聲吶浮標(biāo)電纜自動化表面粗化設(shè)備的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

楊茂祥 陳衛(wèi)華

（第七一五研究所，杭州，310023）

航空聲吶浮標(biāo)作為一種主要的航空反潛裝備，在固定翼反潛巡邏機(jī)和反潛直升機(jī)上廣泛使用。各型聲吶浮標(biāo)在探測或測量時(shí)接收的聲信號都是以電纜作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)[1-2]。由于工作環(huán)境原因，電纜與聲吶浮標(biāo)其他部件連接處需要進(jìn)行防水工序，而電纜表面粗化處理是進(jìn)行電纜防水預(yù)處理的重要環(huán)節(jié)。目前針對電纜粗化處理都是采用砂紙人工粗化方式實(shí)現(xiàn)，平均一根電纜需要2 min才能完成，該工序成為了該型產(chǎn)品生產(chǎn)過程的瓶頸之一。本文以工作實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種電纜表面粗化處理的自動化設(shè)備，模仿人工打磨過程設(shè)計(jì)了設(shè)備方案，并基于PLC編制了設(shè)備的運(yùn)行與控制系統(tǒng)。使用樣機(jī)對電纜進(jìn)行打磨，用于提高操作效率，降低人工粗化的不確定因素，提升粗化效果的一致性。

1 技術(shù)方案

1.1 電纜的粗化技術(shù)要求

圖1為電纜示意圖，圖中電纜須在距離右側(cè)30 mm處開始粗化，粗化長度30 mm。電纜直徑1.8～2.2 mm，要求：0.03 mm<粗化深度<0.1 mm，且粗化后表面無反光。由于電纜直徑僅2 mm左右，較柔軟，且粗化深度控制較為嚴(yán)格，太淺不能完成粗化效果，太深會對電纜的性能產(chǎn)生不利影響，因此在設(shè)計(jì)粗化工裝與設(shè)備時(shí)，粗化效果的控制應(yīng)重點(diǎn)考慮。其次，由于電纜需要完成特定長度的整周粗化，因此，需要設(shè)計(jì)合理可靠的機(jī)構(gòu)完成特定部分的粗化工作。

圖1 電纜示意圖

1.2 粗化實(shí)現(xiàn)機(jī)理選擇

人工采用 80目金相砂紙對電纜進(jìn)行粗化，片狀砂紙不易實(shí)現(xiàn)自動化，因此將粗化工具優(yōu)選為一種 80目圓柱形金剛石粗化打磨頭。將粗化打磨頭安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上，手持電纜左右移動可完成電纜的線狀粗化，依次旋轉(zhuǎn)可完成整周粗化。粗化時(shí)，通過控制粗化壓力、橫向移動速度與主軸速度可調(diào)節(jié)粗化深度，通過點(diǎn)至線、線至圓周可完成電纜整周的粗化工作。本文選擇該方式作為自動化粗化設(shè)備研發(fā)的基礎(chǔ)。

1.3 粗化方案設(shè)計(jì)

基于1.2節(jié)所述的自動化粗化機(jī)理，確定設(shè)備的整體實(shí)施方案，設(shè)計(jì)自動化機(jī)構(gòu)替代手工的動作與控制，如圖2所示。圖中，自動化粗化設(shè)備主要包括工作臺（100）、粗化機(jī)構(gòu)（200）、上粗化定位機(jī)構(gòu)（300）、下粗化定位機(jī)構(gòu)（400）及控制系統(tǒng)（110）；粗化機(jī)構(gòu)固定在工作臺上，包含了橫向運(yùn)動系統(tǒng)，可完成電纜（10）規(guī)定長度由點(diǎn)至線的粗化處理；上粗化定位機(jī)構(gòu)及下粗化定位機(jī)構(gòu)安裝在工作臺上，可相互配合完成電纜壓緊、電纜實(shí)時(shí)張緊及電纜旋轉(zhuǎn)等功能，配合粗化機(jī)構(gòu)可完成電纜整周的粗化工作。

圖2 自動化粗化設(shè)備整體方案圖

1.4 電氣控制系統(tǒng)

