陳 峰,陳吉興,李曉泉

(南京工程學(xué)院,江蘇 南京 211167)

0 引 言

無紡布被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、服裝、農(nóng)業(yè)、工業(yè)及民用等領(lǐng)域。無紡布在工業(yè)及民用領(lǐng)域中用于鋪地材料時,需根據(jù)客戶需求將寬幅卷材分切成多種規(guī)格的方塊片材?，F(xiàn)常用的方法有人工剪裁法和機器模切法。人工剪裁法勞動強度大,效率低;機器模切法效率高,但刀模規(guī)格多,易損壞,成本高。分切過后也一般采用人工收集的方法,自動化程度較低。針對上述問題,筆者設(shè)計了一種數(shù)控分切機,重點對糾偏、分切、收集進行設(shè)計優(yōu)化及運動仿真,仿真驗證了該裝置具有成本低、精度高、效率高、自動化程度高等特點。

1 分切機總體結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)

根據(jù)市場調(diào)研,擬設(shè)計一臺數(shù)控?zé)o紡布分切機。無紡布幅寬: 3 000 mm;無紡布克重: 50～650 g/m3;送料速度: 0～4 m/min可調(diào);縱切速度: 0～4 m/min可調(diào);橫切速度: 0.5 m/s。

FQ200型數(shù)控?zé)o紡布分切機可代替人工,將寬幅無紡布卷材分切成多種規(guī)格的長方塊片材。FQ200型數(shù)控?zé)o紡布分切機由卷材退卷機構(gòu)、送料分切機構(gòu)、片材收集機構(gòu)三部分組成,如圖1所示。其中卷材退卷機構(gòu)實現(xiàn)卷材的退卷,具有糾偏功能;分切部分可按設(shè)定尺寸實現(xiàn)縱切及橫切;收集部分可實現(xiàn)分切片材的整齊碼放。退卷糾偏、定長送料、分切及收集碼放由PLC控制。

圖1 分切機總體結(jié)構(gòu)

1.1 卷材退卷機構(gòu)

卷材退卷機構(gòu)由底部機座、放卷架及糾偏裝置組成。退卷機構(gòu)用于夾持代加工的布卷,在設(shè)備運行時,布卷作退卷運動[1]。再通過鏈傳動將動力傳送至退卷輥,如圖2所示。兩退卷輥旋轉(zhuǎn)速度及方向相同,用鏈傳動將動力從退卷輥傳送至另一個退卷輥,卷材至于兩放卷輥中間實現(xiàn)放卷,傳動原理如圖3所示。

圖2 卷材退卷 圖3 傳動原理

卷材在退卷后傳送至電剪刀下的過程中,布幅會發(fā)生偏移,不能保證被分切卷材尺寸的準(zhǔn)確性。為了使卷材在整個分切過程中處于指定的位置,一般通過一套糾偏系統(tǒng)實現(xiàn)。李會榮等[2]用絲桿螺母帶動燕尾結(jié)構(gòu)進行糾偏。糾偏系統(tǒng)通過傳感器檢測卷材的位置,通過電驅(qū)動器實現(xiàn)糾偏。糾偏裝置連接底部機座與放卷架以實現(xiàn)糾偏功能:設(shè)置對邊紅外光電開關(guān),檢測無紡布邊緣位置,通過數(shù)控系統(tǒng)控制糾偏電機正反轉(zhuǎn),經(jīng)滾珠絲杠使放卷架左右偏擺,實現(xiàn)自動糾偏,如圖4所示。

圖4 糾偏裝置

1.2 送料分切機構(gòu)

分切機構(gòu)是分切機中最重要的工作機構(gòu),它包括機架、底座、墻板一、墻板二、刀具、刀具支架、進刀和退刀機構(gòu)、兩組送料輥和張力輥機構(gòu)。分切機機構(gòu)如圖5所示。

圖5 分切機構(gòu) 圖6 張力輥機構(gòu)

墻板一和墻板二平行設(shè)置且對齊設(shè)置在底座上,墻板一和墻板二之間設(shè)有光軸和刀軸,刀軸上套設(shè)有若干刀架,刀架可沿著軸作直線移動。張力輥機構(gòu)、送料輥機構(gòu)、分切裝置、壓板機構(gòu)皆安裝在安裝墻板上,兩塊安裝墻板與一塊安裝底板通過四塊安裝板座連接固定,安裝板座固定在底架上。

張力對于材料的重要性不言而喻,分切機在快速啟動、快速停止以及中間連續(xù)調(diào)速中必須保證張力恒定[3]。張力決定了材料毛邊的剔除效果、分切斷面的整齊度及最終產(chǎn)品的質(zhì)量,張力輥機構(gòu)具體如圖6所示。

