扁絲十頭收排線機的改進

曹金瀛

（天津冶金集團天材科技發展有限公司，天津300308）

0 前言

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

公司與成品退火裝置配套使用的小型扁絲SW-130/8型收排線機設備老化，收排線方式落后，收排線卷繞不能做到緊密結實，造成周轉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。牽引速度能任意調定，保持不變，各收線機能單獨起停，卷繞力矩任意可調，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動，減速器一端出軸由鏈條傳至牽引輪運轉。其轉速（牽引速度）的大小，調節電動機的轉速實現。

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動線盤周與空心軸采用滑鍵鏈接，收線軸在空心軸內轉動的同時，還可以軸向移動，實現卷繞排線；卷繞張力的大小調節力矩電機的卷繞力矩來實現。

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運動實現排線換向方式由電磁離合器，換向撞塊，換向開關來實現。排線行程由換向撞塊和換向開關指令電磁離合器來實現。線盤排線行程的大小和對中通過換向開關的傳動螺桿來調整，各線盤前的排線導輪亦可微調對中。排線排距的調節由JZT12-4型調速器和排線變速箱來實現，JZT12-4調速器起無級作用。

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：絲材從左側退火裝置出來經過兩個小導線輪、壓線裝置、牽引輪、大導輪再從牽引輪繞過來經過微調裝置上的小導輪，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整，牽引輪有一個設定轉速控制，收線盤有一個轉速控制產生張力完成收線。

收線軸的運動：收線軸在轉動的同時，還可以軸向移動實現卷繞排線。

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

1.3 小型扁絲收排線技術參數要求

規格：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速設定調節來完成收排線工作的，而不是恒線速收線；排線由普通螺桿轉動帶動整體排線裝置實現排距的調節不能準確定位；收線張力由兩個轉速和壓板調節不穩定。特別是減速機構繁雜不便于調整操作和設備維護與維修。

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節收線張力，以及牽引裝置轉速設定后與收線力矩電機通過電壓調節轉速的變化而產生，很難達到合理的張力值，扁絲纏繞不緊實。

1.4.4 排線方式

由普通螺桿轉動帶動整體排線裝置實現排距的調節，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指令電磁離合器來實現。線盤排線行程的大小和對中通過換向開關的傳動螺桿來手動控制調整，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智能化管理，無法做到恒線速收線；③單收單控整排能夠實現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，同時不同規格的線，但需要兩側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：根據小扁絲應用領域及小規格多品種附加值高，客戶不斷提高的技術要求和需求，以及機電一體化發展形勢的研究，為了實現小扁絲質量進一步提高，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定程序，實現精確控制。

3新型SPXJ——A收排線機的開發

3.1 開發方式

合作開發共同研究：通過市場調研設備的選型沒有達到滿意的效果，經過協商我們與有收排線機制造經驗的設備制造廠達成合作開發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參數、控制要求，由制造方進行設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定，現場進行設備的小試中試達到我方要求后發貨。

3.2 開發內容

收線路徑、收線張力機構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，保證扁絲的直度。絲材從左側退火裝置出來經過兩個小導線輪、壓線裝置、大導輪、阻尼輪再經過微調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：將S輪傳動應用到張力機構以增加收線張力。由壓線裝置；一個大導輪與阻尼輪形成S輪，阻尼輪的軸上加設阻尼裝置；在微調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。

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

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，以適合小批量多規格生產方式。

收排線頭數：為了提高生產能力和生產效率由原來的八頭增加到十頭收排線機。

收排線電機數量：十個收線電機十個排線電機。

3.3 新SPXJ收排線機基本技術參數要求

規格：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 收排線機控制系統的硬件設計要求

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、扁絲規格、排線行程等工藝參數，打開收線機單頭控制開關，機器即進入工作程序，系統將按照設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，工作穩定可靠，故障報警，維修方便。

3.4.2 十頭收排線機系統控制要求

（1）每個頭在操作方便的地方分別設置開、停按鈕；

（2）每個頭在方便操作的地方分別設置行程起始點調零按鈕以保證行程準確；

（3）每個頭設置手動微調裝置以保證收線盤單側對零的起始點準確；

（4）每個頭設置行程保護接近開關避免事故發生。

3.5 控制方案的選擇

通過對變頻電機變頻調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收排線轉速低的特點，步進電機具有以下優點，選擇了步進電機數字控制。

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控制還可以采用開環控制；

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

3.5.3 控制系統結構簡單，與數字設備兼容，外形尺寸小，價格便宜；

3.5.4 優秀的起停和反轉響應；

3.5.5 僅僅將負載直接連接到電機的轉軸上也可以極低速的同步旋轉。

3.6 系統主要硬件的選擇

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

3.6.6 排線步進電機驅動器：北京四通SH-20403；

3.6.7 整流模塊：北京四通SC-03。

3.7 觸摸屏設置的主要指令

3.7.1 收線軸恒線速度：根據扁絲退火工藝設定恒線速度；

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

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

3.7.4 排線行程：根據收線盤實際寬度設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位功能：為方便設備維修需要顯示故障內容，故障解除后按復位鍵繼續工作。

3.8 軟件編程設計的要求

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定可能與排線行程實際寬度產生誤差，不能達到扁絲盡量接觸收線盤兩側的效果，這就需要通過重新設定“線寬調整”數值來實現。（3）行程設定的數值也有可能與實際尺寸不符，需要重新設定數值來實現。（4）因此每一層扁絲兩側換向的起始點也就是重新設定數值啟動的起始點。

4 開發效果

本研究所開發的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，通過把步進電機數字控制技術應用到扁絲收排線機實現人機對話智能控制。三個多月的使用結果表明，該收排線機顯著提高了扁絲卷繞排線質量，達到了收線緊實排線整齊均勻的效果，提高客戶的滿意度、生產效率。

5 結束語

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，三個多月的使用結果表明，該收排線機可以顯著提高扁絲卷繞排線質量，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,王亮.機電一體化系統設計[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：機械工業出版社,2002,09.