卷料輸送調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

□ 何克祥

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西咸陽(yáng) 712000

1 設(shè)計(jì)背景

卷料輸送機(jī)是應(yīng)用比較廣泛的一種輸送機(jī)器，這種機(jī)器在運(yùn)行中常見(jiàn)的、也是較難解決的故障現(xiàn)象是卷料跑偏。卷料在輸送過(guò)程中，由于機(jī)器制造及安裝誤差、卷料厚薄不均、張力波動(dòng)等各方面原因，都會(huì)產(chǎn)生卷料跑偏現(xiàn)象，影響后續(xù)工序的正常進(jìn)行。為此，通常設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)偏機(jī)構(gòu)或裝置，來(lái)滿足系統(tǒng)的整體要求。調(diào)偏機(jī)構(gòu)性能的好壞直接影響到系統(tǒng)的整體精度和使用性能［1-2］。針對(duì)原有調(diào)偏機(jī)構(gòu)的問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了卷料輸送調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)。

2 問(wèn)題分析

如圖1所示，原有調(diào)偏機(jī)構(gòu)中，調(diào)偏輥一端通過(guò)鉸鏈形式安裝連接。調(diào)偏時(shí)，調(diào)偏輥另一端繞鉸接端左右擺動(dòng)，對(duì)鋼帶施加作用力，起到調(diào)偏作用。這種調(diào)偏機(jī)構(gòu)調(diào)偏力小，并且調(diào)偏速度慢。

▲圖1 原有調(diào)偏機(jī)構(gòu)原理

3 調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

筆者設(shè)計(jì)的調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)主要由滑動(dòng)組件塊、輥軸安裝耳、底座、推力軸承、橡膠輥、深溝球軸承、直線軸承、絲杠、螺母墊圈、步進(jìn)電機(jī)、滑動(dòng)塊及控制系統(tǒng)組成，如圖2所示。

3.2 工作原理

對(duì)調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到簡(jiǎn)化后調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)的工作原理，如圖3所示。這一調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)在工作中，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)，再由螺母帶動(dòng)調(diào)偏輥?zhàn)髦本€運(yùn)動(dòng)［3］。同時(shí)，為了保證調(diào)偏輥沿某一條直線運(yùn)動(dòng)，將調(diào)偏輥的支承放在直線軸承上，從而使調(diào)偏輥沿直線軸承規(guī)定的方向運(yùn)動(dòng)。為了能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向，即左右方向的糾偏，將調(diào)偏輥的平衡位置設(shè)計(jì)在直線導(dǎo)軌的中央位置。這樣，可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)左右兩個(gè)方向的糾偏。為了能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼帶位置的糾正，在這一系統(tǒng)中設(shè)置有對(duì)鋼帶位置進(jìn)行檢測(cè)的光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)。根據(jù)光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)的信號(hào)信息，控制裝置向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼帶的糾偏。

▲圖2 調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

▲圖3 調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)工作原理

4 控制系統(tǒng)

4.1 調(diào)偏原理

由于鋼帶和鋼帶導(dǎo)向輥、傳動(dòng)輥之間的摩擦力沿各個(gè)輥的軸向、切向分布不均勻，從而導(dǎo)致鋼帶走偏。對(duì)于鋼帶而言，調(diào)偏作用實(shí)質(zhì)上是通過(guò)調(diào)偏輥來(lái)調(diào)節(jié)鋼帶與調(diào)偏輥之間的摩擦力，從而使整個(gè)系統(tǒng)的摩擦力分布回到平衡狀態(tài)，即理想狀態(tài)［4-6］。調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)如圖4所示。

▲圖4 調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)示意圖

4.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

如圖5所示，設(shè)鋼帶和調(diào)偏輥之間的摩擦因數(shù)為μ，鋼帶和調(diào)偏輥之間的正壓力為N，調(diào)偏輥?zhàn)钔庖苿?dòng)端距離平衡位置為L(zhǎng)，鋼帶的幅寬為H，正壓力分布系數(shù)為f，研究點(diǎn)到調(diào)偏輥中點(diǎn)的距離為l，調(diào)偏輥運(yùn)動(dòng)的方向V1與其在平衡位置的軸線方向成α角。

