细金属丝精确定长进丝和剪切系统设计

李本海， 颜敏， 郝利， 王越， 高梅香

（1.机械科学研究总院，北京 100044，2.山东省济宁市兖州区职教中心，山东 济宁 272000）

0 引言

在实际生产中经常会遇到细金属丝（如钢丝、铁丝、铝丝、银丝等）的精确定长切断问题不好解决。例如：在电光源行业需耗用大量各种规格形状丝类零件，通常需要采用多种设备完成；在金丝自动配称系统中，金锭在熔炼之前需要对原料进行粗称重和精确配称两个过程以精确控制重量（精度为0.01 g）。精确配称过程就是将直径为1 mm的金丝根据每一罐金锭和目标值的差值，精确定长进丝并剪切。由于长度要求很短,数量多,而且精度要求较高,如果用人工或者是一般剪床定长切断，效率及合格率都较低。

为了实现细金属丝的定长剪切功能，同时提高自动化水平和生产效率，减轻生产者的劳动强度，本文对细金属丝精确定长进丝和剪切系统进行了设计研究。

由于细金属丝容易弯曲变形，在定长剪切之前，需对金属丝施加张力，使其矫直，以便消除弯曲带来的误差。同时，细金属丝依靠一对喂料轮通过摩擦向前输送，对伺服电机的位置控制精度和防止打滑的措施也提出了更高的要求。

该系统的核心内容是张力控制、速度控制和位置控制，从而实现连续精确定长进丝和剪切。

1 系统的方案设计

1.1 总体方案

系统组成原理如图1所示。选用2台交流伺服电机分别驱动张力轮和喂料轮，通过对两轮的速度差控制，实现张力控制；通过对喂料轮进行精确位置控制，实现精确定长进丝；剪切机构为气缸驱动上裁刀往复运动方式。使用西门子触摸屏实现人机交互，选用PLC为控制系统。

张力传感器的作用是为张力控制提供闭环控制。根据需要选配精度为0.01 g的天平，为位置控制提供闭环控制。

1.2 系统组成

1）开卷机构。金属丝的来料状态为卷状，通常缠绕在丝筒上。为实现开卷，丝筒被支撑在丝轴上。在开卷过程中，由于丝筒的惯性，丝筒不会马上停止转动，这就会造成丝卷散落下来。为了防止由于丝筒惯性造成松卷，将一个小型磁粉制动器安装在丝轴后端，并调节好所需的制动扭矩。

2）张力控制系统。张力控制系统由张力轮机构、喂料轮机构和张力传感器组成（如图1所示）。该系统对金属丝施加张力，使其矫直。

图1 系统组成原理图

其中，张力轮机构是由伺服电机驱动的传动轮1和气缸驱动的压紧轮1组成；喂料轮机构是由伺服电机驱动的传动轮2和气缸驱动的压紧轮2组成。

张力轮的伺服电机采用速度控制模式。

喂料轮机构实现2个功能：定长进丝和张力控制。喂料轮的伺服电机采用位置控制模式。喂料轮机构与张力轮机构相同，只是电机的转速略有差异。通过控制两个电机的微小转速差，使金属丝具有一定的张紧力。根据金属丝材料的不同，当需要较小的张力时，张力轮转速就快一些，当需要较大的张力时，张力轮转速就慢一些。

张力传感器如图2所示，金属丝绕过传感器的3个轮，通过对中间轮的压力感知来控制张力轮的转速。

图2 张力传感器

3）定长进丝控制系统。金属丝的定长进丝是由伺服电机驱动的喂料轮机构完成，伺服电机的控制方式是采用位置控制模式。因为位置控制模式可以同时对速度和位置进行严格的控制，所以适用于定位装置。

根据进丝长度的精度要求，合理选取喂料轮的直径、编码器的分辨率和伺服电机的指令脉冲数，必要的时候再选取合适的伺服电机用精密减速机，就可以满足剪切长度的精度要求。

4）剪切机构。剪切机构为气缸驱动上裁刀往复运动形式。上裁刀通过浮动机构可以紧贴在下裁刀的表面上，从而实现上、下裁刀间零间隙自由滑动，保证金属丝切口质量的完美。

上、下裁刀由工具钢磨削加工。在裁刀入口前可以根据金属丝的粗细自由设置导线管，引导金属丝进入裁刀。

2 结构设计

该系统主要由丝轴机构、张力轮机构、喂料轮机构、剪切机构等几部分机械装置组成，下面重点介绍喂料轮机构、剪切机构。

2.1 喂料轮机构

如图3所示，喂料轮机构包括伺服电机1、电机连接座2、弹性联轴器3、轴承座 4、齿轮5、传动轮 6、压紧轮7、齿轮8、轴端支撑9、气缸10。其中齿轮5和齿轮8为一对齿轮副，传动比为1∶1；齿轮5与传动轮6由键连接在一起，齿轮8与压紧轮7由键连接在一起。

图3 喂料轮机构图

防止打滑是喂料轮机构设计时的重点考虑内容，本文通过两个方面的措施来解决：

1）两轮均为主动轮。传动轮6和齿轮5在伺服电机的驱动下转动，同时齿轮5将运动传递给齿轮8，带动压紧轮7以同样的转速转动，但转动方向相反，从而形成一对喂料轮，将金属丝向前输送。

2）材料的选取。传动轮6由耐磨的金属材料制成，与之配副的压紧轮7选用聚氨酯材料，以提高摩擦力。

气缸的作用是驱动压紧轮上下运动，以方便金属丝的穿线。

2.2 剪切机构设计

如图4所示，剪切机构由气缸 1、螺钉 2、弹簧3、上裁刀连接板4、上裁刀5、金属丝 6、下裁刀 7、下裁刀连接板8组成。下裁刀开有供金属丝穿过的孔，上裁刀和下裁刀有一定的重叠量，在浮动机构的作用下使两裁刀紧密贴合。

气缸1用于驱动上裁刀往复运动。气缸1是通过螺钉2、弹簧3连接在机架上，形成浮动机构。气缸1在受到外力时可以相对机架运动，此种设计可以保证上裁刀5紧贴在下裁刀7的表面上，从而实现上、下裁刀间零间隙自由滑动，保证金属丝切口质量的完美。同时也方便维修人员更换裁刀，不用每次更换裁刀时调节裁刀间隙。

上、下裁刀由工具钢磨削加工。在下裁刀入口前可以根据金属丝的粗细自由设置导线管，引导金属丝进入裁刀。

图4 剪切机构图

3 结语

根据工程需要，设计了自动化程度较高的细金属丝精确定长进丝和剪切系统，只要人工完成首次穿线后，启动自动程序，输入相关参数，就可以自动完成整卷金属丝的定长剪切，提高了自动化水平和生产效率，减轻了生产者的劳动强度。

本文对张力轮、喂料轮和剪切机构等进行了设计分析，系统通过采用双电机转速差加载方式实现了张力控制和精确定长进丝，从而满足了精度要求。

测试结果证明，该系统具有稳定性,证明了本方案的可行性。

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