電子皮帶秤恒張力自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

范愛軍

河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司黃金葉生產(chǎn)制造中心，鄭州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)經(jīng)開第三大街9號(hào) 450016

在卷煙制絲生產(chǎn)過程中通常采用電子皮帶秤對(duì)原材料進(jìn)行稱重和配比，電子皮帶秤的計(jì)量和配比精度會(huì)直接影響卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性［1-2］。在實(shí)際生產(chǎn)中，傳輸帶偏移是影響電子皮帶秤計(jì)量精度的重要因素之一［3-4］，目前常用的糾偏技術(shù)有兩種：一是機(jī)械式無級(jí)自動(dòng)糾偏技術(shù)，采用機(jī)械導(dǎo)輪跟蹤傳輸帶，同時(shí)帶動(dòng)糾偏輥偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生糾偏力，由于糾偏力與傳輸帶的跑偏力成正比，故傳輸帶可以在平衡點(diǎn)處自動(dòng)實(shí)現(xiàn)左右調(diào)整；二是使用4個(gè)接近開關(guān)與電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)糾偏輥共同組成糾偏機(jī)構(gòu)，通過調(diào)整傳輸帶兩邊的張力以解決傳輸帶偏移問題，可實(shí)現(xiàn)水平或垂直調(diào)整［5］。由于電子皮帶秤的張緊輥和糾偏輥是同一部件，當(dāng)糾偏機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)糾偏時(shí)，傳輸帶的張力會(huì)發(fā)生明顯改變，進(jìn)而影響電子皮帶秤的計(jì)量精度，只有通過增加校秤頻次才能降低計(jì)量精度波動(dòng)產(chǎn)生的影響［6］。針對(duì)此問題，高文杰等［7］設(shè)計(jì)了一種偏移延時(shí)控制系統(tǒng)，采用電動(dòng)推桿與接近開關(guān)配合控制糾偏；楊守臣［8］分析了煙草專用電子皮帶秤的校準(zhǔn)方法及技術(shù)要求；李春光等［9］研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)量傳感器和速度傳感器是造成電子皮帶秤瞬時(shí)流量波動(dòng)大和校準(zhǔn)重復(fù)性差的主要原因；曹仲瑩［10］分析發(fā)現(xiàn)速度傳感器中轉(zhuǎn)子齒輪磨損和缺齒會(huì)造成電子皮帶秤輸出數(shù)值波動(dòng)。但對(duì)于解決傳輸帶雙向、大范圍糾偏以及糾偏過程中對(duì)計(jì)量精度的影響等研究則鮮見報(bào)道。為此，利用摩擦原理設(shè)計(jì)了一種電子皮帶秤恒張力自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)，以期減少校秤次數(shù)，提高制絲生產(chǎn)過程控制精度。

1 問題分析

改進(jìn)前電子皮帶秤張緊和糾偏機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、電機(jī)減速機(jī)、主動(dòng)輥、從動(dòng)輥、從動(dòng)輥張緊裝置、張緊糾偏輥、電動(dòng)推桿、負(fù)荷傳感器等部件組成，見圖1。傳輸帶速度由帶有變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)減速機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過安裝在從動(dòng)輥上的光電編碼器測(cè)量傳輸帶速度，同時(shí)消除由于傳輸帶打滑而產(chǎn)生的誤差。

圖1 改進(jìn)前電子皮帶秤張緊和糾偏機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of tension and adjustment mechanism of electronic belt weigher before modification

由圖1可見，電子皮帶秤傳輸帶1的張緊主要由從動(dòng)輥張緊裝置7、前張緊輥2和后張緊糾偏輥4控制，后張緊糾偏輥的一端與電動(dòng)推桿9采用關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行鉸鏈連接，用于張緊和糾偏。在電子皮帶秤投入使用前通常需要校秤，以消除傳輸帶張力對(duì)稱重輥的影響。但經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，傳輸帶會(huì)產(chǎn)生左右偏移，此時(shí)自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)投入運(yùn)行。當(dāng)電子皮帶秤傳輸帶偏向電動(dòng)推桿一側(cè)時(shí)，電動(dòng)推桿可以拉緊傳輸帶，使傳輸帶偏向另一側(cè)，但是當(dāng)傳輸帶偏向沒有電動(dòng)推桿一側(cè)時(shí)，電動(dòng)推桿只能放松傳輸帶，使傳輸帶偏向電動(dòng)推桿對(duì)側(cè)，由此容易造成傳輸帶在主動(dòng)輥11、從動(dòng)輥6上打滑。可見，現(xiàn)有電子皮帶秤糾偏機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)單方向糾偏，從而影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)組成

