基于金剛砂的尼龍抽絲設備生產線設計研究

劉霞

摘 ?要：為解決原有抽絲設備生產線在喂料機進料均勻度、裝配作業安全性上存在的問題，通過引入某生產線設計項目進行優化設計方案的分析，依托編程設計選定主、側喂料機的工藝參數，引入螺桿錐形段加工方案保證金剛砂下料均勻度達標，配合垂直機頭內部緊固裝置的詳細設計，最終解決原生產線在生產精度與工藝安全性方面的隱患問題，實現產線整體生產效能的提升。將該項目設計經驗進行總結，能夠為同類產線改造升級提供重要參考價值。

關鍵詞：抽絲設備;生產線設計;喂料機參數;螺桿錐形段

近年來抽絲生產線開始引入尼龍、金剛砂等物料進行同步生產，如何改善不同物料在同一產線上的兼容性及生產效率成為產線設計項目亟需解決的問題。但現有產線的設備參數設置、下料裝置設計以及物料擠出環節工藝精度控制難度均較大，對于生產線改進與自動化升級提出現實需要。

1 項目概況

以某尼龍+金剛砂抽絲設備生產線設計項目為例，該項目中抽絲設備選用S25主機，主電機5.5kW、轉速400rpm、長徑比L/D為44。在項目實施環節主要面臨以下三項難題：（1）由于客戶對于設備喂料量、進料均勻度提出較高要求，如何保證主、側喂料機參數設置的準確性成為一大難題;（2）以往在抽絲設備投入使用后，常出現金剛砂喂料不均勻的問題，亟需優化金剛砂下料設計;（3）在生產線末端經由垂直機頭擠出物料，為使細絲狀物料沿垂直方向落下，將機頭流道設計為直角形，出條口模處同樣以垂直向下形式設計，但由于裝配環節需由工人蹲在機頭下方進行拆卸作業，機頭部件選用氮化鋼材料制成、質量較重，易在拆卸過程中對裝配員工生命安全構成威脅，增加現場安全隱患[1]。

2 抽絲設備生產線設計要點

2.1 主、側喂料機參數選取

該生產線上主、側喂料機分別用于喂入PP粒料和金剛砂，按客戶要求將喂料量控制在15kg/h左右、保證進料均勻。將物料堆積密度代入質量=密度×體積公式中，確定選用WS25C體積式雙螺桿喂料機;再根據經驗數據得出雙螺桿設備的輸送效率為30%，計算出喂料體積的理論值;又根據體積值計算嚙合雙螺桿的大徑、小徑、導程等參數，最終確定喂料機螺桿參數、電機速比等標準值，保證喂料配比正確[2]。為確保上述計算流程的正確運行，該項目中引入count宏程序進行參數設置，使嚙合雙螺桿使用體積接近理論值，并根據金剛砂粉料的堆積密度完成側喂料機螺桿參數、電機速比的設置。

在編程設計上，根據設備基本參數、關鍵機構運動軌跡、誤差補償等計算要求，運用count宏程序進行主、側喂料機參數的自動計算，基本步驟為“創建項目——配置各模塊參數、設置通訊參數——確定變量數目與類型、完成表格填寫——運用梯形圖完成編程——下載程序、仿真實驗”。其中在控制系統程序設計上，利用RS485總線將PLC、變頻器與觸摸屏連接，在觸摸屏界面上直接監控電機各項運行參數，自動計算出單臺電機的轉速比，完成電機轉速設計，并通過將其與控制程序結合完成整體生產線控制系統的軟件設計。該程序適用于檢驗結構與零件設計參數是否符合運行要求，生成螺桿加工程序等，利用PLC控制系統獲取生產線上不同設備及執行機構的動作參數，并向變頻器發送控制指令，用于調節電機等設備速度，具備良好的通用價值。

2.2 金剛砂下料設計

考慮到側喂料機螺桿全程由螺紋推送物料，因螺桿輸送物料過程中未設置緩存階段，導致金剛砂進入筒體時存在不均勻現象。基于此，該項目中擬在螺桿尾部車一段錐段，在螺桿輸送過程中使部分金剛砂在螺桿尾部得到緩存，最終以料推料模式進入筒體，實現均勻喂料。與此同時，對金剛砂接料盒進行優化設計，將筒體開口擋料塊、接料盒設計為圓形開口式，在裝配環節使金剛砂下料口對準擋料塊圓形開口，避免金剛砂物料下落過程中接觸到接料盒，保證實現均勻下料。

