孔雪峰 崔 巍 劉東旭

(航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽(yáng)441003)

拉鏈作為服裝業(yè)的一項(xiàng)重要發(fā)明，長(zhǎng)期以來(lái)應(yīng)用十分廣泛。普通服裝的金屬拉鏈一般采用直接成型工藝，即將帶材通過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)備直接沖壓在拉鏈基礎(chǔ)布帶上，再進(jìn)行后續(xù)的表面處理工序。航空金屬拉鏈作為一種特殊用途的拉鏈，其生產(chǎn)工藝與普通拉鏈不同，采用的是先將拉鏈齒牙(也稱作“米牙”，下同)預(yù)先沖壓成型，再進(jìn)行表面處理，最后在拉鏈基礎(chǔ)布帶上進(jìn)行植齒成型的工藝。在這種工藝條件下，自動(dòng)植齒機(jī)作為工序關(guān)鍵過(guò)程設(shè)備就顯得尤為重要。因?yàn)樵O(shè)備過(guò)于專(zhuān)業(yè)，目前市場(chǎng)上無(wú)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備提供，只能自行研制。

1 主要技術(shù)指標(biāo)及功能要求

如圖1 所示，航空金屬拉鏈自動(dòng)植齒機(jī)所進(jìn)行的植齒工序就是把表面處理后的齒牙按工藝要求的齒牙寬度尺寸和植齒密度順序排在布帶條上并夾緊，同時(shí)保證:(1)植齒密度為每100 mm 布帶植齒31 ±1 個(gè)，齒牙間距均勻;(2)植齒速度為120～180 個(gè)/min，速度可調(diào);(3)植齒數(shù)量可任意設(shè)置并調(diào)整;(4)植齒過(guò)程中不能損傷齒牙鍍層;(5)自動(dòng)化程度高，安全防護(hù)功能齊全，工作穩(wěn)定可靠。

2 技術(shù)方案

根據(jù)上述的技術(shù)指標(biāo)和功能要求，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析和討論，我們認(rèn)為可將植齒工序的整個(gè)過(guò)程分解為齒牙有序排列、送料、植齒成型這3 個(gè)步驟，整個(gè)設(shè)備采用機(jī)械主體、伺服驅(qū)動(dòng)和PLC 控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:

2.1 齒牙的有序排列

我們采用振動(dòng)盤(pán)(圖2)對(duì)齒牙進(jìn)行有序排列。振動(dòng)盤(pán)是解決自動(dòng)排序、定向、上料的專(zhuān)用設(shè)備，它是由振動(dòng)板、電磁鐵、銜鐵、彈簧片、安裝座、減振膠墊組成。利用控制器產(chǎn)生與系統(tǒng)固有頻率相同的脈沖電流使電磁鐵勵(lì)磁后，系統(tǒng)發(fā)生共振，銜鐵及振動(dòng)板會(huì)快速地拉向電磁鐵。因?yàn)橄陆邓俣群芸?，所以物料?huì)浮在空中，并在重力的作用下落向料盤(pán)。接著在彈簧片的作用下，銜鐵及振動(dòng)板又被推回，這時(shí)使料盤(pán)內(nèi)的物料向前方移動(dòng)。該作用以3000～10000 次/min 或更高的次數(shù)反復(fù)進(jìn)行，使料盤(pán)內(nèi)的物料平滑移動(dòng)，不會(huì)造成對(duì)物料的損傷。振動(dòng)盤(pán)是一種成熟的產(chǎn)品，生產(chǎn)振動(dòng)盤(pán)的專(zhuān)業(yè)廠家很多。經(jīng)過(guò)分析比較，我們決定選用上海百分百公司的產(chǎn)品，送料速度可達(dá)100～300 個(gè)/min。

2.2 送料和植齒成型

在認(rèn)真分析植齒工藝要求后，借鑒拉鏈齒牙直排工作原理，確定設(shè)備采用間歇式工作方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)植齒，即齒牙和布帶同步輸送一個(gè)齒距后停止，擠壓植齒裝置在布帶上將齒牙擠壓至尺寸后等待下一個(gè)齒牙。如此同步送齒、拉帶→擠壓植齒動(dòng)作交替步進(jìn)循環(huán)，完成拉鏈植齒成型過(guò)程。

