航空金屬拉鏈自動植齒機研制

孔雪峰 崔 巍 劉東旭

(航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽441003)

拉鏈作為服裝業的一項重要發明，長期以來應用十分廣泛。普通服裝的金屬拉鏈一般采用直接成型工藝，即將帶材通過專業設備直接沖壓在拉鏈基礎布帶上，再進行后續的表面處理工序。航空金屬拉鏈作為一種特殊用途的拉鏈，其生產工藝與普通拉鏈不同，采用的是先將拉鏈齒牙(也稱作“米牙”，下同)預先沖壓成型，再進行表面處理，最后在拉鏈基礎布帶上進行植齒成型的工藝。在這種工藝條件下，自動植齒機作為工序關鍵過程設備就顯得尤為重要。因為設備過于專業，目前市場上無標準設備提供，只能自行研制。

1 主要技術指標及功能要求

如圖1 所示，航空金屬拉鏈自動植齒機所進行的植齒工序就是把表面處理后的齒牙按工藝要求的齒牙寬度尺寸和植齒密度順序排在布帶條上并夾緊，同時保證:(1)植齒密度為每100 mm 布帶植齒31 ±1 個，齒牙間距均勻;(2)植齒速度為120～180 個/min，速度可調;(3)植齒數量可任意設置并調整;(4)植齒過程中不能損傷齒牙鍍層;(5)自動化程度高，安全防護功能齊全，工作穩定可靠。

2 技術方案

根據上述的技術指標和功能要求，經過認真分析和討論，我們認為可將植齒工序的整個過程分解為齒牙有序排列、送料、植齒成型這3 個步驟，整個設備采用機械主體、伺服驅動和PLC 控制來實現。具體實現過程如下:

2.1 齒牙的有序排列

我們采用振動盤(圖2)對齒牙進行有序排列。振動盤是解決自動排序、定向、上料的專用設備，它是由振動板、電磁鐵、銜鐵、彈簧片、安裝座、減振膠墊組成。利用控制器產生與系統固有頻率相同的脈沖電流使電磁鐵勵磁后，系統發生共振，銜鐵及振動板會快速地拉向電磁鐵。因為下降速度很快，所以物料會浮在空中，并在重力的作用下落向料盤。接著在彈簧片的作用下，銜鐵及振動板又被推回，這時使料盤內的物料向前方移動。該作用以3000～10000 次/min 或更高的次數反復進行，使料盤內的物料平滑移動，不會造成對物料的損傷。振動盤是一種成熟的產品，生產振動盤的專業廠家很多。經過分析比較，我們決定選用上海百分百公司的產品，送料速度可達100～300 個/min。

2.2 送料和植齒成型

在認真分析植齒工藝要求后，借鑒拉鏈齒牙直排工作原理，確定設備采用間歇式工作方式實現自動植齒，即齒牙和布帶同步輸送一個齒距后停止，擠壓植齒裝置在布帶上將齒牙擠壓至尺寸后等待下一個齒牙。如此同步送齒、拉帶→擠壓植齒動作交替步進循環，完成拉鏈植齒成型過程。

具體設計思路如下:(1)用一對滾輪夾緊布帶，滾輪與布帶不允許產生滑動，滾輪牽引布帶每次前進一個齒距。同步采用一對左右旋相對的絲桿組送料，絲桿組每轉一圈，齒牙均勻前進一個齒距;(2)設計平移對擠壓緊機構，將齒牙種植到布帶上。(3)設計成形絲桿力矩過載保護裝置和送料軌道末端的傳感器監控裝置。當成形絲桿傳動力矩過大，說明出現齒牙卡住現象，過載保護裝置使設備停機，需人工排除故障;送料軌道末端的傳感器監控裝置監視送料軌道中連續送料的齒牙，當齒牙不能連續進入絲桿時，說明齒牙在送料軌道中被卡住，齒牙送不下來，傳感器監控裝置使設備停機，由人工排除故障;(4)送料、送帶、擠壓植齒3個動作由3 臺伺服電動機分別驅動相應機構完成，實現同步精確輸送齒牙和布帶，保證成型后齒牙尺寸的一致性。

2.3 設備總體工作原理框圖(圖3)

2.4 電氣控制原理及設計過程

航空金屬拉鏈自動植齒機的電氣控制系統由伺服驅動系統、控制裝置、顯示操作單元和輔助控制裝置組成。伺服驅動系統由3 臺伺服驅動器及其電動機組成，其中一臺為主伺服，完成送料動作，一臺為拉帶伺服，完成拉帶動作，一臺為擠壓植齒伺服，完成植齒動作。在一個植齒工作循環中，先是主電動機和拉帶電動機同步運轉，帶動齒牙和布帶送至預定位置，定位完成后，植齒電動機運轉，驅動植齒機構將齒牙壓緊在布帶上。

控制裝置為可編程控制器PLC，作為本機器的控制核心，PLC 完成所有控制功能，包括從觸摸屏接受指令控制伺服系統和輔助機構運行，反饋機器狀態信息給觸摸屏。

顯示操作單元為觸摸屏，機器操作和狀態顯示功能由該單元完成。

輔助控制裝置由阻齒機構、壓緊機構、吹氣機構、振動盤、落齒檢測機構等組成。其中，阻齒機構完成阻齒和放齒動作;壓緊機構完成壓緊和放松布帶動作;吹氣機構完成吹氣功能;振動盤完成齒牙排序和輸送功能;落齒檢測機構可以對落齒進行計數，在阻齒機構的配合下確定機器植齒數量，同時通過PLC 的處理對是否缺齒牙、齒牙下落是否連續等進行判斷。

