曹金瀛

（天津冶金集團天材科技發(fā)展有限公司，天津300308）

0 前言

天津冶金集團天材科技發(fā)展有限公司是國內(nèi)首家生產(chǎn)彩電用金屬材料的企業(yè)，1990年建成國內(nèi)第一條小型扁絲生產(chǎn)線，形成批量生產(chǎn)能力。其后又引進日本高精度三連軋機，使產(chǎn)品在理化性能、尺寸公差及外觀質(zhì)量等方面均達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。公司生產(chǎn)的小型扁絲廣泛應(yīng)用于航空、航天及電子領(lǐng)域，產(chǎn)品的技術(shù)水平和附加值高。隨著航空、航天及電子事業(yè)的飛速發(fā)展，本單位制造的扁絲品種、規(guī)格、產(chǎn)量逐年增高，對小型扁絲產(chǎn)品的理化性能、尺寸公差及外觀質(zhì)量等方面提出更高的要求，也對小型扁絲收排線的質(zhì)量提出更高的要求。

公司與成品退火裝置配套使用的小型扁絲SW-130/8型收排線機設(shè)備老化，收排線方式落后，收排線卷繞不能做到緊密結(jié)實，造成周轉(zhuǎn)和運輸過程中因松圈亂絲而達不到客戶使用要求，為此公司決定對其進行更新改造升級。

1 SW-130/8收排線機工作原理和工作方式

原SW-130/8型收排線機主要用來與八頭退火裝置配套，實現(xiàn)卷繞收線。該機器收排線采用整機同步定速牽引，分頭卷繞的方式進行。牽引速度能任意調(diào)定，保持不變，各收線機能單獨起停，卷繞力矩任意可調(diào)，排線裝置的行程和排距能按需選用。

1.1 SW-130/8收排線機工作原理

牽引傳動：牽引傳動由Z2-32型電動機三角帶拖動二級減速器轉(zhuǎn)動，減速器一端出軸由鏈條傳至牽引輪運轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)速（牽引速度）的大小，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)。

收線卷繞：收線軸由JDLJ71-0.05-4/8型電機通過齒輪減速器帶動配置在從動軸的線盤軸轉(zhuǎn)動線盤周與空心軸采用滑鍵鏈接，收線軸在空心軸內(nèi)轉(zhuǎn)動的同時，還可以軸向移動，實現(xiàn)卷繞排線；卷繞張力的大小調(diào)節(jié)力矩電機的卷繞力矩來實現(xiàn)。

排線：排線速度由Z2-32型電動機、減速器JZT12-4滑差器、排線變速箱來，帶動排線螺桿，支架導桿、換向撞塊和線盤支架往復(fù)運動實現(xiàn)排線換向方式由電磁離合器，換向撞塊，換向開關(guān)來實現(xiàn)。排線行程由換向撞塊和換向開關(guān)指令電磁離合器來實現(xiàn)。線盤排線行程的大小和對中通過換向開關(guān)的傳動螺桿來調(diào)整，各線盤前的排線導輪亦可微調(diào)對中。排線排距的調(diào)節(jié)由JZT12-4型調(diào)速器和排線變速箱來實現(xiàn)，JZT12-4調(diào)速器起無級作用。

1.2 原SW-130/8型收排線機工作方式

原收排線機絲材走向示意圖（圖中粗實線表示絲材）如圖1所示。

圖1 原收排線機絲材走向示意圖

圖2 新收排線機絲材走向示意圖

收線路徑：絲材從左側(cè)退火裝置出來經(jīng)過兩個小導線輪、壓線裝置、牽引輪、大導輪再從牽引輪繞過來經(jīng)過微調(diào)裝置上的小導輪，到達收線盤完成卷繞收排線。

收線張力：通過壓線裝置壓板的壓力調(diào)整，牽引輪有一個設(shè)定轉(zhuǎn)速控制，收線盤有一個轉(zhuǎn)速控制產(chǎn)生張力完成收線。

收線軸的運動：收線軸在轉(zhuǎn)動的同時，還可以軸向移動實現(xiàn)卷繞排線。

排線運動：通過JZT12-4調(diào)速器的無極調(diào)速，通過螺桿轉(zhuǎn)動帶動整體排線裝置使收線軸軸向移動來實現(xiàn)。由換向撞塊和換向開關(guān)指令電磁離合器實現(xiàn)排線的行程和換向。

