調(diào)直切斷機定長工藝的分析與改進

盧黎明，楊培義，胡 星，劉海濤

（華東交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌330013）

調(diào)直切斷機定長工藝的分析與改進

盧黎明，楊培義，胡 星，劉海濤

（華東交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌330013）

針對東莞市Y企業(yè)鋼鐵線材工廠調(diào)直切斷機線材質(zhì)量精度較低的問題，提出調(diào)直切斷機定長切斷機構(gòu)的改進方案。在調(diào)直機機械定長結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析定長切斷系統(tǒng)存在較大誤差的主要原因，同時，結(jié)合當(dāng)前光電檢測與傳感器技術(shù)以及相關(guān)機械機構(gòu)的銜接性，設(shè)計出一套新型定長切斷系統(tǒng)幫助企業(yè)解決實際問題。通過工藝改進實證應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、可靠性高、質(zhì)量精度高等特點，能夠較大程度地減小定長切斷誤差，實現(xiàn)線材精確定長，提高生產(chǎn)效率。由此表明改進后的工藝具有一定的實用價值，對同行工藝改進具有指導(dǎo)意義和參考價值。

調(diào)直切斷機；定長切斷；光電檢測；誤差；精確定長

調(diào)直切斷機（以下簡稱調(diào)直機）是工業(yè)和建筑行業(yè)不可或缺的重要設(shè)備。東莞市Y企業(yè)主要生產(chǎn)鋼筋線材制成的拉絲制品和緊固件，公司致力于成為高品質(zhì)線材制造商，為國內(nèi)工業(yè)的發(fā)展貢獻自己的力量。目前企業(yè)主要有調(diào)直切斷機、拉伸機、精抽機、壓扁機等機械設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)間競爭的日益白熱化，客戶對線材產(chǎn)品質(zhì)量的要求愈發(fā)嚴(yán)格；因此，為迎合企業(yè)發(fā)展需求，提高調(diào)直切斷機生產(chǎn)線材的質(zhì)量精度已迫在眉睫[1]。目前,大多數(shù)企業(yè)的調(diào)直切斷機采用機械定尺定長機構(gòu)，大批量線材在定長加工時存在較大的誤差波動。對此，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者作出了相關(guān)機構(gòu)的改進或重新設(shè)計，其中2012年張軍保和關(guān)世才等進行了棒材生產(chǎn)線成品飛剪優(yōu)化剪切的研究[2]，2013年沈陽理工大學(xué)的陳百寧教授指導(dǎo)其學(xué)生丁立坤對金屬管材定長飛剪系統(tǒng)進行了研究和設(shè)計[3]，2014年東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院盧萌萌與朱凌云等作出基于Somachine的飛剪定長控制的研究[4]，2015年燕山大學(xué)盧秀春教授指導(dǎo)學(xué)生王建上作出的高精度定尺剪切研究[5]等等，雖然諸多學(xué)者對相關(guān)機構(gòu)細(xì)節(jié)進行了改進，但經(jīng)過驗證，改進的機構(gòu)只能解決一個或幾個問題，而不能解決該機構(gòu)存在的所有問題。本單位在企業(yè)的委托下，結(jié)合目前國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件，考慮到成本、可靠性、精度、操作靈活性等方面的問題以及各個機構(gòu)之間的銜接性和聯(lián)動性，開發(fā)出一套新型半自動化定長切斷系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定長，滿足客戶訂單質(zhì)量要求，提高生產(chǎn)效率，特別是減輕或取代特殊條件下的人工定尺勞動。

1 當(dāng)前調(diào)直機定長機構(gòu)

