(diào)節(jié)作用。例如：張力是5 kg，如果發(fā)現(xiàn)工裝式配方原因，使得產(chǎn)品直徑偏大一些，可以將砝碼增加到6 kg，這樣皮帶就可以縮短一些，反之亦然。

（6）主電機的速度從開始繞線到結(jié)束，應(yīng)該用同一個速度。

（7）盡量選線繩排列整齊的線輥。

（8）張力波動在一定范圍內(nèi)對產(chǎn)品沒有影響。

（9）高質(zhì)量的成型機才能做出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

（10）操作工一定要充分了解成型機的原理，因為成型機不是一臺全自動設(shè)備，人為因素對產(chǎn)品的質(zhì)量有一定的影響。

（XS-04）

TQ330.493

1009-797X(2015)09-0038-06

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.09.006

李再學(xué)（1955-），畢業(yè)于四川大學(xué)，高級工程師，原貴州大眾橡膠有限公司副總工程師，主管設(shè)備技改。

2014-06-03