拉絲機(jī)收線工字輪邊緣檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)*

□ 謝永宏 □ 廖強(qiáng)華

深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 深圳 518055

1 設(shè)計(jì)背景

拉絲機(jī)是廣泛用于機(jī)械制造、五金加工、電線電纜等行業(yè)的機(jī)械設(shè)備［1］。成品鋼絲收線裝置是拉絲機(jī)中的重要部分，鋼絲經(jīng)過(guò)水箱拉絲機(jī)的拉拔之后，要精密均勻地纏繞在工字輪上，以便進(jìn)行后續(xù)的鋼絲生產(chǎn)，因此收排線是鋼絲生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［2-4］。

目前國(guó)外使用較好的排線機(jī)構(gòu)是德國(guó)生產(chǎn)的邊緣檢測(cè)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械接觸式測(cè)量工字輪左右邊緣。對(duì)于國(guó)內(nèi)的工字輪收線，主要利用行程開(kāi)關(guān)［5］、接近開(kāi)關(guān)［6］、擋板，在工字輪邊緣處使排線架換向，以達(dá)到左右排線的目的［7］。這種方式的主要缺點(diǎn)是接近開(kāi)關(guān)精度不高，皮帶的儲(chǔ)能作用導(dǎo)致動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，排線架換向不及時(shí)。此外，在某些拉絲機(jī)、裸線復(fù)繞機(jī)等場(chǎng)合，對(duì)工字輪的邊緣位置檢測(cè)采用人工定邊法，精度不高且效率低。

因收線時(shí)工字輪的邊緣位置標(biāo)定不夠準(zhǔn)確，使工字輪兩側(cè)隨著繞線的增多而產(chǎn)生擠壓，進(jìn)而出現(xiàn)繞線不勻、積線、疊絲等問(wèn)題。目前工字輪排線機(jī)構(gòu)控制多采用變頻器、可編程序控制器（PLC）等實(shí)現(xiàn)排線系統(tǒng)的在線檢測(cè)，技術(shù)相對(duì)比較成熟，而橫向架換向涉及到工字輪的邊緣檢測(cè)，因此提高工字輪的邊緣檢測(cè)精度可以有效改善目前的排線狀況［8-10］。

基于目前面臨的收線工字輪邊緣位置標(biāo)定不準(zhǔn)確而導(dǎo)致繞線不勻，進(jìn)而出現(xiàn)堆線、疊線及繞線疏松等問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種拉絲機(jī)收線工字輪邊緣檢測(cè)裝置，通過(guò)PLC、編碼器和位移傳感器實(shí)現(xiàn)工字輪邊緣位置的精確檢測(cè)和標(biāo)定［11］，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，收線可靠，幾乎能滿足各種線徑的鋼絲收線。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確認(rèn)所設(shè)計(jì)的拉絲機(jī)收線工字輪邊緣檢測(cè)裝置能實(shí)現(xiàn)對(duì)工字輪邊緣位置進(jìn)行精確檢測(cè)，從而能有效改善目前的排線狀況。

2 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

在原有23道次水箱拉絲機(jī)排線機(jī)構(gòu)L形支架的基礎(chǔ)上，在橫梁下面安裝所需要的氣缸、導(dǎo)軌等。其中導(dǎo)線輪內(nèi)安裝有軸承，鋼絲可以帶動(dòng)導(dǎo)線輪轉(zhuǎn)動(dòng)以減小鋼絲磨損。導(dǎo)軌潤(rùn)滑光滑，氣缸反應(yīng)較快。工字輪繞線機(jī)構(gòu)如圖1所示，所設(shè)計(jì)的拉絲機(jī)收線工字輪邊緣檢測(cè)裝置如圖2所示。

▲圖1 工字輪繞線機(jī)構(gòu)

▲圖2 邊緣檢測(cè)裝置

在L形支架上同時(shí)安裝氣缸、導(dǎo)軌及移動(dòng)桿，其中移動(dòng)桿前端安裝有兩個(gè)電渦流位移傳感器，用于檢測(cè)工字輪的左右兩邊內(nèi)側(cè)邊緣。檢測(cè)距離分別為c和d，當(dāng)達(dá)到這個(gè)距離時(shí)，傳感器給出信號(hào)，氣動(dòng)閥打開(kāi)，快速拉伸在導(dǎo)軌上的移動(dòng)桿向后移，不影響橫向架排線。橫向架還需移動(dòng)的距離為鋼絲到工字輪邊緣的距離，即 S1或 S2。

