新型全自動鞋帶打束機的開發

尹志權

（江蘇百宏復合材料科技股份有限公司，江蘇 無錫 214101）

目前，市場上的通用鞋帶打束機分兩種類型，一種是老式機械全自動鞋帶打束機，多用于大批量和質量要求不高的生產任務，此類設備機械設計復雜，全部動作依靠機械機構凸輪、鏈條、間歇輪等完成，沖擊大、磨損快，體型龐大、機械零件專用復雜、調整困難、品質不穩定、維修困難等；另一種是手動鞋帶打束機，多用于少量和樣品制作等生產任務，此類設備機械設計簡單，操作方便靈活，但是勞動強度大、生產效率低，產品品質因不同人員操作也各不相同，機械部分采用轉鍵離合器，噪音大、磨損快[1-4]。

1 新型全自動鞋帶打束機機械部分設計

1.1 工序和工作流程

入帶打帶輪→擋帶環→送帶輪→儲帶盤→撐帶桿→張力壓板→導帶輪→導帶筒→右收帶夾爪→切帶夾爪→切帶→左收帶夾爪→左收帶鉤→切帶夾爪→切帶→右收帶夾爪→右收帶鉤。

1.2 各工序部件功能解析

1.2.1 入帶打帶輪

織帶類繩帶胚帶在收集存放后通常會出現穿套打結現象，利用打帶輪沿入帶方向相逆方向旋轉，遇到打結胚帶時，打帶輪可以驅打拍散打結胚帶，保證后段工序順利進行。輪盤寬度以20 cm左右為宜，太寬則體型增大且為無效范圍，太窄則胚帶容易擺落在輪盤兩側；輪盤直徑以20 cm左右、連桿4支為宜，輪盤直徑增大不僅會導致體型增大，還需要增加連桿支數。連桿材質以直徑10 mm鍍鉻棒圓條為宜，太粗則重量增加，慣性加大，不利于控制；太細則強度不足，容易變形。鐵棒容易生銹進而污染胚帶，鋁棒摩擦容易起黑色，特別是白色和淺色胚帶污染比較嚴重，所以鐵棒和鋁棒都不適合用作連桿；當然，不銹鋼棒也可以，但是不銹鋼價格比較高，不僅會增加成本，而且打孔攻絲加工困難。輪盤材料以6 mm酚醛膠木板為宜，PVC板強度不夠，容易破損；環氧樹脂板容易變形扭曲且加工面不夠光滑，容易起毛刺，容易粘掛胚帶。

1.2.2 擋帶環

擋帶環安裝在入帶輪和打帶輪中間，其作用是保證經打帶輪打散后的坯帶順利進入入帶輪，防止進入入帶輪的胚帶隨機左右偏移出入帶輪。擋帶環宜采用3 mm不銹鋼絲制作成寬3 cm、長8 cm左右的跑道型圓環垂直位置固定，以保證最粗胚帶的最大打結接頭順利通過。

1.2.3 送帶輪

送帶輪由主動輪和從動輪組成，主動輪在下，宜采用直徑9 cm左右、長20 cm左右的包刺皮滾輪，光面滾輪和聚氨酯包膠滾輪容易打滑，壓花滾輪容易損傷胚帶；從動輪宜采用聚氨酯包膠滾輪，以自身重力壓在主動輪上，在從動輪一端安裝“陽明PL05N”型接近傳感器，當有胚帶接頭通過時滾輪被頂起，傳感器脫離檢測物報警，操作人員及時關注處理接頭，防止接頭卡在打束頭機刀口內造成停機。送帶輪和打帶輪共用一個電機驅動，傳動皮帶采用8 mm PU熔接圓皮帶，打帶輪皮帶以“8”字形安裝，使其方向和送帶輪方向相反。

1.2.4 儲帶盤

將1 mm厚的304不銹鋼板做成滑梯狀，寬30 cm，斜坡部分長50 cm，角度45°，平臺部分長20 cm；在斜坡部分中間位置安裝“歐姆龍E3JK-DS30M1”型光電開關，當儲帶到此位置時停止送帶。儲帶盤內的胚帶會呈擺線狀松散折疊堆積，以避免后續用帶時出現拉扯現象進而影響成品鞋帶的長度。