當(dāng)前定長機構(gòu)大多數(shù)屬于純機械式定長方式。這種方式僅適用于線材行進和剪切速度要求不高的場合，自動化程度較低，實物如圖1。

首先，原料線材處于盤條狀態(tài)放置在轉(zhuǎn)盤架上，盤條狀線材將會在牽引輥的作用下先通過調(diào)直輥進行調(diào)直校準(zhǔn)，然后穿過移動刀臺進入到定長槍槽。定長槍槽與移動刀臺之間靠螺栓進行連接，當(dāng)線材需要定長切斷時，工人將定尺塊人工移動到定長位置后緊固。接著，線材運行到定尺塊位置后帶動整個定長槍槽移動，移動刀臺移動到錘頭位置。錘頭不停的上下移動，移動刀臺在錘頭的撞擊下帶動刀具向下剪切線材。在移動刀臺向下切斷線材的同時，帶動落料壓桿向下使落料傳動桿旋轉(zhuǎn)一定角度，完成整個定長剪切工序[6]。

圖1 調(diào)直切斷機定長機構(gòu)Fig.1 Fixed-length mechanism of straightening and cutting machine

2 定長機構(gòu)問題分析

當(dāng)前調(diào)直機的機械式定長機構(gòu)造成了線材不能實現(xiàn)精確定長。通過企業(yè)現(xiàn)場觀察分析，定長設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)連切現(xiàn)象，定尺效率低下，尤其根據(jù)訂單要求在加工不同長度的線材時，工人每次必須通過用鋼尺重新測量來調(diào)整定尺塊的位置，定長精度誤差波動比較大；其次，當(dāng)線材調(diào)直后繼續(xù)向前行進時，線材頂?shù)蕉ǔ邏K后會出現(xiàn)一段較短的時間延遲才能把定長信號發(fā)送到切斷機構(gòu)，時間延遲的存在使得線材定長精度受到影響；除此之外，在線材接觸到定尺塊時，瞬時的碰撞對直徑較小的線材造成彎曲磨損，影響了線材定長精度。具體線材以品名為中碳鋼螺絲線橫截面為圓形的線材為例，其材質(zhì)為SWRCH 35 k，橫截面直徑規(guī)格為1.0～12.0 mm，訂單精度要求為：當(dāng)L≥1 000時，α≤2.0；當(dāng)L≤1 000時，α≤1.5，其中L為訂單線材長度，α為誤差精度，單位是mm。

經(jīng)分析總結(jié)，當(dāng)前調(diào)直機定長機構(gòu)不能實現(xiàn)精確定長的原因主要有4個方面:

1）錘頭周期性上下移動，定長槍槽回位不及時造成連切[7]，造成線材不合格；

2）人工調(diào)整定尺塊位置，導(dǎo)致定長精度易波動；

3）線材接觸到定尺塊后的時間延遲切斷導(dǎo)致定長精度受到影響；

4）定長槍槽中的定尺塊與線材的瞬間觸碰，造成碰撞性彎曲磨損。

經(jīng)反復(fù)驗證，上述問題均屬于原有機械式定尺機構(gòu)故障；因此，必須要對相應(yīng)機構(gòu)進行分析改進才能解決實際難題。

3 解決方案

針對定長機構(gòu)存在的主要問題，對機械式定長剪切系統(tǒng)作出改進，提出一套新型精確定長剪切方案，整體改進系統(tǒng)相關(guān)機構(gòu)如圖2。其中，1-移動導(dǎo)軌；2-夾緊機構(gòu)；3-切斷機構(gòu)；4-進料孔；5-定長標(biāo)尺；6-定長光電開關(guān)；7-落料擋板；8-定長底板。

圖2 調(diào)直機定長切斷機構(gòu)示意圖Fig.2 Fixed-length-cutting mechanism of straightening and cutting machine

定長工位總體結(jié)構(gòu)由進料孔、定長標(biāo)尺、定長光電開關(guān)和輔助落料擋板組成。其次，在線材進料處設(shè)有防擺口，進料孔的主要作用是引導(dǎo)調(diào)直后的線材進入定長工位，同時防止線材發(fā)生橫擺，影響定長精度；定長標(biāo)尺由兩根方形鋼材改造而成，其中一根裝有具有精確刻度的鋼尺，定長底板可以自由地在定長標(biāo)尺上來回滑動和固定；光電開關(guān)加裝在定長底板上，由紅外傳感器發(fā)射和接收裝置組成[8]。

