石平義，官春平，余 輝

（1.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510300；2.廣州昊志機(jī)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(jī)上應(yīng)用的電線類加工中，許多被加工件都需要在夾持后進(jìn)行裁斷和脫皮，而且需要高效、同步地完成。在現(xiàn)有技術(shù)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(dòng)范圍固定、結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhì)量得不到保證，而且給線材加工和相關(guān)產(chǎn)品裝配都帶來了一定的難度，針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、控制準(zhǔn)確的高效切斷脫皮裝置。

1 加工工藝與設(shè)計(jì)要求

1.1 線材加工工藝

線材在脫皮裁斷加工時(shí)，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(diǎn)，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(zhǔn)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(duì)傳統(tǒng)工藝的要求和市場(chǎng)現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)研，設(shè)計(jì)出工藝路線：送線動(dòng)作一般由專用送線機(jī)構(gòu)完成連續(xù)送線；夾線機(jī)構(gòu)完成線材的夾緊；拉線機(jī)構(gòu)將線夾住，拉到指定的長度實(shí)現(xiàn)切斷長度控制（篇幅所限，拉線機(jī)構(gòu)不作介紹）；裁切切刀將線切斷，同時(shí)帶一定溫度的脫皮刀將耳機(jī)線脫皮，然后下料收集，完成一次工藝，如此循環(huán)進(jìn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求。在耳機(jī)裁切熔斷過程中，有多個(gè)因素影響著成品質(zhì)量，如切刀刀口的形狀和材質(zhì)、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(jī)線的質(zhì)量和生效率。線材加工中，耳機(jī)線不同于普通線，其里面存在防彈絲，導(dǎo)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(shè)計(jì)該裝置時(shí)，需要選擇合適的刀具結(jié)構(gòu)及合理的裁斷方案。

針對(duì)以上問題提出裝置設(shè)計(jì)方案：特制刀具+加熱裝置+氣動(dòng)控制+連桿傳動(dòng)方式。

1.3.1 裁斷刀設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)如圖2 所示。從加工難度、成本和現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)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(shè)計(jì)要求

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

（2）保證安裝精度。安裝位置出現(xiàn)偏差時(shí)會(huì)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(jī)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(jié)構(gòu)組成

該裝置主要包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾線機(jī)構(gòu)、切斷脫皮機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)。切斷刀、脫皮刀成對(duì)安裝在與動(dòng)力推塊固結(jié)的固定塊上，且脫皮刀包括2。裁斷刀1 對(duì)，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(jī)構(gòu)、切斷脫皮力度微調(diào)機(jī)構(gòu)。

2.2 工作原理

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

圖3 裝置的布局和工藝動(dòng)作原理圖

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

3 裁斷脫皮裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖4 所示為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，該機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)由氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等組成。其作用是把氣缸的源動(dòng)力通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)傳送到連桿機(jī)構(gòu)，通過連桿實(shí)現(xiàn)動(dòng)力推塊的張開與閉合。另外，該機(jī)構(gòu)還包括了刀具閉合范圍微調(diào)機(jī)構(gòu)，通過微調(diào)旋鈕13實(shí)現(xiàn)動(dòng)力推塊的閉合范圍，從而實(shí)現(xiàn)適應(yīng)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(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 夾線機(jī)構(gòu)

圖5 所示為夾線機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。夾線機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)裁斷和脫皮動(dòng)作時(shí)的夾住線材，以防線材松散，方便后續(xù)工藝動(dòng)作。該機(jī)構(gòu)主要由氣缸、齒輪齒條、夾頭組成。其動(dòng)作原理是：當(dāng)氣缸伸出時(shí)，與氣缸相連接的夾頭42帶動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)，該齒輪齒條帶動(dòng)夾線夾頭43向與42相反的方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)相向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾頭的閉合與張開。

圖5 夾線機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 切斷脫皮機(jī)構(gòu)

圖6 所示為裁斷脫皮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，該機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)力推塊11、切斷刀23、24、脫皮刀30 和微調(diào)機(jī)構(gòu)組成。其中，微調(diào)機(jī)構(gòu)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(dòng)力推塊接受來自主動(dòng)力源的動(dòng)力并通過固定塊20 傳遞到各刀片上，實(shí)現(xiàn)刀的張開與閉合。微調(diào)機(jī)構(gòu)可以微調(diào)切斷刀與脫皮刀之間距離，實(shí)現(xiàn)脫皮長度的微調(diào)。

圖6 裁斷脫皮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 裝置的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

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

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制要求與控制流程

根據(jù)該裝置的機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理，制定了該裝置的動(dòng)作流程圖，如圖8所示。為明確控制對(duì)象及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，在初始狀態(tài)時(shí)，由人工先裝好線并拉到點(diǎn)Q，手動(dòng)模式操作設(shè)備控制系統(tǒng)，完成線材一端的裁斷；此后，動(dòng)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(dòng)作裁斷脫皮，直到設(shè)備停機(jī)。

圖8 裁切脫皮動(dòng)作流程圖

4.2 硬件設(shè)計(jì)

4.2.1 PLC的I/O分配

根據(jù)裁切脫皮動(dòng)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(diǎn)，11 個(gè)輸出點(diǎn)，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(hào)的PLC具有通信功能強(qiáng)，有利于工業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用，具有良好的靈活性能，該型號(hào)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(shè)計(jì)

項(xiàng)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(yùn)行于通用個(gè)人計(jì)算機(jī)或者工控機(jī)中，在Windows 環(huán)境下進(jìn)行編程的軟件。將其通過計(jì)算機(jī)的串口用一根編程電纜與PLC 的接口相連，即可進(jìn)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(dòng)、自動(dòng)等控制模式。按下電源啟動(dòng)開關(guān)，系統(tǒng)啟動(dòng)；按下急停開關(guān)，此時(shí)可選擇手動(dòng)、自動(dòng)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(jī)構(gòu)回到起始點(diǎn)，電機(jī)脈沖清零。

（2）系統(tǒng)啟動(dòng)。各個(gè)部分準(zhǔn)備就緒，完成上電后系統(tǒng)自檢，按設(shè)定的程序運(yùn)行。

（3）系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行。完成拉線、夾線、裁切、脫皮動(dòng)作循環(huán)運(yùn)行。

（4）系統(tǒng)故障。自動(dòng)復(fù)位或緊急停止，用于設(shè)備發(fā)生故障或者意外時(shí)緊急停止設(shè)備。

（5）系統(tǒng)暫停、停止。當(dāng)系統(tǒng)因工作暫停時(shí)，控制系統(tǒng)需要暫停并保持當(dāng)前位置和狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)動(dòng)作完成后，需要停機(jī)，整機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)并自檢[6]。

5 結(jié)束語

本文提出并設(shè)計(jì)的一種線材裁斷脫皮裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、安裝維護(hù)容易等特點(diǎn)；具有較高的自動(dòng)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(duì)多根線材進(jìn)行同步完成切斷和脫皮；具有一定的柔性，為企業(yè)應(yīng)用該裝置創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，也為相關(guān)企業(yè)的自動(dòng)化解決方案、工藝改進(jìn)等方面提供了借鑒與應(yīng)用價(jià)值。