在螺桿錐形段加工方法設計上，根據功能段要求與嚙合特性，利用五軸聯動數控機床執行加工作業，選用圓柱形立銑刀按“開槽——銑右側——銑左側”的順序進行螺桿銑削加工，在開槽環節預留較小余量，用于減小銑削左右側時刀具的切削量，依托銑床新增B軸進行螺桿錐形段的加工，借此縮短以往磨刀耗時、提高加工效率，并且對螺桿采用簡化漸開線齒形設計，在銑削左右兩側時分別增加一刀，最終利用五刀完成螺桿錐形段加工[3]。

考慮到數控機床B軸與銑刀之間設有一段距離，需在加工環節進行補償計算，將B軸與主軸端面距離設為Lj，刀具懸伸長度設為Ld、擺角設為α，則加工補償的計算公式為：

其中當銑頭沿B軸回轉中心做順時針擺動時，擺角取值為負數，此時X取值為正、Z取值為負;當銑頭做逆時針擺動時，擺角取值為正數，X、Z取值均為正。

在刀加工軌跡計算上，分別考慮粗加工、精加工兩個環節，其中粗加工環節刀具銑削寬度等同于螺旋槽寬，精加工環節需對原螺旋槽進行拓寬、完成齒面加工。利用五軸聯動數控機床進行螺桿加工，將銑刀底部中點設為刀位點（X，Y，Z，B，C），已知Y坐標為給定數值、B坐標為α，設加工點位與Z軸零點的間距為Lji、螺桿錐形段大端內徑為d1、內半錐角為θ2、待加工錐形段導程為Si、Z軸讓出長度為Lri，則銑刀起止到位點的計算公式分別為：

2.3 垂直機頭設計

為解決垂直機頭裝配環節的安全隱患，擬在機頭內部設計凹槽，將容積體、多孔板、出條口模板等零件均安裝在一個固定圈內，固定圈推進機頭后旋轉30°、卡入凹槽內，再上螺釘鎖緊。待拆卸機頭環節，將連接螺桿全部拆下后，僅需由裝配人員將固定圈旋轉30°，即可將機頭完整拆掉，避免內部零件掉落。在機頭內部詳細設計上，利用固定圈在機頭內形成垂直固定支撐結構，分別將容積體、板材與模板在固定圈內安裝固定，確保端面、軸孔之間的垂直度達標，并利用固定圈將支撐筒進行緊固處理，固定圈、筒體主要利用螺紋進行連接。借助固定圈的設計使機頭內部零件實現一體化成型。

3 仿真分析及現場調試

3.1 仿真分析

采用ADAMS軟件建立抽絲設備生產線模型，代入設備基本參數及坐標點構建點模型，結合關鍵機構設計圖紙計算出不同零件參數。為真實反映出送料、抽絲作業流程，引入參數化建模方法進行點坐標自變量、因變量設置，選用運動參數化工具基于函數約束關系進行各點位關聯性的分析，用于對優化設計后抽絲生產線的運行效果進行檢驗。

3.2 現狀調試

分兩個環節進行現場調試，其一是落實生產線上不同設備間線路連接，考慮到現場線纜均置于同一電纜槽中，通過利用控制線套住鋼管，用于有效屏蔽電磁干擾問題，并加裝溫度傳感器提供過載保護;其二是PLC控制系統的現場接線處理，將數字量輸入、輸出模塊分別接入按鈕、指示燈等開關量，借助RS485接口實現控制系統與變頻器之間的通訊連接，保證PLC現場接線的準確性。待完成現場部件連接及接線處理后，通電、開機運行，利用觸摸屏對整體抽絲生產線運行過程進行控制，可觀察到實際輸入速度為4.95m/s、長度為200.15m、直徑為5.58mm，說明整套生產線的穩定性與可靠度均達標，滿足生產工藝要求。

4 結論

結合上述流程進行生產線設計優化，有效提升整體產線的自動化運行水平及生產效率，并且通過在原有圓柱形螺桿上加裝錐形段，適當調節不同機構的長度、間隙，可使物料被充分擠壓、實現均勻輸送，減輕零部件之間的干擾問題，維護正常生產作業的高效運行。未來還需聚焦生產能耗降低、成品質量提升、產線性能優化等層面進行產線改造方案設計，為同類項目中產線改造升級提供示范經驗。

參考文獻：

[1] 許績彤，陳楠.基于精益生產思想的自動化生產線設備前期規劃設計探究[J].中國設備工程，2020，（21）：2.

[2] 陸晨芳，陸江，龍忠海，等.教學型智能制造生產線的設計[J].機械制造，2020，（01）：4.

[3] 周沖，黃軼群，鄭義，等.裝配式建筑預制混凝土構件循環生產線工藝布局設計[J].施工技術，2020，（05）：5.