改進時采用了光電傳感器這種非接觸式在線測量方式的控制設(shè)計[9]。用光電傳感器替換定尺塊完成相應(yīng)的定長動作及向切斷機構(gòu)發(fā)送切斷指令，不僅能夠降低人工勞動強度，而且消除了線材與定尺塊碰撞，減小了定長時間延遲產(chǎn)生的定長精度誤差。這種方法的應(yīng)用較大程度地解決了線材不能實現(xiàn)精確定長的主要問題，提高了線材產(chǎn)品質(zhì)量精度[10]。

除此之外，定長機構(gòu)中定長槍槽回位不及時造成的連切問題，具體是指線材在切斷瞬間產(chǎn)生時間延遲，造成回位彈黃回位不及時，最終導(dǎo)致線材連切，解決定長機構(gòu)中連切問題的關(guān)鍵就是如何將切斷動作和線材行進的關(guān)系隔離開或者是將刀臺及切斷驅(qū)動和線材狀態(tài)分開[11]。其中，圖2中夾緊機構(gòu)和移動導(dǎo)軌既完成了線材的夾緊、相對位置的整定任務(wù)，又為線材的切斷提供了基礎(chǔ)。具體解決連切問題的改進方案機構(gòu)如圖3，4。圖3中主要組成部分為：1-回位彈簧；2-夾緊機構(gòu)；3-切斷機構(gòu)；4-移動導(dǎo)軌。圖4中：1-底座緊固孔；2-夾緊油缸；3-動作桿；4-摩擦底座。

圖3 夾緊切斷臺Fig.3 Clamping mechanism

圖4 夾緊機構(gòu)Fig.4 Clamping mechanism

夾緊機構(gòu)的主要作用是完成對線材的固定、夾緊，使得線材和整個移動臺速度保持一致，達(dá)到相對靜止的狀態(tài)；切斷機構(gòu)的主要作用是根據(jù)圖2中光電傳感器發(fā)送過來的定長信號完成對線材的剪切動作，得到相對高精度線材；移動導(dǎo)軌的作用是在線材和移動臺一同向前行進時，提供可靠的移動路徑保證，在此過程中完成切斷動作；回位彈簧的作用是在線材完成剪切后，將整個夾緊移動臺恢復(fù)到初始位置完成下一周期的夾緊切斷動作[12]。

夾緊機構(gòu)由夾緊驅(qū)動油缸、動作桿、摩擦底座、底座緊固孔組成。當(dāng)接收精確定長信號后，夾緊油缸驅(qū)動動作桿將行進的線材固定在摩擦底座上，線材帶動整個夾緊機構(gòu)繼續(xù)向前行進，完成剪切機構(gòu)和線材之間的相對位置固定。其次，摩擦底座可以通過底座緊固孔進行快速地更換和緊固，應(yīng)對不同直徑線材的夾緊固定動作，這也使得此種設(shè)計方案比原有設(shè)備具有更為快捷的更換方式。

4 實踐效果

此設(shè)計方案呈現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢。光電傳感器的設(shè)計不但解決了當(dāng)前線材定長切斷生產(chǎn)過程中不能實現(xiàn)精確定長的問題，而且為后續(xù)的調(diào)直切斷機整體自動化控制奠定了堅實的基礎(chǔ)。除此之外，夾緊機構(gòu)的設(shè)計更是簡化了更換安裝零部件的工作流程。

實踐證明，當(dāng)客戶訂單線材長度L≤1 000 mm時,原有調(diào)直機的切斷長度誤差范圍控制在0≤α≤2.5 mm,改進后調(diào)直機的切斷長度誤差范圍在0≤α≤1.0 mm。當(dāng)L≥1 000 mm時,原有調(diào)直機的切斷長度誤差范圍在0≤α≤3 mm,改進后調(diào)直機的切斷長度誤差范圍變?yōu)?≤α≤1.5 mm。經(jīng)過機構(gòu)改進,提高了調(diào)直機的線材定長精度，滿足客戶訂單要求，同時降低工人勞動強度。