具體設(shè)計(jì)思路如下:(1)用一對(duì)滾輪夾緊布帶，滾輪與布帶不允許產(chǎn)生滑動(dòng)，滾輪牽引布帶每次前進(jìn)一個(gè)齒距。同步采用一對(duì)左右旋相對(duì)的絲桿組送料，絲桿組每轉(zhuǎn)一圈，齒牙均勻前進(jìn)一個(gè)齒距;(2)設(shè)計(jì)平移對(duì)擠壓緊機(jī)構(gòu)，將齒牙種植到布帶上。(3)設(shè)計(jì)成形絲桿力矩過(guò)載保護(hù)裝置和送料軌道末端的傳感器監(jiān)控裝置。當(dāng)成形絲桿傳動(dòng)力矩過(guò)大，說(shuō)明出現(xiàn)齒牙卡住現(xiàn)象，過(guò)載保護(hù)裝置使設(shè)備停機(jī)，需人工排除故障;送料軌道末端的傳感器監(jiān)控裝置監(jiān)視送料軌道中連續(xù)送料的齒牙，當(dāng)齒牙不能連續(xù)進(jìn)入絲桿時(shí)，說(shuō)明齒牙在送料軌道中被卡住，齒牙送不下來(lái)，傳感器監(jiān)控裝置使設(shè)備停機(jī)，由人工排除故障;(4)送料、送帶、擠壓植齒3個(gè)動(dòng)作由3 臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)機(jī)構(gòu)完成，實(shí)現(xiàn)同步精確輸送齒牙和布帶，保證成型后齒牙尺寸的一致性。

2.3 設(shè)備總體工作原理框圖(圖3)

2.4 電氣控制原理及設(shè)計(jì)過(guò)程

航空金屬拉鏈自動(dòng)植齒機(jī)的電氣控制系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制裝置、顯示操作單元和輔助控制裝置組成。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由3 臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器及其電動(dòng)機(jī)組成，其中一臺(tái)為主伺服，完成送料動(dòng)作，一臺(tái)為拉帶伺服，完成拉帶動(dòng)作，一臺(tái)為擠壓植齒伺服，完成植齒動(dòng)作。在一個(gè)植齒工作循環(huán)中，先是主電動(dòng)機(jī)和拉帶電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒牙和布帶送至預(yù)定位置，定位完成后，植齒電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)植齒機(jī)構(gòu)將齒牙壓緊在布帶上。

控制裝置為可編程控制器PLC，作為本機(jī)器的控制核心，PLC 完成所有控制功能，包括從觸摸屏接受指令控制伺服系統(tǒng)和輔助機(jī)構(gòu)運(yùn)行，反饋機(jī)器狀態(tài)信息給觸摸屏。

顯示操作單元為觸摸屏，機(jī)器操作和狀態(tài)顯示功能由該單元完成。

輔助控制裝置由阻齒機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、吹氣機(jī)構(gòu)、振動(dòng)盤(pán)、落齒檢測(cè)機(jī)構(gòu)等組成。其中，阻齒機(jī)構(gòu)完成阻齒和放齒動(dòng)作;壓緊機(jī)構(gòu)完成壓緊和放松布帶動(dòng)作;吹氣機(jī)構(gòu)完成吹氣功能;振動(dòng)盤(pán)完成齒牙排序和輸送功能;落齒檢測(cè)機(jī)構(gòu)可以對(duì)落齒進(jìn)行計(jì)數(shù)，在阻齒機(jī)構(gòu)的配合下確定機(jī)器植齒數(shù)量，同時(shí)通過(guò)PLC 的處理對(duì)是否缺齒牙、齒牙下落是否連續(xù)等進(jìn)行判斷。

控制系統(tǒng)框圖如圖4 所示。

3 研制難點(diǎn)

由于設(shè)備加工對(duì)象齒牙尺寸較小，齒牙附著的布帶是柔性的，工藝又要求成型后齒牙的鍍層必須完整無(wú)損傷，齒牙數(shù)量和間距控制精確。在這種情況下，為使設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定地自動(dòng)植齒，設(shè)計(jì)調(diào)試難度較大。

3.1 解決植齒連續(xù)性難點(diǎn)

從圖3 可以看出，齒牙在整個(gè)植齒過(guò)程中會(huì)依次經(jīng)過(guò)振動(dòng)盤(pán)、落齒軌道、送齒絲桿組、植齒機(jī)構(gòu)和滾輪拉帶機(jī)構(gòu)。其中，落齒軌道和送齒絲桿組的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)落加工齒軌道時(shí)要注意控制軌道內(nèi)腔與齒牙的間隙，既要使齒牙順利下落，又要保證齒牙在下落的過(guò)程中受到軌道約束不傾斜不翻轉(zhuǎn);同時(shí)軌道內(nèi)腔要光滑。在設(shè)計(jì)送齒絲桿組時(shí)也要注意確定合適的送齒絲桿初始端螺旋形狀和角度，保證齒牙順利從落齒軌道導(dǎo)入送齒絲桿組;同時(shí)左右旋送齒絲桿要完全對(duì)稱，絲桿組表面要光滑。

實(shí)際安裝調(diào)試過(guò)程中，配置數(shù)個(gè)壓縮空氣噴嘴對(duì)著落齒軌道吹氣，壓縮空氣內(nèi)混入揮發(fā)性強(qiáng)的微量潤(rùn)滑油，清潔潤(rùn)滑軌道以利齒牙下落。

