一種小型自動制繩機設計*

李日輝，勞俊達，李德榮，劉冠靈，張立群，王宇林

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江 524088）

0 引言

隨著我國制造業的發展，各行業對各種規格的繩制品需求不斷增加，各種尺寸、型式的制繩機也逐漸推廣[1-3]。目前現有的制繩機存在以下缺陷：（1）自動化程度低，沒有相應的檢測斷線與自動停止裝置，制繩過程必須由人工監督；（2）收線速度不可調，拆換收線筒速度慢、收線過程繁瑣；（3）體積大、生產過程噪音大，受其機械結構限制，不能定制、制作小型繩子。

雖然大型制繩機效率高，但是其噪音大，使用時要求多，小批量生產不實際。在小型制繩機發展上，國內很少有成熟高效率產品，產品可改進潛力大。如專利號ZL 200520086835.X設計中[4]，只能進行對兩股線進行制繩，無自動判斷故障功能，不能實現對三股、四股線的捻繩，效率低，可提升空間大。

針對以上問題，本文提出了一種小型自動制繩機設計。該制繩機體積小，工作噪音小，可以滿足中小批量生產需要，與同類型制繩機相比，生產過程的自動化有所提高。

1 總體設計思路

本制繩機（如圖1所示）整體采用結構角鋼搭建。結構角鋼價格低廉、易于裝配和搭建、整體結構穩定，能減少整體設備體積。該自動制繩機主要包括：制繩裝置、紅外檢測裝置、集線裝置、壓線裝置、自動撥線裝置和快拆收線裝置，下文僅針對部分裝置進行介紹。

1.1 制繩裝置

該裝置采用周轉輪系機構作為主體傳動機構（如圖2所示）。主、副交流電機同時轉動，采用PWM調速原理調節主副交流電機的轉速，使得繞線轉速和收線轉速相互配合。主交流電機的動力經減速齒輪傳遞到中心軸。太陽輪固定在中心軸上，帶動太陽輪正方向轉動，太陽輪同時通過齒輪傳動帶動行星齒輪。副交流電機通過皮帶帶動繞線圓盤反方向旋轉，從而使得行星齒輪在自轉的同時繞中心軸轉動。股繩筒通過傳動軸與行星齒輪固連，與行星齒輪同步轉動。各股繩在自轉的同時并相互卷繞，最終在集線裝置處匯聚，從而順利實現由股繩向成品繩的轉換過程。主交流電機左右位置可調，在確定傳動比后，通過更換不同的輸出齒輪[5]達到調速的目的。

圖1 自動小型制繩機整體示意圖

本制繩裝置使制股、合股、成繩、收繩均在同一套機組，通過股繩筒和繞線圓盤旋轉的方式實現了捻股、合股合二為一，無需經過制股、再制繩兩道工序，解決了過去需要多臺設備、多道工序才能加工成型的方法[6]。同時，出線、制股不會因為原料線脆小及接頭、大結而受阻、斷裂。整體傳動機構采用齒輪傳動，與采用鏈式傳動的設計相比，齒輪傳動具有傳動比大、傳動平穩、傳動比精確等特點，使得制繩機工作時產生的震動、沖擊大為減少，降低了生產噪音。

圖2 制繩裝置

1.2 自動檢測裝置

現有的多數制繩機自動化程度低。當股繩突然出現繃斷，或在成品繩完成的收工階段時，沒有相應的自動停止裝置，需要工人手動進行停止。針對此問題，本制繩機采用了基于單片機的反射式紅外光電傳感器作為自動檢測裝置。

該反射式紅外光電傳感器主要由一個紅外光源和一個光接收裝置組成。其工作原理為：紅外光源發出的紅外光經過待測物體的反射被光敏元件接收后，經過相關電路的處理，得到相關的信息。當出現斷線或股繩用盡的情況時，檢測裝置將信號反饋至單片機，通過單片機控制可自行切斷電源，停止電機工作。該紅外檢測裝置的優點在于反射式紅外感應反應速度快、工作可靠。

該自動檢測裝置安裝在制繩裝置的左下角處，如圖3所示，檢測轉盤上安裝彈性材料的擋片，股繩在自轉時通過自身的張緊力將擋片推向外側。其工作原理為：當繞線圓盤轉動時，紅外感應探頭發射出的光源被擋片遮擋，感應器將此信號反饋至單片機上；當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，擋片回彈至檢測轉盤內側，紅外光在同一時間間隔被遮擋的次數下降，從而判斷某股絲線斷開或用完。該信號反饋至單片機控制直流電機停止轉動。該設計的優點是：在不影響股繩自轉的同時，能清晰地檢測到每個時刻股繩所處的狀態，可極大地提高制繩過程的自動化程度，使制繩機可在無人值守環境下自行工作，提高生產效率。

圖3 紅外檢測裝置

1.3 快拆換筒裝置

本制繩機的收線裝置由步進電機、絲杠滑塊、快拆換筒裝置等組成。副交流電機通過減速齒輪將其動力傳遞至同步帶輪，由同步帶輪帶動收線圓筒均勻旋轉。同時在收線處通過小型步進電機帶動絲桿上撥絲塊勻速往復移動。根據目標繩的不同規格，調整步進電機轉速，始終保持了穩定的線速度[7]，保證成品繩能夠穩定均勻地被收卷。

當前，制繩機的收線圓筒一般采用螺栓螺母固定，導致在拆換收線筒時速度慢、過程繁瑣。考慮到收線筒的轉速相對較慢，且承受的軸向力小，筆者設計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，另一端安裝活動鉸鏈。當收線圓筒收卷滿時，通過紅外檢測裝置使得直流電機停止后，壓縮伸縮彈簧即可將快拆卷線桿對應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進行生產。與傳統的制繩機換線裝置相比，該快拆換線裝置結構簡單可靠、拆換收線筒過程快捷方便。

圖4 快拆換筒裝置

2 總結

本制繩機技術指標如表1所示。其外形尺寸為100 cm×35 cm×50 cm，僅為同類型制繩機體積的1/4，生產噪音降低15%。用戶可根據需求進行小批量生產，也可根據個人喜好和需求，制出各種不同顏色的繩，滿足不同的編織要求。同時本產品制造成本低、占地面積小、實用性強，適用于小批量及小型繩子的生產要求，具有良好的市場前景。

表1 主要技術指標