1.3 小型扁絲收排線技術(shù)參數(shù)要求

規(guī)格：厚度（0.1～0.2）×寬度（0.8～2.0）mm；收線線速度（也是退火速度）：8～15 m/min；排線行程：20～90 mm；排距：即扁絲寬度 0.8×2.0 mm；收線盤規(guī)格：①Φ130×Φ60×Φ20×90 mm（外徑×起始卷徑×孔徑×長度）②Φ100×Φ50×Φ20×700 mm；收線重量：50～1 500 g；收線盤卷繞張力：0～1 kg。

1.4 原SW-130/8型收排線機存在的問題

原收排線機屬于單收單控整排方式，由機械裝置和簡單電氣控制轉(zhuǎn)速設(shè)定調(diào)節(jié)來完成收排線工作的，而不是恒線速收線；排線由普通螺桿轉(zhuǎn)動帶動整體排線裝置實現(xiàn)排距的調(diào)節(jié)不能準確定位；收線張力由兩個轉(zhuǎn)速和壓板調(diào)節(jié)不穩(wěn)定。特別是減速機構(gòu)繁雜不便于調(diào)整操作和設(shè)備維護與維修。

1.4.1 牽引：

由于收排線機屬于成品收排線設(shè)備，小扁絲收放線通過退火裝置時不能有大的張力，只能有小的阻尼放線，而且牽引速度與收線速度重合，因此不需要牽引傳動裝置；

1.4.2 收線路徑

絲材在經(jīng)過牽引輪與大導輪后有一個回繞到牽引輪的方式，使得絲材不在同一個垂直平面內(nèi)影響扁絲的直度。

1.4.3 收線張力的控制

由壓線裝置的壓板壓緊調(diào)節(jié)收線張力，以及牽引裝置轉(zhuǎn)速設(shè)定后與收線力矩電機通過電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的變化而產(chǎn)生，很難達到合理的張力值，扁絲纏繞不緊實。

1.4.4 排線方式

由普通螺桿轉(zhuǎn)動帶動整體排線裝置實現(xiàn)排距的調(diào)節(jié)，扁絲纏繞排列不整齊。

1.4.5 排線行程與換向的控制

排線行程由換向撞塊和換向開關(guān)指令電磁離合器來實現(xiàn)。線盤排線行程的大小和對中通過換向開關(guān)的傳動螺桿來手動控制調(diào)整，位置精度不準確。

1.4.6 收線與排線速度的控制

由收線電機和排線電機分別控制調(diào)整，速度不匹配。

2 新收排線機的收排線方法控制方式的選擇

2.1 常用收排線的方法

目前收排線的方法有五種：①整收整控整排②單收整控整排，③單收單控整排，④單收單控單排，⑤雙收雙控雙排。其中①、②、③、種都存在不同程度的技術(shù)缺陷，第④種方法較完善，第⑤種方法能基本滿足使用工藝技術(shù)要求。

2.2 收排線的控制方式

五種收排線的控制方式：①整收整控整排、②單收整控整排均不能實現(xiàn)智能化管理，無法做到恒線速收線；③單收單控整排能夠?qū)崿F(xiàn)智能化管理且能做到恒線速控制，但排線無法自動跟蹤；④單收單排單控，功能完善，控制精確，但設(shè)備制造成本高。建議采用⑤雙收雙控雙排或單收單控雙排，這樣既可以基本做到智能化管理，恒線速收絲，且自動跟蹤排線，同時不同規(guī)格的線，但需要兩側(cè)同時上下線才可以同時完成收線過程。

2.3 收排線方法和控制

收排線方法和控制的選擇：根據(jù)小扁絲應(yīng)用領(lǐng)域及小規(guī)格多品種附加值高，客戶不斷提高的技術(shù)要求和需求，以及機電一體化發(fā)展形勢的研究，為了實現(xiàn)小扁絲質(zhì)量進一步提高，我們提出了恒線速收線、自動跟蹤排線、人機對話的人工智能控制，便于操作，便于維護達到收線緊實排線整齊的效果，讓用戶滿意。為此我們選擇了單收單控單排的方法，恒線速收絲，且自動跟蹤排線，排線換向與行程通過設(shè)定程序，實現(xiàn)精確控制。