基于摩擦原理［11］設(shè)計(jì)了一種電子皮帶秤恒張力自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)，主要由前張緊輥3和糾偏輥支撐架（3和11）、后張緊輥支撐架（6和9）、糾偏輥組件4、電動(dòng)推桿10等部件組成，見圖2。改進(jìn)后將糾偏輥支撐架與前張緊輥支撐架設(shè)計(jì)為一體，并將后張緊輥與糾偏輥的張緊和糾偏功能分開，以避免相互影響。

圖2 改進(jìn)后電子皮帶秤張緊和糾偏機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of tension and adjustment mechanism of electronic belt weigher after modification

2.2 前張緊輥和糾偏輥支撐架

前張緊輥支撐架主要用于安裝和調(diào)整前張緊輥，前張緊輥與糾偏輥支撐架合為一體，見圖3。其中，雙長孔2用于調(diào)整前張緊輥的高低，長孔1用于安裝和限定前張緊輥，凸臺(tái)5用于安裝和限定關(guān)節(jié)軸承組件，長孔4用于安裝和限定糾偏輥調(diào)整架。在機(jī)架上加工出與孔3對(duì)應(yīng)的孔并安裝螺栓，用于增加前張緊輥和糾偏輥支撐架的剛度。

2.3 后張緊輥支撐架

后張緊輥支撐架主要用于安裝和調(diào)整后張緊輥，見圖4。其中，雙長孔1用于調(diào)整后張緊輥的高低，長孔2用于安裝和限定后張緊輥，凸臺(tái)3用于安裝和限定關(guān)節(jié)軸承組件。

圖3 前張緊輥和糾偏輥支撐架示意圖Fig.3 Schematic diagram of support frame for front tension roller and adjusting roller

圖4 后張緊輥支撐架示意圖Fig.4 Schematic diagram of support frame for rear tension roller

2.4 糾偏輥組件

糾偏輥組件由兩個(gè)糾偏輥（3和5）、兩個(gè)糾偏輥調(diào)整架2、關(guān)節(jié)軸承4和電動(dòng)推桿1等部件組成，見圖5。前張緊輥支撐架、糾偏輥以及糾偏輥調(diào)整架同時(shí)組裝，再將前張緊輥支撐架用螺栓固定在機(jī)架上；通過調(diào)整下糾偏輥調(diào)節(jié)螺栓8，使下糾偏輥5與傳輸帶輕輕接觸，并將下糾偏輥緊定螺栓7擰緊；上糾偏輥3在重力作用下壓在傳輸帶上方，并鎖緊上糾偏輥緊定螺栓6；最后安裝關(guān)節(jié)軸承4和電動(dòng)推桿1。

圖5 糾偏輥組件示意圖Fig.5 Schematic diagram of adjusting roller component

由圖6可見，軸頭1用于安裝關(guān)節(jié)軸承，其長度大于關(guān)節(jié)軸承寬度，當(dāng)傳輸帶偏移時(shí)有活動(dòng)間隙。糾偏輥調(diào)整架支撐滑動(dòng)面2位于安裝和限定糾偏輥調(diào)整架的長孔（圖3）中，由于滑動(dòng)面2與長孔是平面與平面相配合，由此提高了糾偏組件的穩(wěn)定性。

圖6 糾偏輥調(diào)整架示意圖Fig.6 Schematic diagram of adjusting rack of adjusting roller

2.5 糾偏原理

糾偏輥受力分析見圖7。其中，F(xiàn)是傳輸帶對(duì)糾偏輥的摩擦力；F1是傳輸帶對(duì)糾偏輥的摩擦力在糾偏輥上的徑向分力；F2是傳輸帶對(duì)糾偏輥的摩擦力在糾偏輥上的軸向分力；f是糾偏輥對(duì)傳輸帶的摩擦力；f1是糾偏輥對(duì)傳輸帶的摩擦力在糾偏輥方向的徑向分力；f2是糾偏輥對(duì)傳輸帶的摩擦力在糾偏輥方向的軸向分力。F、F1、F2分別與f、f1、f2大小相等方向相反。由圖7可見，當(dāng)傳輸帶向左偏移時(shí)，糾偏輥?zhàn)稣嵌绕保瑐鬏攷?duì)糾偏輥的摩擦力F可以分解為F1和F2，F(xiàn)1用于轉(zhuǎn)動(dòng)糾偏輥；根據(jù)作用力與反作用力原理，F(xiàn)2產(chǎn)生一個(gè)大小相等方向相反的反作用力f2，用于推動(dòng)傳輸帶向偏移的反方向移動(dòng)，即推動(dòng)傳輸帶向右移動(dòng)。反之，當(dāng)傳輸帶向右偏移時(shí)，糾偏輥?zhàn)鲐?fù)角度偏斜，產(chǎn)生推動(dòng)傳輸帶向左移動(dòng)的作用力f2。