3 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

3.1 控制參數(shù)

如圖3所示，以左側(cè)邊緣為例，設(shè)鋼絲在工字輪上的排距為p，鋼絲從任意位置排列到工字輪邊緣所繞圈數(shù)為n，則鋼絲與邊緣的距離S1為：

式中：a為1號(hào)位移傳感器頂端到中心輪的距離；c為1號(hào)位移傳感器檢測(cè)值。

通過(guò)首次定邊作業(yè)，可得到參數(shù)n和c，當(dāng)鋼絲從能夠讀取c值時(shí)的位置排到工字輪邊緣位置時(shí)，編碼器所轉(zhuǎn)過(guò)的角度等于鋼絲在工字輪上繞制的圈數(shù)值。

由式（2）可以推得：

式中：c1為定邊過(guò)程中1號(hào)位移傳感器的檢測(cè)值。

將式（3）中得到的a值輸入上位機(jī)存儲(chǔ)。更換新的工字輪時(shí)，在排距p不變的情況下，由式（2）即可得到從當(dāng)前位置排到工字輪邊緣位置時(shí)，鋼絲在工字輪上繞制的圈數(shù)：

式中：n1為當(dāng)前繞制的圈數(shù)。

為了進(jìn)行精密檢測(cè)，可多次進(jìn)行排線試驗(yàn)，用c的平均值來(lái)精密控制繞線圈數(shù)n。在需要更換工字輪時(shí)，可采用n+Δn控制鋼絲繞制圈數(shù)，Δn為平均值偏差。

3.2 邊緣檢測(cè)工作原理

鋼絲完成最后一道拉拔，經(jīng)過(guò)導(dǎo)線輪纏繞在工字輪上。由于鋼絲的出線速度恒定，為了保證鋼絲張力的基本恒定，以及工字輪上繞線的平整度，因此要求鋼絲在工字輪的兩端不能出現(xiàn)積線和空隙。

通過(guò)電渦流位移傳感器檢測(cè)工字輪內(nèi)側(cè)邊緣距離導(dǎo)線輪中心軸線的距離a+c，通過(guò)上位機(jī)程序，計(jì)算并標(biāo)定工字輪左右邊緣位置，經(jīng)過(guò)編碼器控制導(dǎo)線輪橫向架進(jìn)行精確換向，從而實(shí)現(xiàn)可靠、平穩(wěn)的排線。

▲圖3 工字輪邊緣檢測(cè)標(biāo)注

3.3 控制流程圖

根據(jù)各個(gè)控制目標(biāo)，排線機(jī)構(gòu)的控制流程圖如圖4所示。

▲圖4 排線機(jī)構(gòu)控制流程圖

電機(jī)與絲杠直接連接，通過(guò)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)支架橫向運(yùn)動(dòng)。支架上裝有導(dǎo)線輪、氣缸、導(dǎo)軌，以及安裝在導(dǎo)軌上的滑塊。位置檢測(cè)端分別與氣缸前端和滑塊連接，檢測(cè)端前端裝有兩個(gè)位移傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)工字輪邊緣位置的檢測(cè)。

工字輪邊緣位置檢測(cè)方法為：位置檢測(cè)端在氣缸的作用下伸入工字輪，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)支架由任意初始位置向左移動(dòng)；當(dāng)工字輪左邊內(nèi)側(cè)邊緣進(jìn)入1號(hào)位移傳感器檢測(cè)范圍時(shí)，通過(guò)程序補(bǔ)償計(jì)算，標(biāo)定導(dǎo)線輪中心軸線上的鋼絲到達(dá)工字輪左內(nèi)側(cè)邊緣位置A1點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的支架位置為左極限位A2點(diǎn)，同時(shí)設(shè)定此時(shí)編碼器角度為0°。同理，采用2號(hào)位移傳感器標(biāo)定右極限位，此時(shí)編碼器讀數(shù)為左右極限位之間的角度差值，即支架在絲杠上的運(yùn)動(dòng)范圍。

位置檢測(cè)端通過(guò)氣缸的作用實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)完工字輪邊緣位置可縮回支架中，不影響正常排線作業(yè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。

支架左極限位置A2點(diǎn)的標(biāo)定根據(jù)S1=a+c求得，并同時(shí)設(shè)置編碼器的讀數(shù)為0。支架右極限位置B2點(diǎn)的標(biāo)定根據(jù)S2=b+d求得，此時(shí)編碼器角度為θ，則工字輪左右邊緣極限位置間的間距在編碼器中對(duì)應(yīng)的角度差為θ，即可代表絲杠螺母副的運(yùn)動(dòng)范圍。