1.2.5 撐帶桿

撐帶桿由上、下兩根12 mm鍍鉻棒和左、右擋板組成，左、右擋板可以自由調節，置于儲帶盤平臺部分中心部位，距儲帶盤平臺的高度為50 cm，胚帶從上、下圓條和左、右擋板組成的方孔通過，經過撐帶桿會使儲帶盤內折疊堆積的胚帶以自然下垂狀態順利進入張力壓板，撐帶桿起到拉伸和導向作用。

1.2.6 張力壓板

張力擋板用1 mm厚不銹鋼板做成寬10 cm、高7 cm、厚1 cm的開口盒狀，上口處一側以轉軸方式連接支持，張力壓板以70°傾斜放置，可向上旋轉90°，在開口盒內放置6 mm不銹鋼圓條，配重到80 g左右，以使經過的胚帶始終保持合適的張力。

1.2.7 導帶輪

導帶輪用直徑5 cm、厚4 cm的鋁合金棒做成線軸狀，內壁鑲嵌2個608軸承；導帶輪出帶側面放置于打束頭機刀口中心位置上方，距地面的高度為180 cm。安裝時保證導帶輪旋轉靈活，減少旋轉卡頓引起的胚帶張力不穩現象，保證導帶輪的安裝位置準確，減小左右擺帶時的胚帶長短差異。

1.2.8 導帶筒

導帶筒用直徑30 mm、壁厚2 mm、長36 cm的不銹鋼圓管制成，上端嵌套直徑80 mm、長40 mm尼龍棒制作的內漏斗型引導口，防止胚帶接頭刮擦導帶管口引起張力陡變而使成品鞋帶長度不良。導帶筒安裝在滑軌的滑塊上，隨滑塊左右擺動，導帶筒支撐架前后要有30 mm的調整軌道，出帶口后傾80°，避免在運行時和膠水噴頭碰撞。導帶筒的作用是將胚帶有效輸送到左、右夾爪和切帶夾爪的夾持區域。

1.2.9 右收帶夾爪

收帶夾爪采用“亞德客HFR25 180°”氣動手指氣缸和定制手指爪制成，手指爪用長70 mm、寬18 mm、厚10 mm的不銹鋼板制成，兩手指爪對合面加工成波浪糙面，以增加對胚帶的夾持緊度，上手指爪尖端切成33°斜角，和手指氣缸傾斜安裝形成的角度疊加在50°，這樣既可以保證張開的夾爪有合適的空間夾持胚帶，又可以使打好束頭的鞋帶在自重下滑脫。

1.2.10 切帶夾爪

切帶夾爪采用兩個“亞德客HFR25 180°”氣動手指氣缸和定制手指爪制成，安裝于束頭切刀兩側，張開的夾爪中心和導帶筒拉出的胚帶對齊，夾爪閉合時胚帶位于指尖10 mm處，兩個氣動手指氣缸尾部固定在以“信捷MS6S-60CS30B1-20P4”伺服電機為驅動的“寅通FXS40-30-14-50-70”渦輪減速機的輸出軸上，以渦輪減速機輸出軸的往復旋轉和氣動手指爪的開合動作完成對胚帶的夾持→下拉→拔出（切刀切完胚帶后）→松帶→歸位等循環動作；渦輪減速機的速比只有大于1∶30，才會在各動作停止時達到制動效果，速比過小或者采用行星減速機都會因胚帶張力的反作用而出現電機抖動現象。

1.2.11 左收帶夾爪

左收帶夾爪和右收帶夾爪一樣，對稱安裝于切帶夾爪左側。

1.2.12 左右收帶鉤

左、右收帶鉤采用6 m m 不銹鋼圓棒彎成2個直徑70 m m的半圓，18 0°對稱安裝于以“時代超群6 0 H BP67A L 4”步進電機為驅動的“時代超群PX57N010S0”行星減速機的出力軸端，收帶鉤尖端對應收帶夾爪下部，當收帶夾爪張開成品鞋帶下落時正好掛于收帶鉤上；收帶鉤圓棒不能太粗或者太細，太細則強度不夠，太粗則比較硬挺的鞋帶容易滑落。右收帶鉤收帶滿計數量后以正時針旋轉方向換鉤，左收帶鉤收帶滿計數量后以逆時針旋轉方向換鉤。

