一種線材裁斷脫皮裝置及其控制系統(tǒng)設計*

石平義，官春平，余 輝

（1.廣東輕工職業(yè)技術學院，廣州 510300；2.廣州昊志機電股份有限公司，廣州 511356）

0 引言

在各類線材的加工制造行業(yè)中，尤其是耳機上應用的電線類加工中，許多被加工件都需要在夾持后進行裁斷和脫皮，而且需要高效、同步地完成。在現(xiàn)有技術中，某些線材切斷脫皮的裝置通常存在切斷力度難以調(diào)整、切刀活動范圍固定、結構復雜、加工效率低下等問題。目前一些企業(yè)仍然采取人工自制刀具等裁斷方式[1]，不僅用工量大、生產(chǎn)效率低下、產(chǎn)品質量得不到保證，而且給線材加工和相關產(chǎn)品裝配都帶來了一定的難度，針對以上問題，設計了一種結構簡單、控制準確的高效切斷脫皮裝置。

1 加工工藝與設計要求

1.1 線材加工工藝

線材在脫皮裁斷加工時，具有數(shù)量大、長度長、柔軟的外皮包裹、內(nèi)含金屬等[2]特點，一般加工過程具有如下工藝要求：（1）高效的加工效率與工藝流程；（2）一次裝夾，固定多根線材同步送線；（3）裁斷脫皮同步完成，裁斷準確且整齊、脫皮完整且干凈；（4）裁斷口平齊，不能出現(xiàn)線頭，不夾傷外皮。

1.2 工藝過程

根據(jù)上述對傳統(tǒng)工藝的要求和市場現(xiàn)有技術的調(diào)研，設計出工藝路線：送線動作一般由專用送線機構完成連續(xù)送線；夾線機構完成線材的夾緊；拉線機構將線夾住，拉到指定的長度實現(xiàn)切斷長度控制（篇幅所限，拉線機構不作介紹）；裁切切刀將線切斷，同時帶一定溫度的脫皮刀將耳機線脫皮，然后下料收集，完成一次工藝，如此循環(huán)進行。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 裁斷、脫皮工藝流程圖

1.3 設計要求與分析

根據(jù)1.2 節(jié)所述工藝要求與流程，提出裝置的設計要求。在耳機裁切熔斷過程中，有多個因素影響著成品質量，如切刀刀口的形狀和材質、熔斷刀的夾緊力和脫皮的溫度等參數(shù)。選擇合適的參數(shù)，才能保證耳機線的質量和生效率。線材加工中，耳機線不同于普通線，其里面存在防彈絲，導致傳統(tǒng)的普通刀具和裁切方式難以切斷、裁斷不正確等現(xiàn)象，因此設計該裝置時，需要選擇合適的刀具結構及合理的裁斷方案。

針對以上問題提出裝置設計方案：特制刀具+加熱裝置+氣動控制+連桿傳動方式。

1.3.1 裁斷刀設計要求

（1）合理選擇刀具。線的種類不同，內(nèi)部的銅絲和防彈絲的量也不同，因而裁切的難度不同。根據(jù)要求裁斷口平齊，不能出現(xiàn)線頭，裁斷刀設計如圖2 所示。從加工難度、成本和現(xiàn)場的試驗效果綜合考慮，選擇平口式。

圖2 裁斷刀示意圖

（2）保證安裝精度，防止出現(xiàn)撞刀。

（3）安裝調(diào)節(jié)方便，磨損后容易更換。

1.3.2 脫皮刀的設計要求

（1）刀具的選擇。經(jīng)過多次實驗，平齒式的刀片在一定溫度下就可以將耳機線外皮脫掉，選擇平齒式刀片即可，為了便于導熱，選擇銅鋁合金材質刀片。

（2）保證安裝精度。安裝位置出現(xiàn)偏差時會出現(xiàn)斷口不齊或傷到內(nèi)部漆包線。

（3）溫度控制。保持恒溫且調(diào)節(jié)方便，注意高溫隔離，防止出現(xiàn)溫度傳到其他零件上，燙傷耳機線的外皮。

（4）熔斷刀的夾緊力可調(diào)，且安裝、更換方便。

2 裁斷脫皮裝置工作原理

2.1 結構組成

該裝置主要包括傳動機構、夾線機構、切斷脫皮機構、微調(diào)機構。切斷刀、脫皮刀成對安裝在與動力推塊固結的固定塊上，且脫皮刀包括2。裁斷刀1 對，該2 類刀具分別完成線材兩端的脫皮和切斷。另外，該裝置還包括脫皮長度微調(diào)機構、切斷脫皮力度微調(diào)機構。

2.2 工作原理

該裝置利用氣缸作為刀具運動的動力源，以連桿機構作為傳動部件，將動力傳遞到與連桿連接的動力推塊上，該動力推塊上連接安裝著一對裁切刀、兩對熱熔剝皮刀，由該動力推塊帶動各刀運動，配合拉線夾頭機構（輔助機構，篇幅所限本文不具體介紹）、夾線機構的輔助動作實現(xiàn)裁斷、脫皮動作。該裝置總體布局和工藝動作原理圖如圖3所示。

圖3 裝置的布局和工藝動作原理圖

圖中，點P為拉線機構初始位置，點Q為初始狀態(tài)人工上線線頭拉放到的位置。工藝動作開始時，連接刀具的動力推塊處于閉合狀態(tài)，拉線夾頭機構位于點P。拉線夾頭機構伸下夾頭夾線并向左運動一段距離，這時熱熔剝皮刀1完成線材一端脫皮；此后，夾線夾頭和動力推塊松開；拉線機構拉線向右運動一定距離后，動力推塊和夾頭閉和，裁斷刀再次實現(xiàn)線材另一端的裁斷；拉線機構繼續(xù)緩慢向右移動，剝皮刀2實現(xiàn)另一端脫皮；夾頭機構松開夾爪運動到點P，繼續(xù)以上循環(huán)動作。