橫切刀具組件包括外刀架、氣缸、軸套、內(nèi)刀架、電剪刀,兩軸套與外刀架軸孔配合,與光軸孔軸配合,軸套通過螺栓固定在外刀架上,氣缸固定在外刀架上,運動端連接內(nèi)刀架,驅(qū)動內(nèi)刀架上下運動,內(nèi)刀架與外刀架屬于槽口配合,電剪刀固定在內(nèi)刀架上。螺栓的螺紋與內(nèi)刀架連接,螺栓的頭部卡在槽中,可以保證電剪的上升下降的軌跡更為穩(wěn)定。槽下方的開口也比較大,方便螺栓頭的安裝。槽的長度大于電剪刀行程的長度,可以不用擔(dān)心大槽口的影響,如圖7所示。縱切刀具組件除了電剪刀刀片方向少一個夾子結(jié)構(gòu),其他與橫切刀具組件相同。PLC控制著氣缸的運動,氣缸連接著電剪刀。橫切的工作完成后,氣缸上升,帶傳動帶著電剪刀回程。需要工作時,氣缸下降,帶傳動帶著電剪刀裁切布料。

圖7 橫切刀具 圖8 橫、縱切刀具位置

刀具組件兩個孔與兩根光軸孔軸配合,刀具可以沿著光軸移動,兩光軸軸線平行且在同一縱線上。光軸兩端通過臥式軸承座固定在安裝墻板上?？v切刀具數(shù)量位置由分切尺寸決定,縱切刀具固定在光軸上。電機減速機通過同步帶傳動帶動橫切刀具來回往返,放卷裝置放卷后經(jīng)接帶機構(gòu)至張力輥機構(gòu),穿帶機構(gòu)帶著卷材先至縱切刀具下,縱切刀具組件工作時由組件中的氣缸帶著刀具下移切割卷材,縱切后卷材被帶至橫切刀具下,橫切刀具被氣缸壓下,同步帶沿光軸移動切割卷材,如圖8所示。

送料輥側(cè)面圖如圖9所示。氣缸1安裝在氣缸座2上,氣缸座2通過螺栓固定在墻板上,氣缸1帶動滑塊3在導(dǎo)軌4作直線移動,輥軸5與滑塊3上的孔配合。伺服電機9通過同步帶輪8、同步帶7將動力傳送至輥軸,使得輥軸旋轉(zhuǎn),電機10在墻板上驅(qū)動同步帶輪11、同步帶12運動,同步帶12帶著橫切刀具沿著光軸移動。氣缸13通過氣缸座14固定于墻板外側(cè),氣缸13執(zhí)行端連接壓板一端,另一側(cè)的氣缸連接壓板另一端,氣缸帶著壓板上下移動。

圖9 送料輥側(cè)面1.氣缸 2.氣缸座 3.滑塊 4.導(dǎo)軌 5.輥軸 6.輥軸 7.同步帶 8.同步帶輪 9.伺服電機 10.伺服電機 11.同步帶輪 12.同步帶 13.氣缸 14.氣缸座 15.壓板

1.3 片材收集機構(gòu)

片材收集機構(gòu)由機架,托板機構(gòu),夾具機構(gòu),升降臺機構(gòu)組成,如圖10所示。

圖10 片材收集機構(gòu) 圖11 托盤機構(gòu)

分切后的片材自然滑入托板之上,片材的前端被夾緊機構(gòu)夾持,托板及夾具機構(gòu)等速水平移到收集升降臺上。托板機構(gòu)返回,使片材平穩(wěn)降落到收集升降臺上。夾具機構(gòu)返回,收集升降臺下降一個片材厚度。伺服電機給同步帶提供動力,托板通過夾板固定于同步帶,同步帶帶著托板移動,托住片材并與夾具配合將片材平穩(wěn)地置于升降臺上。托盤機構(gòu)包括托盤、同步帶輪、同步帶、軸座、光軸、光軸軸座,如圖11所示。

兩根光軸通過軸座安裝在底座上表面的兩側(cè),軸線平行,托盤結(jié)構(gòu)上兩個孔分別與兩個光軸孔軸配合,托盤兩邊的夾子機構(gòu)分別夾住兩邊的同步帶,同步帶帶著托盤沿著光軸移動。有研究者用天車懸托,但過于繁瑣,這是采用托板[4]。為了減少片材與托板接觸時的摩擦力,將托板設(shè)計成鏤空。夾具機構(gòu)包括夾具架、同步帶、同步帶輪、軸座、光軸、軸座如圖12所示。

圖12 夾具機構(gòu)

電機夾具架下方的夾子夾住同步帶,夾具架上方的夾子由氣缸控制加緊松開,夾持片材,松開片材。為了保證不夾到同步帶,將夾住片材的位置做成凸臺,夾具架上的孔與光軸配合作軸向移動。