1.2.13 主機

主機部分以“正隆”手動鞋帶打束頭機為基礎，更換原機棘輪鉤掛裝置輸送膠片，采用“時代超群60HBP67AL4”步進電機為驅動裝置，更方便調整膠片長度；取消轉鍵離合器，以“臺達VFD015EL43A”變頻器的快速啟停和制動功能代替離合器，不僅方便控制，還消除了原來轉鍵離合器的噪音、油污、磨損等問題。

2 新機型電氣部分設計

2.1 電氣材料

昆侖通態TPC7062TI人機界面1臺、三菱FX3U-32 M T-E可編程控制器1臺、M D R-6 0-2 4開關電源1臺、臺達V F D 015EL 43A主機變頻器1臺、臺達VFD1A6MS21ANSAA打帶輪變頻器1臺、信捷DS5L1-20P4-PTA+MS6S-60CS-30B1-20P4伺服電機2套、時代超群60HBP67AL4+ZD-2HD54步進電機3套、亞德客4V210-08電磁閥3臺、陽明PL-05N接近傳感器7支、歐姆龍E3JK-DS30M1光電傳感器1支、松下LX-101色標傳感器1支、臺邦TB50-2T-D-J警示燈1臺。

2.2 電氣控制架構

電氣控制架構如圖1所示。

圖1 電器控制架構

2.3 電氣零部件使用功能及設定參數

2.3.1 人機界面

人機界面是對可編程控制器數據進行寫入、讀取、監視的窗口，編寫程序時不僅要編寫數據輸入、監視框，還要盡可能使機械部分的每個動作都可以手動執行，便于調試或者維修時操作，盡可能使每個故障停機報警的信息和處理方法以文字形式顯示，便于維修和操作人員處理。

2.3.2 按鈕開關

配置啟動、停止、復位、急停4個主要常用操作按鈕即可，步進接線過多顯得煩瑣，操作人員也不易識別，步進接線過少則不方便操作。

2.3.3 傳感器

（1）接頭檢測傳感器（陽明PL-05N）—安裝于送帶輪從動輪支撐架下，當有接頭通過送帶輪時送帶從動輪被頂起報警。

（2）左、右限位傳感器（陽明PL-05N）—安裝于固定左、右收帶夾的滑塊上，用于限定左、右拉帶的長度，調整位置宜使導帶筒過左、右收帶夾5～10 mm，太窄則導帶筒和左、右收帶夾容易碰擦，太寬則導帶筒回擺時胚帶會松弛進而影響張力。

（3）左、右進帶傳感器（陽明PL-05N）—安裝于切帶夾的兩側5 cm左右處，用于檢測導帶筒和切帶夾工作順序，防止導帶筒和切帶夾發生碰撞，當切帶夾正在工作時，導帶筒到左、右進帶傳感器位置要暫停擺送，待切帶夾復位后導帶筒繼續擺送；當導帶筒移出左、右進帶傳感器時，切帶夾開始工作，以縮短等待時間。

（4）切帶傳感器（陽明PL-05N）—安裝于切刀主軸側面，切刀主軸上安裝可以旋轉調整且有一點凸起的擋套，切帶傳感器以擋套上的一點凸起為標的物檢測切刀主軸的旋轉角度，調整主軸的旋轉角度來確定切刀的停止位置，切刀位置盡量調整到回刀死點位置，以增加切刀的進刀慣性，從而增加進刀的力量。

（5）切帶夾原點傳感器（陽明PL-05N）—安裝于切帶夾旋轉軸側面，切帶夾旋轉軸上安裝可以旋轉調整的大于90°的扇形擋套，切帶夾原點傳感器以擋套的扇形弧面為標的物檢測切帶夾的原點角度；擋套做成扇形的目的是增加檢測的行程，防止速度過快沖出檢測位置，造成原點丟失引發故障；切帶夾的原點角度以指爪中心和導帶筒拉出的胚帶對齊為宜。

（6）儲帶傳感器（歐姆龍E3JK-DS30M1）—安裝于儲帶盤斜坡中間位置一側，高于儲帶盤斜坡底部5 cm，內傾斜15°，需要根據不同顏色胚帶調整傳感器的感光強度。