控制系統框圖如圖4 所示。

3 研制難點

由于設備加工對象齒牙尺寸較小，齒牙附著的布帶是柔性的，工藝又要求成型后齒牙的鍍層必須完整無損傷，齒牙數量和間距控制精確。在這種情況下，為使設備連續穩定地自動植齒，設計調試難度較大。

3.1 解決植齒連續性難點

從圖3 可以看出，齒牙在整個植齒過程中會依次經過振動盤、落齒軌道、送齒絲桿組、植齒機構和滾輪拉帶機構。其中，落齒軌道和送齒絲桿組的設計是關鍵，在設計落加工齒軌道時要注意控制軌道內腔與齒牙的間隙，既要使齒牙順利下落，又要保證齒牙在下落的過程中受到軌道約束不傾斜不翻轉;同時軌道內腔要光滑。在設計送齒絲桿組時也要注意確定合適的送齒絲桿初始端螺旋形狀和角度，保證齒牙順利從落齒軌道導入送齒絲桿組;同時左右旋送齒絲桿要完全對稱，絲桿組表面要光滑。

實際安裝調試過程中，配置數個壓縮空氣噴嘴對著落齒軌道吹氣，壓縮空氣內混入揮發性強的微量潤滑油，清潔潤滑軌道以利齒牙下落。

為保證左右送齒絲桿初始角度在每次開機后都保持一致，設計時應用了伺服電動機回零功能，開機后執行一次回零操作，伺服電動機會自動定位到設置好的零點位置，零點設置不變，零點位置也會保持不變，該位置對應的就是送齒絲桿初始位置。

3.2 解決齒牙計數難點

對齒牙準確計數是實現連續自動植齒的前提，由于齒牙尺寸小、形狀不規則，解決這一問題具有一定難度。如圖1 所示，單個齒牙開口端有約2 mm 的開口，當齒牙從落齒軌道中下落時，齒牙開口部分和頂端部分會依次通過同一固定點，如果在軌道某固定點設置一檢測裝置，只要能準確識別出齒牙下落過程中開口部分和頂端部分的形態變化，就能實現準確計數。

設計中，選擇了德國SICK 公司的光電開關，型號是WLL170 -2N132，配置型號為LL3 -TB01 的對射光纖。該型光電開關在配合對射光纖的情況下檢測距離為0～700 mm，完全滿足要求，且檢測靈敏度可調。將對射光纖正對落齒軌道安裝固定，發射光纖射出的激光穿過軌道射到接收光纖頭部，當齒牙從軌道中依次下落時，由于開口部分不會阻擋激光，頂端部分會阻擋激光，這樣接收光纖就會檢測到光線的明暗變化，每變化一次，就表明有一個齒牙經過。PLC 輸入端對光電開關產生的通斷信號進行計數，得到的就是準確的齒牙數。

3.3 設備保護功能設計

送齒絲桿組是整臺設備的關鍵機構，其安裝角度和位置的微小變化輕則引起齒牙鍍層損傷，重則無法順暢送齒。為保護絲桿免遭沖擊引起位置變化或損壞，我們利用了伺服驅動器的扭矩限制功能。依據主伺服驅動正常運行時的扭矩值，適當放大后設置為限制扭矩值，這樣，一旦驅動器檢測到實際扭矩值超過限制扭矩值，就會停止工作，同時觸發報警。

在PLC 控制程序中，設計了缺齒報警功能。其原理是在設備加工過程中對連續兩個齒牙計數間隔進行計時，如果時間值超過了依據設定植齒速度計算的理論值一定范圍，PLC 會停止設備運行并報警。

4 研制完成情況及效果

如圖5 所示，制造完成的航空金屬拉鏈自動植齒機采用鋁合金框架結構，全封閉防護，外形簡潔美觀，安全性好，噪音低。設備主要機構布置于鋁合金臺面之上，打開側門，將齒牙倒入振動盤內，把布帶導入夾帶壓帶拉帶機構之中，即可操作設備按照設定的工藝參數進行自動植齒工作。觸摸屏的主操作界面如圖6所示，操作按鈕、參數設置、設備狀態均顯示于屏上，人機界面友好，操作簡便。

設備實際加工時，運行連續穩定，成型后的齒牙尺寸一致性好，齒距、齒數完全滿足工藝要求，成型后的齒牙鍍層未見損傷。設備性能及功能達到了設計要求，能滿足航空金屬拉鏈植齒生產。

5 結語

本文介紹了航空金屬拉鏈自動植齒機的研制過程，詳細闡述了設計方案和設備工作原理。該設備研制成功，為采用特殊工藝生產金屬拉鏈提供了設備保證，采用此工藝生產的金屬拉鏈，美觀、高檔、大氣，能在惡劣環境中長期使用。該設備設計思路和方法可用于研制其它規格植齒機，在高檔金屬拉鏈生產方面具有推廣價值。