圖7 糾偏輥受力分析圖Fig.7 Diagram of mechanical analysis of adjusting roller

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)備：CK63E型電子皮帶秤（昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司）。其中，傳輸帶寬度為1 000 mm，主動(dòng)輥到從動(dòng)輥的距離約為2 800 mm，從動(dòng)輥的有效長度為1 060 mm。當(dāng)傳輸帶正常運(yùn)行時(shí)，傳輸帶邊緣到從動(dòng)輥邊緣的距離各為30 mm。

測(cè)試方法：①由于傳輸帶是環(huán)形結(jié)構(gòu)，無法直接測(cè)量糾偏量與傳輸帶張力值之間的關(guān)系。改進(jìn)前通過調(diào)整與后張緊糾偏輥連接的關(guān)節(jié)軸承的調(diào)節(jié)螺栓（螺距為1.5 mm），將螺栓的螺紋伸出量作為糾偏量，考察糾偏量與電子皮帶秤稱重值的變化，重復(fù)測(cè)量8次。②改進(jìn)后將糾偏輥組件安裝于CK63E型電子皮帶秤上，電動(dòng)推桿與糾偏輥調(diào)整架通過關(guān)節(jié)軸承相連接，通過修改PLC程序調(diào)整電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。為驗(yàn)證改進(jìn)效果，通過調(diào)整關(guān)節(jié)軸承的調(diào)節(jié)螺栓，改變糾偏輥與傳輸帶之間的傾斜度，根據(jù)調(diào)節(jié)螺栓伸出量或縮回量測(cè)試傳輸帶邊緣到從動(dòng)輥邊緣的距離。根據(jù)圖7，當(dāng)傳輸帶正常運(yùn)行時(shí)，傳輸帶邊緣到從動(dòng)輥邊緣的距離為30 mm，此時(shí)設(shè)定調(diào)節(jié)螺栓伸出量為0；當(dāng)調(diào)節(jié)螺栓伸出時(shí)，伸出量設(shè)定為正值（+），此時(shí)傳輸帶向左偏移；反之，當(dāng)調(diào)節(jié)螺栓縮回時(shí)，縮回量設(shè)定為負(fù)值（-），傳輸帶向右偏移。重復(fù)測(cè)試8次。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1可見，改進(jìn)前隨著后張緊糾偏輥糾偏量的增加，傳輸帶張力隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致傳輸帶對(duì)稱重輥的壓力也增加。可見，改進(jìn)前采用后張緊輥與糾偏輥合二為一的設(shè)計(jì)方式，當(dāng)糾偏機(jī)構(gòu)運(yùn)行后會(huì)造成傳輸帶張力發(fā)生變化，進(jìn)而影響到電子皮帶秤的計(jì)量精度。

表1 改進(jìn)前糾偏量與電子皮帶秤稱重值的變化Tab.1 Variation of measurement value of electronic belt weigher along with adjustment distance before modification

由表2可見，改進(jìn)后后張緊輥與糾偏輥功能獨(dú)立，當(dāng)調(diào)節(jié)螺栓伸出時(shí)，傳輸帶邊緣到從動(dòng)輥邊緣的距離增加，此時(shí)傳輸帶在糾偏輥軸向分力的作用下，推著傳輸帶向?qū)?cè)偏移；反之，傳輸帶向另一側(cè)偏移。無論傳輸帶如何偏移，稱重值始終為0，說明傳輸帶張力沒有因糾偏機(jī)構(gòu)運(yùn)行而發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了恒張力傳輸帶糾偏，保證了電子皮帶秤的計(jì)量精度。

表2 改進(jìn)后調(diào)節(jié)螺栓伸出量或縮回量與傳輸帶偏移量的變化①Tab.2 Variation of adjustment distance of conveying belt along with outstretching/retracting distance of adjusting bolt after modification

4 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)有電子皮帶秤張緊和糾偏工作原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種恒張力自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)，將張緊輥與糾偏輥獨(dú)立設(shè)計(jì)，以消除兩者之間的影響，當(dāng)調(diào)節(jié)螺栓伸出時(shí)，傳輸帶到從動(dòng)輥的距離增加，傳輸帶在糾偏輥軸向分力的作用下向?qū)?cè)偏移；反之，傳輸帶向另一側(cè)偏移，由此實(shí)現(xiàn)了恒張力傳輸帶糾偏。以河南中煙黃金葉生產(chǎn)制造中心使用的CK63E型電子皮帶秤為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后傳輸帶張力不會(huì)因糾偏機(jī)構(gòu)運(yùn)行而發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了傳輸帶雙向、大范圍糾偏，有效提高了計(jì)量精度和生產(chǎn)過程控制能力。