3新型SPXJ——A收排線機的開發(fā)

3.1 開發(fā)方式

合作開發(fā)共同研究：通過市場調(diào)研設(shè)備的選型沒有達到滿意的效果，經(jīng)過協(xié)商我們與有收排線機制造經(jīng)驗的設(shè)備制造廠達成合作開發(fā)共同研究適于扁絲的收排線機。由我方提出實際操作方案和技術(shù)參數(shù)、控制要求，由制造方進行設(shè)備的整體與傳動零部件的強度剛度計算及制作，并進行程序控制的設(shè)定，現(xiàn)場進行設(shè)備的小試中試達到我方要求后發(fā)貨。

3.2 開發(fā)內(nèi)容

收線路徑、收線張力機構(gòu)及收排線方式的要求見圖2。（圖2新收排線機絲材走向示意圖中的粗實線表示絲材）。

收線路徑：要求絲材在一個垂直平面內(nèi)，保證扁絲的直度。絲材從左側(cè)退火裝置出來經(jīng)過兩個小導線輪、壓線裝置、大導輪、阻尼輪再經(jīng)過微調(diào)裝置上的兩個小導輪，到達收線盤完成卷繞收排線。

收線張力機構(gòu)：將S輪傳動應(yīng)用到張力機構(gòu)以增加收線張力。由壓線裝置；一個大導輪與阻尼輪形成S輪，阻尼輪的軸上加設(shè)阻尼裝置；在微調(diào)裝置處通過一個連桿連接兩個小導輪形成一個S輪；纏繞在收線盤上形成收線張力機構(gòu)。

收線軸的運動：收線軸在轉(zhuǎn)動收線的同時，由排線軸帶動收線軸軸向移動實現(xiàn)卷繞排線。

排線軸的傳動方式：采用滾珠絲杠滾珠絲杠螺母傳動以提高排線軸運動精度。

收排線方式：采用單收單排單控，即每個收排線裝置單獨收線單獨排線單獨控制操作，以適合小批量多規(guī)格生產(chǎn)方式。

收排線頭數(shù)：為了提高生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率由原來的八頭增加到十頭收排線機。

收排線電機數(shù)量：十個收線電機十個排線電機。

3.3 新SPXJ收排線機基本技術(shù)參數(shù)要求

規(guī)格：厚度（0.1～0.3）×寬度（0.8～3.0）mm；收線線速度（也是退火速度）：3～20 m/min；

排線行程：20～120 mm；排距：即扁絲寬度0.8×3.0 mm；收線盤規(guī)格：（外徑×起始卷徑×孔徑×長度）①Φ130×Φ60×Φ20×90 mm；②Φ100×Φ50×Φ20×70 mm。收線重量：50～2 000 g；收線盤卷繞張力：0～2 kg。

3.4 收排線機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計要求

3.4.1 控制方案的總體要求

機器的操作由工藝操作人員通過觸摸屏輸入收線度速、扁絲規(guī)格、排線行程等工藝參數(shù)，打開收線機單頭控制開關(guān)，機器即進入工作程序，系統(tǒng)將按照設(shè)置的指令進行恒線速收線，排線自動跟蹤達到收線緊實，排線整齊。整機控制水平高，工作穩(wěn)定可靠，故障報警，維修方便。

3.4.2 十頭收排線機系統(tǒng)控制要求

（1）每個頭在操作方便的地方分別設(shè)置開、停按鈕；

（2）每個頭在方便操作的地方分別設(shè)置行程起始點調(diào)零按鈕以保證行程準確；

（3）每個頭設(shè)置手動微調(diào)裝置以保證收線盤單側(cè)對零的起始點準確；

（4）每個頭設(shè)置行程保護接近開關(guān)避免事故發(fā)生。

3.5 控制方案的選擇

通過對變頻電機變頻調(diào)速控制與步進電機控制、伺服電機控制的分析及制造方的建議根據(jù)收排線轉(zhuǎn)速低的特點，步進電機具有以下優(yōu)點，選擇了步進電機數(shù)字控制。

