李日輝，勞俊達(dá)，李德榮，劉冠靈，張立群，王宇林

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東湛江 524088）

0 引言

隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)各種規(guī)格的繩制品需求不斷增加，各種尺寸、型式的制繩機(jī)也逐漸推廣[1-3]。目前現(xiàn)有的制繩機(jī)存在以下缺陷：（1）自動(dòng)化程度低，沒有相應(yīng)的檢測(cè)斷線與自動(dòng)停止裝置，制繩過程必須由人工監(jiān)督；（2）收線速度不可調(diào)，拆換收線筒速度慢、收線過程繁瑣；（3）體積大、生產(chǎn)過程噪音大，受其機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，不能定制、制作小型繩子。

雖然大型制繩機(jī)效率高，但是其噪音大，使用時(shí)要求多，小批量生產(chǎn)不實(shí)際。在小型制繩機(jī)發(fā)展上，國(guó)內(nèi)很少有成熟高效率產(chǎn)品，產(chǎn)品可改進(jìn)潛力大。如專利號(hào)ZL 200520086835.X設(shè)計(jì)中[4]，只能進(jìn)行對(duì)兩股線進(jìn)行制繩，無自動(dòng)判斷故障功能，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)三股、四股線的捻繩，效率低，可提升空間大。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種小型自動(dòng)制繩機(jī)設(shè)計(jì)。該制繩機(jī)體積小，工作噪音小，可以滿足中小批量生產(chǎn)需要，與同類型制繩機(jī)相比，生產(chǎn)過程的自動(dòng)化有所提高。

1 總體設(shè)計(jì)思路

本制繩機(jī)（如圖1所示）整體采用結(jié)構(gòu)角鋼搭建。結(jié)構(gòu)角鋼價(jià)格低廉、易于裝配和搭建、整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能減少整體設(shè)備體積。該自動(dòng)制繩機(jī)主要包括：制繩裝置、紅外檢測(cè)裝置、集線裝置、壓線裝置、自動(dòng)撥線裝置和快拆收線裝置，下文僅針對(duì)部分裝置進(jìn)行介紹。

1.1 制繩裝置

該裝置采用周轉(zhuǎn)輪系機(jī)構(gòu)作為主體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如圖2所示）。主、副交流電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，采用PWM調(diào)速原理調(diào)節(jié)主副交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得繞線轉(zhuǎn)速和收線轉(zhuǎn)速相互配合。主交流電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)減速齒輪傳遞到中心軸。太陽(yáng)輪固定在中心軸上，帶動(dòng)太陽(yáng)輪正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽(yáng)輪同時(shí)通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)行星齒輪。副交流電機(jī)通過皮帶帶動(dòng)繞線圓盤反方向旋轉(zhuǎn)，從而使得行星齒輪在自轉(zhuǎn)的同時(shí)繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。股繩筒通過傳動(dòng)軸與行星齒輪固連，與行星齒輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)。各股繩在自轉(zhuǎn)的同時(shí)并相互卷繞，最終在集線裝置處匯聚，從而順利實(shí)現(xiàn)由股繩向成品繩的轉(zhuǎn)換過程。主交流電機(jī)左右位置可調(diào)，在確定傳動(dòng)比后，通過更換不同的輸出齒輪[5]達(dá)到調(diào)速的目的。

圖1 自動(dòng)小型制繩機(jī)整體示意圖

本制繩裝置使制股、合股、成繩、收繩均在同一套機(jī)組，通過股繩筒和繞線圓盤旋轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)了捻股、合股合二為一，無需經(jīng)過制股、再制繩兩道工序，解決了過去需要多臺(tái)設(shè)備、多道工序才能加工成型的方法[6]。同時(shí)，出線、制股不會(huì)因?yàn)樵暇€脆小及接頭、大結(jié)而受阻、斷裂。整體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)，與采用鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)的設(shè)計(jì)相比，齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)比大、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比精確等特點(diǎn)，使得制繩機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)、沖擊大為減少，降低了生產(chǎn)噪音。

圖2 制繩裝置

1.2 自動(dòng)檢測(cè)裝置

現(xiàn)有的多數(shù)制繩機(jī)自動(dòng)化程度低。當(dāng)股繩突然出現(xiàn)繃斷，或在成品繩完成的收工階段時(shí)，沒有相應(yīng)的自動(dòng)停止裝置，需要工人手動(dòng)進(jìn)行停止。針對(duì)此問題，本制繩機(jī)采用了基于單片機(jī)的反射式紅外光電傳感器作為自動(dòng)檢測(cè)裝置。