1.4.1 系統(tǒng)組成及工作原理

本套控制系統(tǒng)包含硬件及軟件部分，硬件主要由PLC、縱向運(yùn)動步進(jìn)電機(jī)、縱向運(yùn)動定位傳感器、橫向運(yùn)動步進(jìn)電機(jī)、橫向運(yùn)動定位傳感器、電動主軸、上下運(yùn)動氣缸、垂直壓緊氣缸、預(yù)拉力施加氣缸（4個(gè)）組成?？刂葡到y(tǒng)中以PLC為控制器，輸入信號由啟停開關(guān)、氣缸電磁開關(guān)、定位傳感器等組成，完成橫向定位、縱向定位、設(shè)備啟停、電纜壓緊、粗化頭輸送、預(yù)壓力施加等功能。輸出信號由控制變頻器、步進(jìn)電機(jī)控制器、蜂鳴器及報(bào)警燈等組成?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)組成

工作中，首先需回原點(diǎn)，此時(shí)縱向運(yùn)動機(jī)構(gòu)與橫向運(yùn)動機(jī)構(gòu)分別運(yùn)動至左右限位極限傳感器，并最終停留在原點(diǎn)傳感器位置處。此時(shí)，將電纜放置到指定工裝位置后，設(shè)備啟動，吸塵器開關(guān)、主軸電機(jī)信號打開，上下運(yùn)動氣缸電磁閥關(guān)閉、垂直壓緊氣缸電磁閥打開，預(yù)拉力施加氣缸電磁閥關(guān)閉，縱向運(yùn)動機(jī)構(gòu)及橫向運(yùn)動機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動，直至電纜粗化完成。粗化完成后，吸塵器開關(guān)、主軸電機(jī)打開信號關(guān)閉，上下運(yùn)動氣缸電磁閥打開、垂直壓緊氣缸電磁閥關(guān)閉，預(yù)拉力施加氣缸電磁閥打開，縱向運(yùn)動機(jī)構(gòu)及橫向運(yùn)動機(jī)構(gòu)停止并回原點(diǎn)，準(zhǔn)備下一次電纜的粗化處理工作。

1.4.2 硬件選型

（1）PLC控制器

PLC作為核心控制部分，負(fù)責(zé)采集、分析與處理電磁開關(guān)、傳感器等輸入信號，并輸出信號控制步進(jìn)電機(jī)控制器與變頻器，以控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行相關(guān)動作。PLC主要根據(jù)輸入輸出信號的類型與點(diǎn)數(shù)多少選擇，本系統(tǒng)中，輸入輸出點(diǎn)數(shù)各 13個(gè)，高速脈沖2個(gè)，根據(jù)上述要求選用相應(yīng)型號的PLC。

（2）縱向運(yùn)動步進(jìn)電機(jī)

根據(jù)粗化縱向運(yùn)動要求：可轉(zhuǎn)動長度>20 mm，最大負(fù)載為 10 kg，傳動形式為齒輪齒條傳動，齒輪模數(shù)1.5、齒數(shù)12。依據(jù)上述要求，經(jīng)計(jì)算后選用相應(yīng)型號的步進(jìn)電機(jī)。

（3）橫向運(yùn)動步進(jìn)電機(jī)

根據(jù)粗化橫向運(yùn)動要求：橫向粗化長度>50 mm，設(shè)計(jì)運(yùn)動長度>150 mm，最大負(fù)載為15 kg，傳動形式為齒輪齒條傳動，齒輪模數(shù)1.5、齒數(shù)12。經(jīng)計(jì)算，選用相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)，可完成預(yù)定要求。

1.4.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)基于PLC的自動粗化軟件，軟件應(yīng)許可在界面設(shè)置粗化過程的基本參數(shù)，分為手動與自動模式，可調(diào)整粗化速度、粗化長度等參數(shù)?；诖嗽O(shè)計(jì)的軟件界面如圖4所示。