▲圖5 調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)尺寸

對(duì)于調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)而言，鋼帶和調(diào)偏輥之間的摩擦因數(shù)μ、鋼帶的幅寬H為定值，鋼帶和調(diào)偏輥之間的正壓力N沿調(diào)偏輥線性分布［7-8］，表達(dá)式為：

式中：N0為鋼帶和調(diào)偏輥之間的初始?jí)毫Α?/p>

鋼帶和調(diào)偏輥之間的摩擦力FM為：

調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

式中：FA和FT分別為鋼帶和調(diào)偏輥之間摩擦力FM沿軸向和切向的分力。

4.3 控制原理

由式（3）、式（4）可知，可以通過(guò)控制變量 L和 α來(lái)控制FA和FT。對(duì)于變量L，可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的來(lái)控制。對(duì)變量α，可以通過(guò)調(diào)整底座來(lái)控制。

當(dāng)調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)裝配在生產(chǎn)線上后，α為某一定值，則對(duì)FA和FT的控制就可以通過(guò)對(duì)變量L的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，為便于控制和提高控制精度，在系統(tǒng)中配置光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)，與控制單元組成一個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)［9］。

調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)在工作中，當(dāng)鋼帶偏向左側(cè)時(shí)，光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)將檢測(cè)到的信號(hào)傳輸?shù)娇刂蒲b置，由控制裝置發(fā)出指令，使步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)帶動(dòng)絲杠右向轉(zhuǎn)動(dòng)，拉動(dòng)滑動(dòng)組件塊沿軌道運(yùn)動(dòng)，使調(diào)偏輥沿右側(cè)轉(zhuǎn)軸右轉(zhuǎn)。同時(shí)，調(diào)偏輥又向右作平移運(yùn)動(dòng)，這樣調(diào)偏輥就對(duì)鋼帶施加了一個(gè)向右的調(diào)偏力，使鋼帶迅速右移。當(dāng)鋼帶恢復(fù)中間位置后，控制裝置發(fā)出指令，使調(diào)偏輥迅速?gòu)?fù)位。

當(dāng)鋼帶偏向右側(cè)時(shí)，光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)將檢測(cè)到的信號(hào)傳輸?shù)娇刂蒲b置，由控制裝置發(fā)出指令，使步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)，帶動(dòng)絲杠左向轉(zhuǎn)動(dòng)，拉動(dòng)滑動(dòng)組件塊沿軌道運(yùn)動(dòng)，使調(diào)偏輥沿左側(cè)轉(zhuǎn)軸左轉(zhuǎn)。同時(shí)，調(diào)偏輥又向左作平移運(yùn)動(dòng)，這樣調(diào)偏輥就對(duì)鋼帶施加了一個(gè)向左的調(diào)偏力，使鋼帶迅速左移。當(dāng)鋼帶恢復(fù)到中間位置后，由控制裝置發(fā)出指令，使調(diào)偏輥迅速?gòu)?fù)位。

4.4 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)組成［9-10］如圖6所示。邏輯控制單元采用西門(mén)子可編程序控制器，步進(jìn)電機(jī)采用調(diào)速控制。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速n為：

式中：θ為步距角；fn為脈沖控制頻率。

可見(jiàn)，通過(guò)控制輸入步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)頻率，可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

5 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

筆者設(shè)計(jì)的調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)安裝在彩虹集團(tuán)網(wǎng)板有限公司的A5生產(chǎn)線上。

與原調(diào)偏機(jī)相比，新調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)偏，而且糾偏能力強(qiáng)，調(diào)偏速度快，運(yùn)行性能良好，調(diào)偏性能穩(wěn)定，使網(wǎng)板油漆線的生產(chǎn)效率得到提高，被該公司評(píng)定為優(yōu)級(jí)設(shè)備。

▲圖6 控制系統(tǒng)組成

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，筆者對(duì)原卷料輸送調(diào)偏機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將原只有單向調(diào)偏功能的調(diào)偏機(jī)設(shè)計(jì)為具有雙向調(diào)偏功能的調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)。在所設(shè)計(jì)的調(diào)偏機(jī)系統(tǒng)中，調(diào)偏輥?zhàn)优c卷料之間的接觸面積大，不會(huì)壓傷材料，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)偏，且調(diào)偏速度快，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，適用范圍廣，有良好的應(yīng)用前景。