□ 何克祥

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

1 設(shè)計背景

卷料輸送機是應(yīng)用比較廣泛的一種輸送機器，這種機器在運行中常見的、也是較難解決的故障現(xiàn)象是卷料跑偏。卷料在輸送過程中，由于機器制造及安裝誤差、卷料厚薄不均、張力波動等各方面原因，都會產(chǎn)生卷料跑偏現(xiàn)象，影響后續(xù)工序的正常進行。為此，通常設(shè)計一個調(diào)偏機構(gòu)或裝置，來滿足系統(tǒng)的整體要求。調(diào)偏機構(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］。針對原有調(diào)偏機構(gòu)的問題，筆者設(shè)計了卷料輸送調(diào)偏機系統(tǒng)。

2 問題分析

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

▲圖1 原有調(diào)偏機構(gòu)原理

3 調(diào)偏機系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

筆者設(shè)計的調(diào)偏機系統(tǒng)主要由滑動組件塊、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、步進電機、滑動塊及控制系統(tǒng)組成，如圖2所示。

3.2 工作原理

對調(diào)偏機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行簡化，得到簡化后調(diào)偏機系統(tǒng)的工作原理，如圖3所示。這一調(diào)偏機系統(tǒng)在工作中，通過步進電機帶動絲杠螺母機構(gòu)，再由螺母帶動調(diào)偏輥作直線運動［3］。同時，為了保證調(diào)偏輥沿某一條直線運動，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)定的方向運動。為了能實現(xiàn)兩個方向，即左右方向的糾偏，將調(diào)偏輥的平衡位置設(shè)計在直線導(dǎo)軌的中央位置。這樣，可以通過控制步進電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)左右兩個方向的糾偏。為了能自動實現(xiàn)對鋼帶位置的糾正，在這一系統(tǒng)中設(shè)置有對鋼帶位置進行檢測的光電檢測開關(guān)。根據(jù)光電檢測開關(guān)的信號信息，控制裝置向步進電機發(fā)出控制指令，實現(xiàn)對鋼帶的糾偏。

▲圖2 調(diào)偏機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

▲圖3 調(diào)偏機系統(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、傳動輥之間的摩擦力沿各個輥的軸向、切向分布不均勻，從而導(dǎo)致鋼帶走偏。對于鋼帶而言，調(diào)偏作用實質(zhì)上是通過調(diào)偏輥來調(diào)節(jié)鋼帶與調(diào)偏輥之間的摩擦力，從而使整個系統(tǒng)的摩擦力分布回到平衡狀態(tài)，即理想狀態(tài)［4-6］。調(diào)偏機系統(tǒng)的運動如圖4所示。

▲圖4 調(diào)偏機系統(tǒng)運動示意圖

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)偏輥最外移動端距離平衡位置為L，鋼帶的幅寬為H，正壓力分布系數(shù)為f，研究點到調(diào)偏輥中點的距離為l，調(diào)偏輥運動的方向V1與其在平衡位置的軸線方向成α角。

▲圖5 調(diào)偏機系統(tǒng)尺寸

對于調(diào)偏機系統(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］，表達式為：

式中：N0為鋼帶和調(diào)偏輥之間的初始壓力。

鋼帶和調(diào)偏輥之間的摩擦力FM為：

調(diào)偏機系統(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，可以通過控制變量 L和 α來控制FA和FT。對于變量L，可以通過控制步進電機的來控制。對變量α，可以通過調(diào)整底座來控制。

當調(diào)偏機系統(tǒng)裝配在生產(chǎn)線上后，α為某一定值，則對FA和FT的控制就可以通過對變量L的控制來實現(xiàn)。當然，為便于控制和提高控制精度，在系統(tǒng)中配置光電檢測開關(guān)，與控制單元組成一個簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)［9］。

調(diào)偏機系統(tǒng)在工作中，當鋼帶偏向左側(cè)時，光電檢測開關(guān)將檢測到的信號傳輸?shù)娇刂蒲b置，由控制裝置發(fā)出指令，使步進電機起動帶動絲杠右向轉(zhuǎn)動，拉動滑動組件塊沿軌道運動，使調(diào)偏輥沿右側(cè)轉(zhuǎn)軸右轉(zhuǎn)。同時，調(diào)偏輥又向右作平移運動，這樣調(diào)偏輥就對鋼帶施加了一個向右的調(diào)偏力，使鋼帶迅速右移。當鋼帶恢復(fù)中間位置后，控制裝置發(fā)出指令，使調(diào)偏輥迅速復(fù)位。

當鋼帶偏向右側(cè)時，光電檢測開關(guān)將檢測到的信號傳輸?shù)娇刂蒲b置，由控制裝置發(fā)出指令，使步進電機起動，帶動絲杠左向轉(zhuǎn)動，拉動滑動組件塊沿軌道運動，使調(diào)偏輥沿左側(cè)轉(zhuǎn)軸左轉(zhuǎn)。同時，調(diào)偏輥又向左作平移運動，這樣調(diào)偏輥就對鋼帶施加了一個向左的調(diào)偏力，使鋼帶迅速左移。當鋼帶恢復(fù)到中間位置后，由控制裝置發(fā)出指令，使調(diào)偏輥迅速復(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子可編程序控制器，步進電機采用調(diào)速控制。步進電機轉(zhuǎn)速n為：

式中：θ為步距角；fn為脈沖控制頻率。

可見，通過控制輸入步進電機的信號頻率，可以控制步進電機的轉(zhuǎn)速。

5 現(xiàn)場運行

筆者設(shè)計的調(diào)偏機系統(tǒng)安裝在彩虹集團網(wǎng)板有限公司的A5生產(chǎn)線上。

與原調(diào)偏機相比，新調(diào)偏機系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)雙向調(diào)偏，而且糾偏能力強，調(diào)偏速度快，運行性能良好，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，被該公司評定為優(yōu)級設(shè)備。

▲圖6 控制系統(tǒng)組成

6 結(jié)束語

根據(jù)實際生產(chǎn)情況，筆者對原卷料輸送調(diào)偏機的結(jié)構(gòu)進行了重新設(shè)計，將原只有單向調(diào)偏功能的調(diào)偏機設(shè)計為具有雙向調(diào)偏功能的調(diào)偏機系統(tǒng)。在所設(shè)計的調(diào)偏機系統(tǒng)中，調(diào)偏輥子與卷料之間的接觸面積大，不會壓傷材料，同時可實現(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。