3 裁斷脫皮裝置機械結構設計

3.1 傳動機構

圖4 所示為傳動機構結構示意圖，該機構主要設計由氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構等組成。其作用是把氣缸的源動力通過齒輪齒條機構傳送到連桿機構，通過連桿實現(xiàn)動力推塊的張開與閉合。另外，該機構還包括了刀具閉合范圍微調(diào)機構，通過微調(diào)旋鈕13實現(xiàn)動力推塊的閉合范圍，從而實現(xiàn)適應線材直徑、切斷脫皮力度的變化加工，使得裝置具有一定柔性。

圖4 傳動機構結構示意圖

3.2 夾線機構

圖5 所示為夾線機構的結構示意圖。夾線機構實現(xiàn)裁斷和脫皮動作時的夾住線材，以防線材松散，方便后續(xù)工藝動作。該機構主要由氣缸、齒輪齒條、夾頭組成。其動作原理是：當氣缸伸出時，與氣缸相連接的夾頭42帶動齒輪齒條運動，該齒輪齒條帶動夾線夾頭43向與42相反的方向運動，從而實現(xiàn)相向運動，實現(xiàn)夾頭的閉合與張開。

圖5 夾線機構的結構示意圖

3.3 切斷脫皮機構

圖6 所示為裁斷脫皮機構的結構示意圖，該機構主要由動力推塊11、切斷刀23、24、脫皮刀30 和微調(diào)機構組成。其中，微調(diào)機構主要由微調(diào)螺母27、微調(diào)螺桿28 和支撐板29 組成。其工作原理：動力推塊接受來自主動力源的動力并通過固定塊20 傳遞到各刀片上，實現(xiàn)刀的張開與閉合。微調(diào)機構可以微調(diào)切斷刀與脫皮刀之間距離，實現(xiàn)脫皮長度的微調(diào)。

圖6 裁斷脫皮機構的結構示意圖

圖7 裝置的總體設計結構圖

根據(jù)1～2節(jié)的介紹與分析，最終設計出該裝置的效果圖如圖7所示。

4 控制系統(tǒng)設計

4.1 控制要求與控制流程

根據(jù)該裝置的機構動作原理，制定了該裝置的動作流程圖，如圖8所示。為明確控制對象及控制系統(tǒng)設計奠定基礎，在初始狀態(tài)時，由人工先裝好線并拉到點Q，手動模式操作設備控制系統(tǒng)，完成線材一端的裁斷；此后，動作按照如圖8所示流程，從循環(huán)開始到循環(huán)最后的循環(huán)動作裁斷脫皮，直到設備停機。

圖8 裁切脫皮動作流程圖

4.2 硬件設計

4.2.1 PLC的I/O分配

根據(jù)裁切脫皮動作流程和PLC 控制系統(tǒng)的控制要求，列出PLC的I/O分配表如表1所示。

表1 PLC的I/O分配

4.2.2 PLC參數(shù)配置

從I/O 分配表可以得出，共需要19 輸入點，11 個輸出點，根據(jù)以上輸入/輸出數(shù)量，考慮留有20%余量以及成本[3],因此選用某款FX3U-48MT型的PLC，該型號的PLC具有通信功能強，有利于工業(yè)場景應用，具有良好的靈活性能，該型號的PLC的參數(shù)如表2所示。

表2 FX3U-48MT型PLC配置參數(shù)

4.3 軟件設計

項目選用的是三菱系列PLC，采用的編程軟件為GX Developer 中文界面編程軟件，其適用于三菱全系列的PLC 編程和調(diào)試，可以用LAD、SFC 和ST 方式來編程，可以運行于通用個人計算機或者工控機中，在Windows 環(huán)境下進行編程的軟件。將其通過計算機的串口用一根編程電纜與PLC 的接口相連，即可進行相互之間的通信[4]。編程軟件界面如圖9所示。

圖9 軟件編程界面

在本系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)具有手動、自動等控制模式。按下電源啟動開關，系統(tǒng)啟動；按下急停開關，此時可選擇手動、自動操作模式[5]。PLC控制程序可由如下幾部分組成。

（1）系統(tǒng)初始化。夾頭機構回到起始點，電機脈沖清零。

（2）系統(tǒng)啟動。各個部分準備就緒，完成上電后系統(tǒng)自檢，按設定的程序運行。

（3）系統(tǒng)循環(huán)運行。完成拉線、夾線、裁切、脫皮動作循環(huán)運行。

（4）系統(tǒng)故障。自動復位或緊急停止，用于設備發(fā)生故障或者意外時緊急停止設備。

（5）系統(tǒng)暫停、停止。當系統(tǒng)因工作暫停時，控制系統(tǒng)需要暫停并保持當前位置和狀態(tài)。當系統(tǒng)循環(huán)動作完成后，需要停機，整機恢復到初始狀態(tài)并自檢[6]。

5 結束語

本文提出并設計的一種線材裁斷脫皮裝置，具有結構簡單、操作方便、安裝維護容易等特點；具有較高的自動化程度和工作效率，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)切斷的長度和力度；可微調(diào)脫皮的長度和力度，一次性對多根線材進行同步完成切斷和脫皮；具有一定的柔性，為企業(yè)應用該裝置創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益，也為相關企業(yè)的自動化解決方案、工藝改進等方面提供了借鑒與應用價值。