卷料输送调偏机系统的设计*

□ 何克祥

陕西工业职业技术学院 陕西咸阳 712000

1 设计背景

卷料输送机是应用比较广泛的一种输送机器，这种机器在运行中常见的、也是较难解决的故障现象是卷料跑偏。卷料在输送过程中，由于机器制造及安装误差、卷料厚薄不均、张力波动等各方面原因，都会产生卷料跑偏现象，影响后续工序的正常进行。为此，通常设计一个调偏机构或装置，来满足系统的整体要求。调偏机构性能的好坏直接影响到系统的整体精度和使用性能［1-2］。针对原有调偏机构的问题，笔者设计了卷料输送调偏机系统。

2 问题分析

如图1所示，原有调偏机构中，调偏辊一端通过铰链形式安装连接。调偏时，调偏辊另一端绕铰接端左右摆动，对钢带施加作用力，起到调偏作用。这种调偏机构调偏力小，并且调偏速度慢。

▲图1 原有调偏机构原理

3 调偏机系统

3.1 系统组成

笔者设计的调偏机系统主要由滑动组件块、辊轴安装耳、底座、推力轴承、橡胶辊、深沟球轴承、直线轴承、丝杠、螺母垫圈、步进电机、滑动块及控制系统组成，如图2所示。

3.2 工作原理

对调偏机系统结构进行简化，得到简化后调偏机系统的工作原理，如图3所示。这一调偏机系统在工作中，通过步进电机带动丝杠螺母机构，再由螺母带动调偏辊作直线运动［3］。同时，为了保证调偏辊沿某一条直线运动，将调偏辊的支承放在直线轴承上，从而使调偏辊沿直线轴承规定的方向运动。为了能实现两个方向，即左右方向的纠偏，将调偏辊的平衡位置设计在直线导轨的中央位置。这样，可以通过控制步进电机的正反转来实现左右两个方向的纠偏。为了能自动实现对钢带位置的纠正，在这一系统中设置有对钢带位置进行检测的光电检测开关。根据光电检测开关的信号信息，控制装置向步进电机发出控制指令，实现对钢带的纠偏。

▲图2 调偏机系统结构

▲图3 调偏机系统工作原理

4 控制系统

4.1 调偏原理

由于钢带和钢带导向辊、传动辊之间的摩擦力沿各个辊的轴向、切向分布不均匀，从而导致钢带走偏。对于钢带而言，调偏作用实质上是通过调偏辊来调节钢带与调偏辊之间的摩擦力，从而使整个系统的摩擦力分布回到平衡状态，即理想状态［4-6］。调偏机系统的运动如图4所示。

▲图4 调偏机系统运动示意图

4.2 系统数学模型

如图5所示，设钢带和调偏辊之间的摩擦因数为μ，钢带和调偏辊之间的正压力为N，调偏辊最外移动端距离平衡位置为L，钢带的幅宽为H，正压力分布系数为f，研究点到调偏辊中点的距离为l，调偏辊运动的方向V1与其在平衡位置的轴线方向成α角。

▲图5 调偏机系统尺寸

对于调偏机系统而言，钢带和调偏辊之间的摩擦因数μ、钢带的幅宽H为定值，钢带和调偏辊之间的正压力N沿调偏辊线性分布［7-8］，表达式为：

式中：N0为钢带和调偏辊之间的初始压力。

钢带和调偏辊之间的摩擦力FM为：

调偏机系统的数学模型为：

式中：FA和FT分别为钢带和调偏辊之间摩擦力FM沿轴向和切向的分力。

4.3 控制原理

由式（3）、式（4）可知，可以通过控制变量 L和 α来控制FA和FT。对于变量L，可以通过控制步进电机的来控制。对变量α，可以通过调整底座来控制。

当调偏机系统装配在生产线上后，α为某一定值，则对FA和FT的控制就可以通过对变量L的控制来实现。当然，为便于控制和提高控制精度，在系统中配置光电检测开关，与控制单元组成一个简单的闭环控制系统［9］。

调偏机系统在工作中，当钢带偏向左侧时，光电检测开关将检测到的信号传输到控制装置，由控制装置发出指令，使步进电机起动带动丝杠右向转动，拉动滑动组件块沿轨道运动，使调偏辊沿右侧转轴右转。同时，调偏辊又向右作平移运动，这样调偏辊就对钢带施加了一个向右的调偏力，使钢带迅速右移。当钢带恢复中间位置后，控制装置发出指令，使调偏辊迅速复位。

当钢带偏向右侧时，光电检测开关将检测到的信号传输到控制装置，由控制装置发出指令，使步进电机起动，带动丝杠左向转动，拉动滑动组件块沿轨道运动，使调偏辊沿左侧转轴左转。同时，调偏辊又向左作平移运动，这样调偏辊就对钢带施加了一个向左的调偏力，使钢带迅速左移。当钢带恢复到中间位置后，由控制装置发出指令，使调偏辊迅速复位。

4.4 控制系统组成

控制系统组成［9-10］如图6所示。逻辑控制单元采用西门子可编程序控制器，步进电机采用调速控制。步进电机转速n为：

式中：θ为步距角；fn为脉冲控制频率。

可见，通过控制输入步进电机的信号频率，可以控制步进电机的转速。

5 现场运行

笔者设计的调偏机系统安装在彩虹集团网板有限公司的A5生产线上。

与原调偏机相比，新调偏机系统不仅可实现双向调偏，而且纠偏能力强，调偏速度快，运行性能良好，调偏性能稳定，使网板油漆线的生产效率得到提高，被该公司评定为优级设备。

▲图6 控制系统组成

6 结束语

根据实际生产情况，笔者对原卷料输送调偏机的结构进行了重新设计，将原只有单向调偏功能的调偏机设计为具有双向调偏功能的调偏机系统。在所设计的调偏机系统中，调偏辊子与卷料之间的接触面积大，不会压伤材料，同时可实现双向调偏，且调偏速度快，系统性能稳定，适用范围广，有良好的应用前景。