孫國(guó)梁 王俊勃 馬 榛 姜鳳陽 彭文宏 張小峰

(①西安工程大學(xué)材料工程學(xué)院，陜西 西安 710048；②咸陽信合紡機(jī)器材有限公司，陜西 咸陽 712000)

鋼絲圈是最小的紡織器材之一，最輕的鋼絲圈只有3.8 mg。但是這不起眼的“小東西”卻蘊(yùn)藏著實(shí)現(xiàn)紡織高精尖科技發(fā)展的巨大能量[1]。環(huán)錠紡紗是最常見的紡紗技術(shù)，而鋼絲圈是環(huán)錠紡紗的關(guān)鍵器材，它的使用性能對(duì)成紗質(zhì)量及紡紗效率有很大影響[2]。鋼絲圈的制造精度直接影響著紡紗速度、紡紗水平、斷頭率和生產(chǎn)效率[3-5]。隨著紡織行業(yè)的發(fā)展，對(duì)鋼絲圈的使用性能要求越來越高,不僅要能適應(yīng)18 000 r/min及以上的高速工作狀態(tài)，還要有較長(zhǎng)的使用壽命[6]。為了改善鋼絲圈使用性能，業(yè)界展開了一系列研究，成果主要集中在基體材料改善、熱處理、表面處理等方面[7-10]。但是在鋼絲圈生產(chǎn)的眾多工序中，最重要的、決定產(chǎn)品型號(hào)的是“成型工序”。成型機(jī)的性能及加工精度對(duì)鋼絲圈的使用性能有決定性作用[11]。為了簡(jiǎn)化設(shè)備，提高鋼絲圈成型精度及柔性，本文引入自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)了鋼絲圈成型機(jī)床的控制方案，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)設(shè)計(jì)了傳動(dòng)方案及各工位機(jī)械結(jié)構(gòu)。

1 現(xiàn)用鋼絲圈成型機(jī)床

1.1 現(xiàn)用鋼絲圈成型機(jī)床結(jié)構(gòu)說明

目前，國(guó)內(nèi)鋼絲圈生產(chǎn)企業(yè)使用最多的是上世紀(jì)六七十年代設(shè)計(jì)的成型機(jī)床。鋼絲圈加工過程中，扁絲要經(jīng)過放料、校直、開窗、送絲、沖裁切斷、折彎成型及退料等工序。整臺(tái)設(shè)備的動(dòng)力源為一臺(tái)異步電機(jī)，電機(jī)通過帶輪將動(dòng)力傳遞到主軸，主軸采用凸輪排結(jié)構(gòu)將動(dòng)力傳送到各工位，如圖1所示。這種成型機(jī)床是典型的單輸入多輸出的純機(jī)械設(shè)備[12]。

1.2 現(xiàn)用鋼絲圈成型機(jī)床問題分析

國(guó)內(nèi)目前使用最多的鋼絲圈成型機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要問題在于自動(dòng)化程度底、成型精度不高。從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)來看，還存在柔性差、噪音大的問題。造成這些問題的主要原因在于：

(1)單輸入多輸出的傳動(dòng)模式要求設(shè)計(jì)復(fù)雜的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，這使得成型機(jī)床結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，給裝配、調(diào)節(jié)帶來諸多不便。

(2)機(jī)床設(shè)計(jì)于上世紀(jì)，當(dāng)時(shí)自動(dòng)化技術(shù)還不完善，設(shè)計(jì)中沒有應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)。

(3)由于機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配困難，使得成型中心模、刀具更換困難，調(diào)節(jié)不便。大多處于一物一機(jī)的水平，柔性較差。

(4)整臺(tái)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件眾多，工作過程中運(yùn)動(dòng)部分慣性很大，而且磨損無法補(bǔ)償，使得工作過程中振動(dòng)噪音很大。

(5)放料輪無動(dòng)力輸入，放料完全依靠扁絲拉拽，造成扁絲拉長(zhǎng)；設(shè)備多摩擦副，但磨損無法補(bǔ)償；另外模具、刀具等一些零件的調(diào)節(jié)完全憑借工人經(jīng)驗(yàn)，沒有量化、標(biāo)準(zhǔn)化。這些因素都會(huì)造成成型精度下降。

2 高速鋼絲圈成型機(jī)床設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

為了解決1.2中提到的問題，本設(shè)計(jì)引入自動(dòng)化技術(shù)，采用多輸入多輸出方式，以簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備自動(dòng)化程度。成型機(jī)床工位按放料工位、校直工位、開窗工位、送絲工位和成型工位依次排列，退料機(jī)構(gòu)配合成型機(jī)構(gòu)讓出鋼絲圈成型位置。圖2是自動(dòng)化控制流程示意圖，生產(chǎn)中，根據(jù)不同產(chǎn)品需求，PLC向變頻器1、伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器2發(fā)出相應(yīng)指令，變頻器及伺服驅(qū)動(dòng)按照來自PLC的指令調(diào)節(jié)放料電機(jī)、伺服電機(jī)和成型電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種自動(dòng)化方案可以通過改變PLC程序調(diào)節(jié)各工位協(xié)調(diào)工作。

2.2 放料工位設(shè)計(jì)

圖4是放料工位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，受PLC調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的放料電機(jī)動(dòng)力經(jīng)同步帶輪輸入放料工位。放料軸帶動(dòng)內(nèi)漲式放料輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)放料，內(nèi)漲式結(jié)構(gòu)可以夾緊不同直徑的扁絲料盤[14-15]。配重環(huán)將脫離扁絲料盤的扁絲下墜，當(dāng)扁絲被下墜到下限位傳感器時(shí)，PLC調(diào)節(jié)變頻器頻率減慢放料電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)扁絲上升到上限位傳感器時(shí)，PLC調(diào)節(jié)變頻器頻率加快放料電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種自動(dòng)控制的主動(dòng)放料方法，可以避免扁絲拉長(zhǎng)，提高鋼絲圈成型精度。

