FQ200型數控無紡布分切機總體設計*

陳 峰,陳吉興,李曉泉

(南京工程學院,江蘇 南京 211167)

0 引 言

無紡布被廣泛應用于醫療、服裝、農業、工業及民用等領域。無紡布在工業及民用領域中用于鋪地材料時,需根據客戶需求將寬幅卷材分切成多種規格的方塊片材?，F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,筆者設計了一種數控分切機,重點對糾偏、分切、收集進行設計優化及運動仿真,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 分切機總體結構及功能實現

根據市場調研,擬設計一臺數控無紡布分切機。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;縱切速度: 0～4 m/min可調;橫切速度: 0.5 m/s。

FQ200型數控無紡布分切機可代替人工,將寬幅無紡布卷材分切成多種規格的長方塊片材。FQ200型數控無紡布分切機由卷材退卷機構、送料分切機構、片材收集機構三部分組成,如圖1所示。其中卷材退卷機構實現卷材的退卷,具有糾偏功能;分切部分可按設定尺寸實現縱切及橫切;收集部分可實現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 分切機總體結構

1.1 卷材退卷機構

卷材退卷機構由底部機座、放卷架及糾偏裝置組成。退卷機構用于夾持代加工的布卷,在設備運行時,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,布幅會發生偏移,不能保證被分切卷材尺寸的準確性。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實現。李會榮等[2]用絲桿螺母帶動燕尾結構進行糾偏。糾偏系統通過傳感器檢測卷材的位置,通過電驅動器實現糾偏。糾偏裝置連接底部機座與放卷架以實現糾偏功能:設置對邊紅外光電開關,檢測無紡布邊緣位置,通過數控系統控制糾偏電機正反轉,經滾珠絲杠使放卷架左右偏擺,實現自動糾偏,如圖4所示。

圖4 糾偏裝置

1.2 送料分切機構

分切機構是分切機中最重要的工作機構,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、兩組送料輥和張力輥機構。分切機機構如圖5所示。

圖5 分切機構 圖6 張力輥機構

墻板一和墻板二平行設置且對齊設置在底座上,墻板一和墻板二之間設有光軸和刀軸,刀軸上套設有若干刀架,刀架可沿著軸作直線移動。張力輥機構、送料輥機構、分切裝置、壓板機構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調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品的質量,張力輥機構具體如圖6所示。

橫切刀具組件包括外刀架、氣缸、軸套、內刀架、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,運動端連接內刀架,驅動內刀架上下運動,內刀架與外刀架屬于槽口配合,電剪刀固定在內刀架上。螺栓的螺紋與內刀架連接,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,可以不用擔心大槽口的影響,如圖7所示?？v切刀具組件除了電剪刀刀片方向少一個夾子結構,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,放卷裝置放卷后經接帶機構至張力輥機構,穿帶機構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,電機10在墻板上驅動同步帶輪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,氣缸13執行端連接壓板一端,另一側的氣缸連接壓板另一端,氣缸帶著壓板上下移動。

圖9 送料輥側面1.氣缸 2.氣缸座 3.滑塊 4.導軌 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

片材收集機構由機架,托板機構,夾具機構,升降臺機構組成,如圖10所示。

圖10 片材收集機構 圖11 托盤機構

分切后的片材自然滑入托板之上,片材的前端被夾緊機構夾持,托板及夾具機構等速水平移到收集升降臺上。托板機構返回,使片材平穩降落到收集升降臺上。夾具機構返回,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地置于升降臺上。托盤機構包括托盤、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,軸線平行,托盤結構上兩個孔分別與兩個光軸孔軸配合,托盤兩邊的夾子機構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,將托板設計成鏤空。夾具機構包括夾具架、同步帶、同步帶輪、軸座、光軸、軸座如圖12所示。

圖12 夾具機構

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。

升降臺機構包括頂板、左絲桿、導桿、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

導桿通過軸承座固定在底座上,底板與頂板固定在四根導桿上。升降臺通過法蘭盤與導桿連接。左絲桿與右絲桿通過調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,滾珠絲桿的旋轉運動轉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,斜齒輪通過傳動軸帶動傳動軸兩邊斜齒輪轉動,從而帶動升降臺上下移動。

2 關鍵機構設計計算及有限元分析

2.1 帶傳動設計計算

已知電剪刀的質量為10 kg,與之配合的光軸摩擦系數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;m為物體的質量,kg;g為重力加速度,N/kg。

已經測得卷材寬度3 000 mm,應在3 s內切完,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 6～10次/min×60=360～600次/h,16 h/日,參考文獻[5],可得工況系數KA=1.7,同步帶設計功率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,節距P=9.535 mm,根據使用要求初定帶輪中心距a0=3 400 mm ,已知傳動機構傳動比為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。初始設計光軸的直徑為Φ75,靜應力分析發現該尺寸光軸能承受的應力遠遠大于刀具所需要它承受的應力,增加了不必要的浪費。故重新設計直徑為Φ50的光軸。靜應力分析的位移、應變、應力圖如圖14～16所示。

圖14 位移 圖15 應變

圖16 應力

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,對已裝配好的機構模型加載伺服馬達,進行一個機構運動分析,產生可視化的機構運動過程,如圖18所示。

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

4 結 語

隨著鋪地材料的普及,對分切成型工藝要求越來越高,而提升設備分切的精度、高適應性、自動化程度有助于降低成本,提高行業競爭力。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,提升產品分切進度及效率,改善產品的品質,提出了一種數控分切機設計方案。該裝置有三個創新點: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利用數控系統動態調整分切材料的尺寸,克服定尺寸刀模的弊端;③利用數控系統執行機構實現片材整齊碼放,完全代替人工碼放。最后通過仿真分析,驗證所設計分切機能夠實現相應的功能。該分切機成本低、效率高、結構簡單、自動化程度高,對于提高工作效率,減少企業成本具有重要意義。