（7）膠片色標傳感器（松下LX-101）—安裝于主機送膠片裝置導板微型十字滑臺上，根據不同圖案調整傳感器的位置，根據不同顏色調整色標傳感器的感光模式；松下LX-101色標傳感器發出長5 mm左右的一字形光標，與其他點狀光標傳感器相比，能更可靠地識別色標位置。

2.3.4 可編程控制器

可編程控制器接收人機界面、按鈕開關、傳感器等的信息，向下位機發出動作指令。可編程控制器選型時注意輸入接口類型和傳感器要匹配，傳感器輸出類型也要匹配統一；可編程控制器輸出接口只有選擇脈沖輸出型才能使用高速脈沖發出指令，高速脈沖發出接口至少要有4路才能滿足伺服電機和步進電機的使用要求；使用可編程控制器編輯程序時通過STL步進梯形圖指令把每一個動作段分步編輯，需要哪一個動作段時直接調用，可以把復雜的工序簡單模塊化。

2.3.5 打帶輪變頻器

打帶輪變頻器選型時注意要帶有和可編程控制器匹配的通信接口，以便通過人機界面調節速度；運行指令來源設定選擇“00-21=1”，外部端子控制；頻率指令來源設定選擇“00-20=1”，由通訊RS-485輸入；第一加速時間選擇“01-12=3S”，第一減速時間選擇“01-13=3S”，保證平穩啟動、停止，避免剛性沖擊引起震動。電機選擇120 W 1∶10速比的微型調速電機，既可以保證動力充足又可以平穩控制。

2.3.6 主機變頻器

主機變頻選擇1.50 kW 功率，對應電機（東元TEGH71M-4）0.37 kW運行指令來源設定選擇“00-21=1”，外部端子控制，第一加速時間選擇“01-09=0.1S”，第一減速時間選擇“01-10=0.1S”；這種大馬拉小車的配置目的主要是利用變頻器的快速電子制動執行頻繁的啟動和停止，從而減除原來的機械離合器，變頻器配置過小則快速啟停容易過電流報警。

2.3.7 拉帶伺服電機

拉帶電機采用400 W伺服電機，采用脈沖速度控制模式，力矩調整在30%，以降低啟停沖擊剛性；可編程控制器選擇PLSY脈沖輸出控制指令，運行長度由傳感器決定，不需要調整數據，速度由人機界面讀取、寫入。

2.3.8 切帶夾伺服電機

切帶電機采用400 W伺服電機，使用位置控制模式，力矩調整在60%，以保證合適的拉持力；可編程控制器的下拉和拔出動作選擇DRVA絕對位置控制指令，回位動作采用ZRN原點歸位指令。

2.3.9 送膠片步進電機

送膠片電機采用時代超群60HBP67AL4+ZD-2HD54步進電機，由于膠片有空白膠片和帶圖案膠片，送膠片電機控制有定長模式和定位模式，定長模式比較簡單，不再贅述；在定位模式下，先編寫一段定長程序，長度設定為所需膠片長度的80%，這段可以高速運行以節省時間，第二段20%長度以低速運行，速度過快則容易沖出色標檢測位置，當色標傳感器檢測到信號時立即停止、開始切帶，當低速運行長度超出膠片所需長度50%還沒有檢測到圖案色標時報警停機。

2.3.10 收帶鉤電機

收帶鉤電機采用時代超群60HBP67AL4+ZD-2HD54步進電機配時代超群PX57N010S0行星減速機，由于收帶鉤所需力量較小，以1個ZD-2HD54步進驅動器驅動2個60HBP67AL4步進電機，不僅節省了1個步進驅動器，還減少了1個可編程控制器高速脈沖輸出口的占用。可編程控制器使用PLSY指令，脈沖數量是5倍的步進驅動器細分數，正好收帶鉤旋轉180°換鉤。

3 結論

通過機電一體化綜合應用整合和優化，開發的小體型快捷、方便、高效全自動打束機實現了設計效果，與其他設備實際生產數據的對比如表1所示。

表1 3種機型設備的實際生產數據對比

由表1可知，應用新型全自動鞋帶打束機，操作方便、誤差小、品質穩定、生產效率高、適應性強、無油污，克服了大型自動鞋帶打束機體型龐大、機械零件專用復雜、調整困難、品質不穩定、維修困難等缺點，克服了小型手動束頭機勞動強度大、生產效率低、品質不穩定等缺點。