3.5.1 通常不需要反饋就能對位移或速度進行精確控制，因而即可以采用閉環(huán)控制還可以采用開環(huán)控制；

3.5.2 輸出的轉(zhuǎn)角或位移精度高，誤差不會積累具有良好的位置精度和運動的重復(fù)性；

3.5.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，與數(shù)字設(shè)備兼容，外形尺寸小，價格便宜；

3.5.4 優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；

3.5.5 僅僅將負載直接連接到電機的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。

3.6 系統(tǒng)主要硬件的選擇

3.6.1 觸摸屏：臺達DOP-A57GSTV；

3.6.2 可編程控制器：臺達DVP-14SS；

3.6.3 收線步進電機：86BYG250B 電流 4A/相步距角 0.9°/1.8°；

3.6.4 排線步進電機：北京四通混合式步進電機56BYG250D電流2.4A步距角1.8°；

3.6.5 收線步進電機驅(qū)動器：北京四通：兩相步進電機細分驅(qū)動器：SH-20806N；

3.6.6 排線步進電機驅(qū)動器：北京四通SH-20403；

3.6.7 整流模塊：北京四通SC-03。

3.7 觸摸屏設(shè)置的主要指令

3.7.1 收線軸恒線速度：根據(jù)扁絲退火工藝設(shè)定恒線速度；

3.7.2 扁絲厚度+厚度調(diào)整：為保證恒線速度收絲，需要根據(jù)扁絲公稱厚度設(shè)定厚度尺寸精度0.01mm同時設(shè)定線厚調(diào)整精度為0.001mm；

3.7.3 扁絲厚度+厚度調(diào)整：為保證扁絲盡量接觸到收線盤兩個內(nèi)端面，在收線盤寬度上達到均勻整齊排列間隙均布，需要根據(jù)扁絲公稱寬度設(shè)定寬度尺寸精度0.01mm同時設(shè)定線寬調(diào)整精度為0.001mm；

3.7.4 排線行程：根據(jù)收線盤實際寬度設(shè)定排線行程以保證排線對收線的自動跟蹤精度；

3.7.5 顯示故障報警及故障復(fù)位功能：為方便設(shè)備維修需要顯示故障內(nèi)容，故障解除后按復(fù)位鍵繼續(xù)工作。

3.8 軟件編程設(shè)計的要求

3.8.1 收線線速度恒定：收線線速度隨收線卷徑的增大保持不變而轉(zhuǎn)速降低；

3.8.2 排線速度自動跟蹤：排線速度與收線速度同步啟動，隨著收線轉(zhuǎn)速的降低卷徑的增大而變化，達到排線纏繞整齊均勻排列的效果；

3.8.3 指令隨時調(diào)整功能：（1）線厚指令輸入由操作人員測量后一般不會改變。（2）但是扁絲寬度指令的設(shè)定可能與排線行程實際寬度產(chǎn)生誤差，不能達到扁絲盡量接觸收線盤兩側(cè)的效果，這就需要通過重新設(shè)定“線寬調(diào)整”數(shù)值來實現(xiàn)。（3）行程設(shè)定的數(shù)值也有可能與實際尺寸不符，需要重新設(shè)定數(shù)值來實現(xiàn)。（4）因此每一層扁絲兩側(cè)換向的起始點也就是重新設(shè)定數(shù)值啟動的起始點。

4 開發(fā)效果

本研究所開發(fā)的SPXJ—A型收排線機采用S輪增大了收線張力，通過滾珠絲杠滾珠螺母傳動提供排線精度，通過采用恒線速收線提高了扁絲的機械性能和理化指標，通過把步進電機數(shù)字控制技術(shù)應(yīng)用到扁絲收排線機實現(xiàn)人機對話智能控制。三個多月的使用結(jié)果表明，該收排線機顯著提高了扁絲卷繞排線質(zhì)量，達到了收線緊實排線整齊均勻的效果，提高客戶的滿意度、生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語

SPXJ—A型收排線機采用了S輪、滾珠絲杠滾珠螺母傳動、恒線速收線、人機對話智能控制等技術(shù)，三個多月的使用結(jié)果表明，該收排線機可以顯著提高扁絲卷繞排線質(zhì)量，收線緊實，排線整齊均勻，可以滿足用戶需求。

[1]張立勛,黃筱調(diào),王亮.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2007.11

[2]李向東.電氣控制與PLC[M].北京：機械工業(yè)出版社,2002,09.