為保證左右送齒絲桿初始角度在每次開(kāi)機(jī)后都保持一致，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用了伺服電動(dòng)機(jī)回零功能，開(kāi)機(jī)后執(zhí)行一次回零操作，伺服電動(dòng)機(jī)會(huì)自動(dòng)定位到設(shè)置好的零點(diǎn)位置，零點(diǎn)設(shè)置不變，零點(diǎn)位置也會(huì)保持不變，該位置對(duì)應(yīng)的就是送齒絲桿初始位置。

3.2 解決齒牙計(jì)數(shù)難點(diǎn)

對(duì)齒牙準(zhǔn)確計(jì)數(shù)是實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)植齒的前提，由于齒牙尺寸小、形狀不規(guī)則，解決這一問(wèn)題具有一定難度。如圖1 所示，單個(gè)齒牙開(kāi)口端有約2 mm 的開(kāi)口，當(dāng)齒牙從落齒軌道中下落時(shí)，齒牙開(kāi)口部分和頂端部分會(huì)依次通過(guò)同一固定點(diǎn)，如果在軌道某固定點(diǎn)設(shè)置一檢測(cè)裝置，只要能準(zhǔn)確識(shí)別出齒牙下落過(guò)程中開(kāi)口部分和頂端部分的形態(tài)變化，就能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。

設(shè)計(jì)中，選擇了德國(guó)SICK 公司的光電開(kāi)關(guān)，型號(hào)是WLL170 -2N132，配置型號(hào)為L(zhǎng)L3 -TB01 的對(duì)射光纖。該型光電開(kāi)關(guān)在配合對(duì)射光纖的情況下檢測(cè)距離為0～700 mm，完全滿足要求，且檢測(cè)靈敏度可調(diào)。將對(duì)射光纖正對(duì)落齒軌道安裝固定，發(fā)射光纖射出的激光穿過(guò)軌道射到接收光纖頭部，當(dāng)齒牙從軌道中依次下落時(shí)，由于開(kāi)口部分不會(huì)阻擋激光，頂端部分會(huì)阻擋激光，這樣接收光纖就會(huì)檢測(cè)到光線的明暗變化，每變化一次，就表明有一個(gè)齒牙經(jīng)過(guò)。PLC 輸入端對(duì)光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的通斷信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到的就是準(zhǔn)確的齒牙數(shù)。

3.3 設(shè)備保護(hù)功能設(shè)計(jì)

送齒絲桿組是整臺(tái)設(shè)備的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其安裝角度和位置的微小變化輕則引起齒牙鍍層損傷，重則無(wú)法順暢送齒。為保護(hù)絲桿免遭沖擊引起位置變化或損壞，我們利用了伺服驅(qū)動(dòng)器的扭矩限制功能。依據(jù)主伺服驅(qū)動(dòng)正常運(yùn)行時(shí)的扭矩值，適當(dāng)放大后設(shè)置為限制扭矩值，這樣，一旦驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到實(shí)際扭矩值超過(guò)限制扭矩值，就會(huì)停止工作，同時(shí)觸發(fā)報(bào)警。

在PLC 控制程序中，設(shè)計(jì)了缺齒報(bào)警功能。其原理是在設(shè)備加工過(guò)程中對(duì)連續(xù)兩個(gè)齒牙計(jì)數(shù)間隔進(jìn)行計(jì)時(shí)，如果時(shí)間值超過(guò)了依據(jù)設(shè)定植齒速度計(jì)算的理論值一定范圍，PLC 會(huì)停止設(shè)備運(yùn)行并報(bào)警。

4 研制完成情況及效果

如圖5 所示，制造完成的航空金屬拉鏈自動(dòng)植齒機(jī)采用鋁合金框架結(jié)構(gòu)，全封閉防護(hù)，外形簡(jiǎn)潔美觀，安全性好，噪音低。設(shè)備主要機(jī)構(gòu)布置于鋁合金臺(tái)面之上，打開(kāi)側(cè)門(mén)，將齒牙倒入振動(dòng)盤(pán)內(nèi)，把布帶導(dǎo)入夾帶壓帶拉帶機(jī)構(gòu)之中，即可操作設(shè)備按照設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)植齒工作。觸摸屏的主操作界面如圖6所示，操作按鈕、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備狀態(tài)均顯示于屏上，人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)便。

設(shè)備實(shí)際加工時(shí)，運(yùn)行連續(xù)穩(wěn)定，成型后的齒牙尺寸一致性好，齒距、齒數(shù)完全滿足工藝要求，成型后的齒牙鍍層未見(jiàn)損傷。設(shè)備性能及功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能滿足航空金屬拉鏈植齒生產(chǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了航空金屬拉鏈自動(dòng)植齒機(jī)的研制過(guò)程，詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)方案和設(shè)備工作原理。該設(shè)備研制成功，為采用特殊工藝生產(chǎn)金屬拉鏈提供了設(shè)備保證，采用此工藝生產(chǎn)的金屬拉鏈，美觀、高檔、大氣，能在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期使用。該設(shè)備設(shè)計(jì)思路和方法可用于研制其它規(guī)格植齒機(jī)，在高檔金屬拉鏈生產(chǎn)方面具有推廣價(jià)值。