圖4 自動粗化設(shè)備軟件界面圖

對電纜進(jìn)行粗化時(shí)，在打開設(shè)備總開關(guān)后，如設(shè)備報(bào)警，經(jīng)檢查無問題后點(diǎn)擊報(bào)警復(fù)位，點(diǎn)擊軟件上虛擬轉(zhuǎn)扭，切換到手動狀態(tài)，點(diǎn)擊“X軸電源”、“Y軸電源”給橫向運(yùn)動步進(jìn)電機(jī)與縱向運(yùn)動步進(jìn)電機(jī)供電，點(diǎn)擊“X 軸回原點(diǎn)”、“Y 軸回原點(diǎn)”，橫向運(yùn)動機(jī)構(gòu)與縱向運(yùn)動機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動，找到設(shè)備兩個(gè)軸的原點(diǎn)位置。完成回歸原點(diǎn)后，將電纜放置在粗化位置，按動啟動按鈕，設(shè)備開始進(jìn)行粗化工作，直至粗化完成。

如需要調(diào)整粗化長度，可調(diào)整軟件界面上“X軸定位位置 1”與“X軸定位位置 2”后的數(shù)值文本，兩個(gè)數(shù)值之差就是粗化長度。如需調(diào)整橫向運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度，可調(diào)整軟件界面上的“X軸自動速度”后的數(shù)值文本；如需調(diào)整縱向運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度，可調(diào)整軟件界面上的“Y軸自動速度”后的數(shù)值文本；“Y軸移動距離”用于調(diào)整電纜每次滾動的距離，線纜粗化次數(shù)用于控制電纜完成整周粗化需要進(jìn)行多少次完整的橫向運(yùn)動。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 粗化效果

為了驗(yàn)證本電纜自動化表面粗化設(shè)備的正確性，試制了樣機(jī)，如圖5所示。應(yīng)用本設(shè)備對電纜進(jìn)行了粗化試驗(yàn)，粗化后的電纜如圖6所示。粗化效果主要從兩方面判斷。

圖5 自動粗化設(shè)備

圖6 打磨效果圖

第一，電纜粗化完成度。在對 10根電纜進(jìn)行粗化后，經(jīng)過判斷，所有粗化部分除兩端1 mm內(nèi)，均無遺漏的完成粗化，設(shè)備完成了中間28 mm電纜的粗化工作。由于設(shè)備軟件的設(shè)計(jì)，縱向運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動時(shí)，橫向運(yùn)動機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動，所以電纜兩端 1 mm內(nèi)存在粗化不完整情況，此屬正常現(xiàn)象，不影響產(chǎn)品質(zhì)量。將粗化打磨頭的橫向移動距離設(shè)置為32 mm，則可保證電纜粗化30 mm的粗化長度。

第二，電纜粗化深度。對上述10根電纜進(jìn)行粗化深度測量，測量結(jié)果見表1。數(shù)據(jù)表明：0.03 mm <電纜粗化的深度<0.1 mm，對其外觀進(jìn)行觀察，表面無反光。粗化結(jié)果滿足生產(chǎn)要求。

表1 粗化后電纜測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.2 靜水壓試驗(yàn)

為了驗(yàn)證粗化效果是否符合要求，需要對粗化后的電纜進(jìn)行灌注，并參照工藝規(guī)程進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)。對上述 10根電纜進(jìn)行了灌注，灌注后無明顯異常，后進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)后對電纜進(jìn)行了拉伸扭曲操作，模擬實(shí)際工作環(huán)境。試驗(yàn)結(jié)束后，首先測量電纜絕緣，絕緣全部符合要求；然后剪斷電纜，發(fā)現(xiàn)粘接良好，電纜內(nèi)無進(jìn)水現(xiàn)象。表明使用本設(shè)備粗化后電纜的粗糙度滿足粘接灌注要求。

3 總結(jié)

本文主要對浮標(biāo)電纜自動粗化設(shè)備硬件及軟件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并應(yīng)用設(shè)備對 10根電纜樣品進(jìn)行了自動化粗化試驗(yàn)，其粗化完成度及深度均滿足生產(chǎn)要求，驗(yàn)證了本設(shè)備的有效性和可靠性。但針對過粗的柔性較低的電纜，本設(shè)備并不適用。本文電纜自動粗化的實(shí)現(xiàn)可為同行提供借鑒意義。