按照編碼器在左右極限位置的角度差值，計(jì)算出電機(jī)正反轉(zhuǎn)換向控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)排線支架的換向控制。

在左極限位置A2點(diǎn)和右極限位置B2點(diǎn)設(shè)置限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)支架越過(guò)左右極限位置時(shí)，輸出機(jī)械越位報(bào)警。通過(guò)以上方法精確定位工字輪左右邊緣極限位置A2和B2，即可控制導(dǎo)向輪橫向架的精確換向，從而提高排線的可靠性和平整度。

4 檢測(cè)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

現(xiàn)有的23道次水箱拉絲機(jī)，進(jìn)線直徑為0.85 mm，出線直徑為0.11 mm。對(duì)原有排線系統(tǒng)改進(jìn)后，重新搭建試驗(yàn)平臺(tái)。

氣缸選用SMC公司生產(chǎn)的CM2系列標(biāo)準(zhǔn)型單作用氣缸，型號(hào)為CM2L20-75A，氣缸內(nèi)徑為20 mm，行程為75 mm，采用腳座型連接方式。

選用株洲中航科技生產(chǎn)的渦流傳感器作為位移傳感器，型號(hào)為ZA-GA06-08-090-002-01，螺紋長(zhǎng)度為75 mm，檢測(cè)范圍為2 mm。

導(dǎo)軌的精度要求很高，無(wú)論是表面粗糙度、平行度、平面度、剛度、滑動(dòng)系數(shù)及潤(rùn)滑性能，都有較高要求，移動(dòng)架與導(dǎo)軌接觸部分的質(zhì)量要求也較高。

PLC采用CPU226中央處理器模塊和EM231模擬轉(zhuǎn)換模塊，氣動(dòng)電磁閥選擇三位四通SMC系列不銹鋼電磁閥，型號(hào)為VX2112K-01-4G-B，工作壓力為1 MPa。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

將接入PLC的邊緣檢測(cè)開(kāi)始/結(jié)束按鈕取消，同時(shí)在觸摸屏上增加一個(gè)按鈕功能塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定邊的開(kāi)始與停止。為了能夠顯示兩邊位移傳感器測(cè)量的距離c、d，在屏上添加兩個(gè)功能塊，顯示 c、d值。

為了保證位移傳感器在伸出時(shí)的安全性，程序中設(shè)計(jì)只有A、B兩點(diǎn)的傳感器感應(yīng)到滑塊時(shí)氣缸才伸出，防止在工字輪邊緣處氣缸伸出，撞壞傳感器。按下定邊結(jié)束按鈕后，探頭自動(dòng)縮回。

在自動(dòng)定邊過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)速度的變化控制，增加兩個(gè)傳感器，分別安裝于絲杠A、B點(diǎn)上。將傳感器的信號(hào)分別加入PLC中I2.0、I2.1輸入點(diǎn)，通過(guò)編輯程序來(lái)成功實(shí)現(xiàn)速度在段快排段慢排。

在定邊操作時(shí)突然斷電，再次通電時(shí)，定邊過(guò)程可能自動(dòng)進(jìn)行，這樣很可能損壞傳感器，同時(shí)也使定邊無(wú)效，所以應(yīng)該在程序中設(shè)計(jì)定邊通電復(fù)位。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得a=30 mm，b=105 mm，工字輪左右兩邊邊緣檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果 mm

由表1可以看出，重復(fù)精度達(dá)到0.1 mm，基本能滿足要求。

試驗(yàn)前后的排線結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

5 總結(jié)

針對(duì)目前收線工字輪邊緣位置標(biāo)定不準(zhǔn)確的問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種拉絲機(jī)收線工字輪邊緣檢測(cè)裝置，克服現(xiàn)有邊緣位置檢測(cè)裝置的不足，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、檢測(cè)精度高、適用范圍廣等特點(diǎn)，這一裝置不再使用行程開(kāi)關(guān)和人工定邊，排線機(jī)構(gòu)區(qū)別于原有的擋塊、皮帶輪排線，使檢測(cè)精度和排線質(zhì)量大大提高。試驗(yàn)結(jié)果表明，重復(fù)精度達(dá)到0.1mm，所設(shè)計(jì)的拉絲機(jī)收線工字輪邊緣檢測(cè)裝置和控制原理能基本滿足檢測(cè)的精度要求。

▲圖5 試驗(yàn)前后排線結(jié)果對(duì)比