綜上所述,通過此項技術(shù)革新,提高了調(diào)直機的定長精度和調(diào)直機的可靠性、靈活性、穩(wěn)定性,簡化了機械結(jié)構(gòu),降低了勞動強度，同時增加了整體設(shè)備的技術(shù)含量；不僅提高了線材成品的檔次，而且提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率,為公司創(chuàng)造了不菲的經(jīng)濟效益,也為企業(yè)產(chǎn)品的市場推廣與營銷奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

1）采用非接觸式定長方式，光電傳感器的設(shè)計加裝，避免了線材在行進過程中由于定長造成的外力彎曲，消除了由于原有定尺塊產(chǎn)生的時間延遲效應(yīng)，提高了定長精度與工作效率。

2）光電定長開關(guān)的設(shè)計，當(dāng)線材因訂單需要更換定長尺寸時，只需要將光電定長開關(guān)所在的定長底座設(shè)置為相應(yīng)的刻度即可，方便快捷。

3）切斷時線材與切斷刀具等速同向移動設(shè)計，保證較好切口質(zhì)量的同時保證不會發(fā)生干涉，消除了定長機構(gòu)中存在的連切現(xiàn)象。總之，方案的改進設(shè)計，解決了當(dāng)前存在的主要問題。

[1]盧黎明，王云峰.調(diào)直切斷機轉(zhuǎn)轂調(diào)直機構(gòu)及液壓切斷系統(tǒng)的設(shè)計與分析[D].南昌：華東交通大學(xué)，2015.

[2]張軍保，關(guān)世才.棒材生產(chǎn)線成品飛剪優(yōu)化剪切的研究[J].電氣傳動，2012，42（7）：46-48.

[3]丁立坤.金屬管材定長飛剪系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].沈陽：沈陽理工大學(xué)，2013.

[4]盧萌萌，朱凌云.基于Somachine的飛剪定長控制[J].實驗室研究與探索，2014，33（10）：129-132.

[5]盧秀春，王建上.高精度飛剪定尺剪切精度研究[D].燕山：燕山大學(xué)，2015.

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[12]康雙琦.高速鋼筋切斷機液壓剪切系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].燕山：燕山大學(xué)，2006.

Research and Improvement of Fixed-length Process of Straightening and Cutting Machines

Lu Liming，Yang Peiyi，Hu Xing，Liu Haitao
（School of Mechanical&Vehicle Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Aiming at improving the wire quality precision of straightening and cutting machines in an armature wire factory in Dongguan,this paper proposes an improvement program of the fixed-length-cutting mechanism of straightening and cutting machines.On the basis of mechanical fixed-length mechanism of the straightening and cutting machines,the main reasons for higher errors in the fixed-length-cutting system are detailedly analyzed. Meanwhile,a new system of cut-to-length combining photoelectric detection and sensor technologies with the link of related mechanical mechanism is designed to solve enterprises’practical problems.With the application of real evidence through process improvement,the results indicate that this system has such features as sound stability,high reliability and superior quality precision,etc.,which can reduce the errors of fixed-length-cutting and maintain precise fixed-length to improve productivity.It can be seen that the improved process has certain practical value,providing peer companies with implication and reference.

straightening and cutting machines；fixed-length cutting；photoelectric detection；error；precise fixed-length

TP391

A

1005-0523（2017）02-0124-04

（責(zé)任編輯 劉棉玲）

2016－08－04

江西省自然科學(xué)基金項目（20142BAB206024，20161BAB206155）；江西省科技計劃項目（20143BBM26064）

盧黎明（1963—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為機械設(shè)計及自動化和車輛軸承。