該反射式紅外光電傳感器主要由一個(gè)紅外光源和一個(gè)光接收裝置組成。其工作原理為：紅外光源發(fā)出的紅外光經(jīng)過待測(cè)物體的反射被光敏元件接收后，經(jīng)過相關(guān)電路的處理，得到相關(guān)的信息。當(dāng)出現(xiàn)斷線或股繩用盡的情況時(shí)，檢測(cè)裝置將信號(hào)反饋至單片機(jī)，通過單片機(jī)控制可自行切斷電源，停止電機(jī)工作。該紅外檢測(cè)裝置的優(yōu)點(diǎn)在于反射式紅外感應(yīng)反應(yīng)速度快、工作可靠。

該自動(dòng)檢測(cè)裝置安裝在制繩裝置的左下角處，如圖3所示，檢測(cè)轉(zhuǎn)盤上安裝彈性材料的擋片，股繩在自轉(zhuǎn)時(shí)通過自身的張緊力將擋片推向外側(cè)。其工作原理為：當(dāng)繞線圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紅外感應(yīng)探頭發(fā)射出的光源被擋片遮擋，感應(yīng)器將此信號(hào)反饋至單片機(jī)上；當(dāng)某股絲線在繞線中突然斷開或某股絲線用完之后，由于推力消失，擋片回彈至檢測(cè)轉(zhuǎn)盤內(nèi)側(cè)，紅外光在同一時(shí)間間隔被遮擋的次數(shù)下降，從而判斷某股絲線斷開或用完。該信號(hào)反饋至單片機(jī)控制直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：在不影響股繩自轉(zhuǎn)的同時(shí)，能清晰地檢測(cè)到每個(gè)時(shí)刻股繩所處的狀態(tài)，可極大地提高制繩過程的自動(dòng)化程度，使制繩機(jī)可在無人值守環(huán)境下自行工作，提高生產(chǎn)效率。

圖3 紅外檢測(cè)裝置

1.3 快拆換筒裝置

本制繩機(jī)的收線裝置由步進(jìn)電機(jī)、絲杠滑塊、快拆換筒裝置等組成。副交流電機(jī)通過減速齒輪將其動(dòng)力傳遞至同步帶輪，由同步帶輪帶動(dòng)收線圓筒均勻旋轉(zhuǎn)。同時(shí)在收線處通過小型步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿上撥絲塊勻速往復(fù)移動(dòng)。根據(jù)目標(biāo)繩的不同規(guī)格，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，始終保持了穩(wěn)定的線速度[7]，保證成品繩能夠穩(wěn)定均勻地被收卷。

當(dāng)前，制繩機(jī)的收線圓筒一般采用螺栓螺母固定，導(dǎo)致在拆換收線筒時(shí)速度慢、過程繁瑣。考慮到收線筒的轉(zhuǎn)速相對(duì)較慢，且承受的軸向力小，筆者設(shè)計(jì)了一種新型快拆換筒裝置。該裝置模型如圖4所示，快拆卷線桿為兩段式，一端安裝伸縮彈簧，另一端安裝活動(dòng)鉸鏈。當(dāng)收線圓筒收卷滿時(shí)，通過紅外檢測(cè)裝置使得直流電機(jī)停止后，壓縮伸縮彈簧即可將快拆卷線桿對(duì)應(yīng)的端頭從收線架上快速拆卸下來，之后將收卷滿的收線圓筒從快拆卷線桿上取下，換上新的收線圓筒即可繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的制繩機(jī)換線裝置相比，該快拆換線裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、拆換收線筒過程快捷方便。

圖4 快拆換筒裝置

2 總結(jié)

本制繩機(jī)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。其外形尺寸為100 cm×35 cm×50 cm，僅為同類型制繩機(jī)體積的1/4，生產(chǎn)噪音降低15%。用戶可根據(jù)需求進(jìn)行小批量生產(chǎn)，也可根據(jù)個(gè)人喜好和需求，制出各種不同顏色的繩，滿足不同的編織要求。同時(shí)本產(chǎn)品制造成本低、占地面積小、實(shí)用性強(qiáng)，適用于小批量及小型繩子的生產(chǎn)要求，具有良好的市場(chǎng)前景。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)