2.3 開窗工位設(shè)計(jì)

如圖5是開窗工位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。偏心軸套安裝于開窗軸端部，內(nèi)螺紋連桿兩端通過關(guān)節(jié)軸承與偏心軸套、刀座連接。偏心軸套隨開窗軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)螺紋連桿將帶動(dòng)刀座在直線導(dǎo)軌上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沖孔針隨著刀座往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)間歇沖孔動(dòng)作。偏心軸套加工有長(zhǎng)條孔，可用于調(diào)節(jié)各工位協(xié)調(diào)。更換產(chǎn)品型號(hào)時(shí)，通過測(cè)微頭調(diào)節(jié)成型前板左右移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)沖孔位置調(diào)節(jié)，測(cè)微頭讀數(shù)可以準(zhǔn)確控制調(diào)節(jié)位置，將調(diào)節(jié)量化、標(biāo)準(zhǔn)化。

2.4 送絲工位設(shè)計(jì)

圖6是送絲工位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。伺服電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)送絲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在壓緊輪的作用下，安裝于主動(dòng)送絲軸、從動(dòng)送絲軸上的主動(dòng)送絲輪、從動(dòng)送絲輪將向前推送扁絲。壓緊彈簧用于施加向下壓力，根據(jù)不同型號(hào)扁絲，調(diào)節(jié)螺栓可以調(diào)節(jié)壓緊彈簧的壓力。

2.5 成型工位設(shè)計(jì)

如圖7a是成型工位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。安裝于成型軸端、凸輪軸端、開窗軸端的偏心軸套都加工有長(zhǎng)條孔，通過長(zhǎng)條孔可以調(diào)節(jié)切斷刀、左側(cè)頂?shù)逗陀覀?cè)頂?shù)秴f(xié)調(diào)配合。內(nèi)螺紋連桿兩端都與關(guān)節(jié)軸承連接，通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)螺紋連桿可以調(diào)節(jié)內(nèi)螺紋連桿兩端關(guān)節(jié)軸承中心距，通過調(diào)大中心距可以補(bǔ)償?shù)毒吣p。內(nèi)螺紋連桿兩端通過關(guān)節(jié)軸承連接于偏心軸套、刀座。圖7b是成型工位局部放大圖。由于沖裁工藝成本低、效率高[16]，扁絲切斷采用沖裁方式。如圖切斷刀左側(cè)鑲嵌有硬質(zhì)合金刀頭，用于與走絲板配合沖裁切斷扁絲。切斷刀右邊的限位塊用于限制送絲長(zhǎng)度。為了提高設(shè)備柔性，成型工位設(shè)計(jì)有可以同時(shí)安裝多個(gè)中心模的模具座，更換產(chǎn)品型號(hào)時(shí)只需要旋轉(zhuǎn)模具座更換模具。

2.6 退料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8是退料機(jī)構(gòu)示意圖。凸輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，在復(fù)位彈簧及支點(diǎn)軸承的作用下，退料搖板將繞著支點(diǎn)軸承擺動(dòng)，而凸輪隨動(dòng)器一直緊貼凸輪外輪廓。退料搖板一端通過連接套筒與退料桿相連，退料搖板的擺動(dòng)，將帶動(dòng)退料桿沿著直線軸承做周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)周期往復(fù)退料動(dòng)作。為了更換生產(chǎn)鋼絲圈型號(hào)時(shí)縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，提高退料機(jī)構(gòu)柔性，在退料桿末端設(shè)計(jì)有適合多型號(hào)退料頂針安裝的安裝座。退料頂針設(shè)計(jì)為類似鋼絲圈圈形的半環(huán)形，這有利于提高退料可靠性。這種退料桿帶動(dòng)退料頂針的退料方式，中心模不動(dòng)，加上螺紋頂桿的作用，中心模穩(wěn)定性大大提高，這有利于成型精度提高。固定不動(dòng)的中心模末端，設(shè)計(jì)有退料導(dǎo)向件，用于引導(dǎo)退出鋼絲圈定點(diǎn)下落，便于收集。

3 結(jié)語

以紡織行業(yè)對(duì)鋼絲圈使用性能的要求為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有鋼絲圈成型機(jī)床在使用中存在的問題，設(shè)計(jì)的新型鋼絲圈成型機(jī)床性能相對(duì)于老設(shè)備有較大提升。設(shè)計(jì)中引入自動(dòng)化技術(shù)，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了生產(chǎn)效率，有利于降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。開窗工位使用測(cè)微頭，將更換型號(hào)后設(shè)備的調(diào)節(jié)量化、標(biāo)準(zhǔn)化，降低了設(shè)備調(diào)節(jié)對(duì)工人的技術(shù)要求，提高了開窗精度。成型工位可以同時(shí)安裝多個(gè)中心模的模具座，簡(jiǎn)化了更換產(chǎn)品型號(hào)時(shí)繁瑣的調(diào)節(jié)過程。放料工位的自動(dòng)化主動(dòng)放料設(shè)計(jì)可以避免扁絲拉長(zhǎng)或者放料過多；內(nèi)螺紋連桿的使用彌補(bǔ)了老設(shè)備磨損無法補(bǔ)償?shù)牟蛔悖煌肆蠙C(jī)構(gòu)避免了中心模具的運(yùn)動(dòng)，提高了中心模穩(wěn)定性；通過PLC控制的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)間歇定長(zhǎng)送絲。這都有利于提高鋼絲圈成型精度以滿足高速紡紗對(duì)鋼絲圈的性能要求。