升降臺機構(gòu)包括頂板、左絲桿、導(dǎo)桿、右絲桿、絲桿螺母、升降臺、錐齒輪、傳動軸、軸承座和底座,如圖13所示。

圖13 升降臺機構(gòu)

導(dǎo)桿通過軸承座固定在底座上,底板與頂板固定在四根導(dǎo)桿上。升降臺通過法蘭盤與導(dǎo)桿連接。左絲桿與右絲桿通過調(diào)心球軸承和推力球軸承固定在頂板與底板上。絲桿螺母固定在升降臺上,滾珠絲桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為升降臺的直線移動。傳動軸由軸承座固定在底座上。左絲桿的錐齒輪在傳動軸錐齒輪上方嚙合,右絲桿的錐齒輪在傳動軸錐齒輪的下方嚙合,保證左右絲桿螺母的移動方向一致。工作時,電機帶動斜齒輪旋轉(zhuǎn),斜齒輪通過傳動軸帶動傳動軸兩邊斜齒輪轉(zhuǎn)動,從而帶動升降臺上下移動。

2 關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計計算及有限元分析

2.1 帶傳動設(shè)計計算

已知電剪刀的質(zhì)量為10 kg,與之配合的光軸摩擦系數(shù)f=0.06,同步帶工作時的有效拉力,即橫切刀具在光軸移動的摩擦力為:

F=μmg=0.06×10×10=6 N

(1)

式中:F為摩擦力,N;μ為摩擦系數(shù);m為物體的質(zhì)量,kg;g為重力加速度,N/kg。

已經(jīng)測得卷材寬度3 000 mm,應(yīng)在3 s內(nèi)切完,可得帶輪線速度:

V=L/S=3 000/3=0.666 m/s=40 m/min

(2)

初步估算帶輪直徑d=100 mm,由此可計算帶輪轉(zhuǎn)速為:

n=v/πd=40/π×0.1=137 r/min

(3)

式中:v為速度,m/min;d為帶輪直徑,m。

已知電機啟動次數(shù) 6～10次/min×60=360～600次/h,16 h/日,參考文獻[5],可得工況系數(shù)KA=1.7,同步帶設(shè)計功率Pd:

Pd=KA×P×V=1.7×5×0.666=5.66 W

(4)

選擇L型同步帶,參考文獻[5],可得L型同步帶帶寬50 mm,節(jié)距P=9.535 mm,根據(jù)使用要求初定帶輪中心距a0=3 400 mm ,已知傳動機構(gòu)傳動比為1,故帶長為:

L0P=3a0+π/3(d1+d2)=5 114.159 mm

(5)

式中:d為帶輪直徑,mm。

帶輪齒數(shù)N=L0P/P=536.9,取N=537,同時確定同步帶周長:

L=P×N=5 114.935 mm

(6)

2.2 有限元分析

針對光軸進行分析,為了保證切割時光軸的性能足夠支持刀具的移動及固定,要求光軸在保證能夠能夠正常切削外,尺寸要盡量的小,以降低成本。初始設(shè)計光軸的直徑為Φ75,靜應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)該尺寸光軸能承受的應(yīng)力遠遠大于刀具所需要它承受的應(yīng)力,增加了不必要的浪費。故重新設(shè)計直徑為Φ50的光軸。靜應(yīng)力分析的位移、應(yīng)變、應(yīng)力圖如圖14～16所示。

圖14 位移 圖15 應(yīng)變

圖16 應(yīng)力

3 建模仿真

利用SolidWorks對整個分切機進行三維建模,利用其自帶的仿真功能進行運動仿真,如圖17所示。

圖17 整機運動仿真 圖18 運動過程

在SolidWorks的Motion模塊下,對已裝配好的機構(gòu)模型加載伺服馬達,進行一個機構(gòu)運動分析,產(chǎn)生可視化的機構(gòu)運動過程,如圖18所示。

仿真結(jié)果表明,該分切機運行正常,可以實現(xiàn)退卷、糾偏、定長分切、片材收集等功能。

4 結(jié) 語

隨著鋪地材料的普及,對分切成型工藝要求越來越高,而提升設(shè)備分切的精度、高適應(yīng)性、自動化程度有助于降低成本,提高行業(yè)競爭力。分切的工藝一般有三個流程:退卷-分切-收集。每個部分都受到多方面因素的影響,為了減少影響,提升產(chǎn)品分切進度及效率,改善產(chǎn)品的品質(zhì),提出了一種數(shù)控分切機設(shè)計方案。該裝置有三個創(chuàng)新點:①采用成本較低、易于維護的電剪刀代替昂貴的機器模切法中的刀模;②利用數(shù)控系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整分切材料的尺寸,克服定尺寸刀模的弊端;③利用數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)片材整齊碼放,完全代替人工碼放。最后通過仿真分析,驗證所設(shè)計分切機能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。該分切機成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高,對于提高工作效率,減少企業(yè)成本具有重要意義。