細金屬絲精確定長進絲和剪切系統設計

李本海， 顏敏， 郝利， 王越， 高梅香

（1.機械科學研究總院，北京 100044，2.山東省濟寧市兗州區職教中心，山東 濟寧 272000）

0 引言

在實際生產中經常會遇到細金屬絲（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：在電光源行業需耗用大量各種規格形狀絲類零件，通常需要采用多種設備完成；在金絲自動配稱系統中，金錠在熔煉之前需要對原料進行粗稱重和精確配稱兩個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的金絲根據每一罐金錠和目標值的差值，精確定長進絲并剪切。由于長度要求很短,數量多,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。

為了實現細金屬絲的定長剪切功能，同時提高自動化水平和生產效率，減輕生產者的勞動強度，本文對細金屬絲精確定長進絲和剪切系統進行了設計研究。

由于細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，細金屬絲依靠一對喂料輪通過摩擦向前輸送，對伺服電機的位置控制精度和防止打滑的措施也提出了更高的要求。

該系統的核心內容是張力控制、速度控制和位置控制，從而實現連續精確定長進絲和剪切。

1 系統的方案設計

1.1 總體方案

系統組成原理如圖1所示。選用2臺交流伺服電機分別驅動張力輪和喂料輪，通過對兩輪的速度差控制，實現張力控制；通過對喂料輪進行精確位置控制，實現精確定長進絲；剪切機構為氣缸驅動上裁刀往復運動方式。使用西門子觸摸屏實現人機交互，選用PLC為控制系統。

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

1.2 系統組成

1）開卷機構。金屬絲的來料狀態為卷狀，通常纏繞在絲筒上。為實現開卷，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動，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，將一個小型磁粉制動器安裝在絲軸后端，并調節好所需的制動扭矩。

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

圖1 系統組成原理圖

其中，張力輪機構是由伺服電機驅動的傳動輪1和氣缸驅動的壓緊輪1組成；喂料輪機構是由伺服電機驅動的傳動輪2和氣缸驅動的壓緊輪2組成。

張力輪的伺服電機采用速度控制模式。

喂料輪機構實現2個功能：定長進絲和張力控制。喂料輪的伺服電機采用位置控制模式。喂料輪機構與張力輪機構相同，只是電機的轉速略有差異。通過控制兩個電機的微小轉速差，使金屬絲具有一定的張緊力。根據金屬絲材料的不同，當需要較小的張力時，張力輪轉速就快一些，當需要較大的張力時，張力輪轉速就慢一些。

張力傳感器如圖2所示，金屬絲繞過傳感器的3個輪，通過對中間輪的壓力感知來控制張力輪的轉速。

圖2 張力傳感器

3）定長進絲控制系統。金屬絲的定長進絲是由伺服電機驅動的喂料輪機構完成，伺服電機的控制方式是采用位置控制模式。因為位置控制模式可以同時對速度和位置進行嚴格的控制，所以適用于定位裝置。

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

4）剪切機構。剪切機構為氣缸驅動上裁刀往復運動形式。上裁刀通過浮動機構可以緊貼在下裁刀的表面上，從而實現上、下裁刀間零間隙自由滑動，保證金屬絲切口質量的完美。

上、下裁刀由工具鋼磨削加工。在裁刀入口前可以根據金屬絲的粗細自由設置導線管，引導金屬絲進入裁刀。

2 結構設計

該系統主要由絲軸機構、張力輪機構、喂料輪機構、剪切機構等幾部分機械裝置組成，下面重點介紹喂料輪機構、剪切機構。

2.1 喂料輪機構

如圖3所示，喂料輪機構包括伺服電機1、電機連接座2、彈性聯軸器3、軸承座 4、齒輪5、傳動輪 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，傳動比為1∶1；齒輪5與傳動輪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 喂料輪機構圖

防止打滑是喂料輪機構設計時的重點考慮內容，本文通過兩個方面的措施來解決：

1）兩輪均為主動輪。傳動輪6和齒輪5在伺服電機的驅動下轉動，同時齒輪5將運動傳遞給齒輪8，帶動壓緊輪7以同樣的轉速轉動，但轉動方向相反，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。

氣缸的作用是驅動壓緊輪上下運動，以方便金屬絲的穿線。

2.2 剪切機構設計

如圖4所示，剪切機構由氣缸 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，在浮動機構的作用下使兩裁刀緊密貼合。

氣缸1用于驅動上裁刀往復運動。氣缸1是通過螺釘2、彈簧3連接在機架上，形成浮動機構。氣缸1在受到外力時可以相對機架運動，此種設計可以保證上裁刀5緊貼在下裁刀7的表面上，從而實現上、下裁刀間零間隙自由滑動，保證金屬絲切口質量的完美。同時也方便維修人員更換裁刀，不用每次更換裁刀時調節裁刀間隙。

上、下裁刀由工具鋼磨削加工。在下裁刀入口前可以根據金屬絲的粗細自由設置導線管，引導金屬絲進入裁刀。

圖4 剪切機構圖

3 結語

根據工程需要，設計了自動化程度較高的細金屬絲精確定長進絲和剪切系統，只要人工完成首次穿線后，啟動自動程序，輸入相關參數，就可以自動完成整卷金屬絲的定長剪切，提高了自動化水平和生產效率，減輕了生產者的勞動強度。

本文對張力輪、喂料輪和剪切機構等進行了設計分析，系統通過采用雙電機轉速差加載方式實現了張力控制和精確定長進絲，從而滿足了精度要求。

測試結果證明，該系統具有穩定性,證明了本方案的可行性。

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