SQ3X 型切絲機(jī)銅排鏈自動拆裝設(shè)備的設(shè)計

楊光露，魯中甫，魏新峰*，張新鋒，王廣勝，周 坤

1. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽卷煙廠，河南省南陽市宛城區(qū)新華東路 473000

2. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州市金水區(qū)東風(fēng)路5 號 450002

SQ3X 型切絲機(jī)由銅排鏈輸送裝置、切割裝置、驅(qū)動裝置等部分構(gòu)成，主要應(yīng)用于國內(nèi)1 500～14 000 kg/h 制絲生產(chǎn)線，經(jīng)過處理的片煙、煙梗由銅排鏈輸送至切割裝置，切割成符合制絲工藝規(guī)范要求的葉絲和梗絲［1-2］。由于銅排鏈長期運(yùn)轉(zhuǎn)容易造成鏈條磨損，導(dǎo)致切絲寬度不均勻、上下銅排鏈跑偏、保險銷被切斷等問題［3］。此外，生產(chǎn)環(huán)境中存在的灰塵、煙油和水汽污染，容易使銅排鏈上積累煙垢，嚴(yán)重時會造成設(shè)備故障停機(jī)，因此需要定期對銅排鏈進(jìn)行拆卸和安裝，并清洗銅排鏈上的煙垢。目前卷煙企業(yè)大多采用人工完成銅排鏈的拆裝，勞動強(qiáng)度大、耗時長，且人工敲擊銷軸的力度和方向難以控制，容易使銷軸受力偏斜，甚至造成排鏈節(jié)變形［4］，增加了維修和更換備件費(fèi)用。針對銅排鏈磨損和清潔問題，戴宇昕［5］設(shè)計了一套銅排鏈水霧潤滑施加裝置，解決了銅排鏈與耐磨板磨損嚴(yán)重問題，延長了銅排鏈?zhǔn)褂脡勖霍斨懈Γ?］設(shè)計了銅排鏈自動潤滑裝置，減少了設(shè)備停機(jī)維修時間和故障發(fā)生率；韋斌［7］通過改變銅排鏈托條材料，降低了磨損程度。但上述改進(jìn)仍未能徹底解決銅排鏈拆裝費(fèi)力耗時等問題。為此，基于SQ3X 型切絲機(jī)設(shè)計了一種銅排鏈自動拆裝設(shè)備，以期提高銅排鏈拆裝效率，減少設(shè)備停機(jī)時間和故障發(fā)生率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)切絲機(jī)排鏈節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)（排鏈節(jié)長407 mm，銷軸孔距33 mm，銷軸尺寸φ6 mm×380 mm）及排鏈節(jié)拆裝功能要求，設(shè)計的銅排鏈自動拆裝設(shè)備主要由機(jī)架、排鏈輸送機(jī)構(gòu)、排鏈節(jié)定心機(jī)構(gòu)、銷軸拆裝機(jī)構(gòu)、銷軸抱緊拖拽機(jī)構(gòu)、工控屏支撐裝置等部分組成，見圖1。其中，機(jī)架采用全鋁型材設(shè)計，具有強(qiáng)度高、承載能力大、防腐蝕等優(yōu)點；排鏈節(jié)定心機(jī)構(gòu)是整個設(shè)備的核心，排鏈輸送機(jī)構(gòu)與排鏈節(jié)定心機(jī)構(gòu)協(xié)作，可實現(xiàn)拆裝過程中排鏈節(jié)的精確定位；銷軸拆裝機(jī)構(gòu)與銷軸抱緊拖拽機(jī)構(gòu)協(xié)作，完成銷軸的拆卸與安裝；通過工控屏對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.1.1 排鏈輸送與定心機(jī)構(gòu)

排鏈輸送與定心機(jī)構(gòu)由排鏈節(jié)定位開關(guān)、輸送伺服電機(jī)、絲杠、推板等組成，見圖2。排鏈由氣缸定位后，伺服電機(jī)經(jīng)減速機(jī)減速，并將動力經(jīng)絲杠傳遞給推板［8］，推板推動排鏈節(jié)向前移動；當(dāng)限位開關(guān)檢測到排鏈節(jié)到位后，定心機(jī)構(gòu)開始工作，排鏈節(jié)每次向前移動的距離為排鏈節(jié)銷軸孔間的孔距［9］。定心機(jī)構(gòu)由兩組氣缸提供動力，排鏈節(jié)到位后上頂氣缸推動V 型槽向上運(yùn)動，下壓氣缸推動V 型壓板向下運(yùn)動，在V 型槽和V 型壓板的共同作用下實現(xiàn)排鏈節(jié)的精確定位。在此過程中，采用氣缸驅(qū)動方式，可有效避免位置偏差對排鏈節(jié)造成損壞。

圖1 銅排鏈自動拆裝設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of automatic disassembling and assembling device for compression bands

圖2 排鏈輸送與定心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of compression band conveying and centering mechanism

分析發(fā)現(xiàn)，定位過程以及銅排鏈拆裝過程都是圓周運(yùn)動與直線運(yùn)動之間的轉(zhuǎn)換。其中，絲杠基本參數(shù)為有效直徑18 mm，螺距4 mm，螺紋升角4°3″。圓周運(yùn)動與直線運(yùn)動之間的速度轉(zhuǎn)換公式為：

化簡可得：

式中：V 為直線運(yùn)動速度，mm/s；d 為絲杠有效直徑，mm；n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；a 為絲杠螺紋升角，（°）。

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，優(yōu)化后絲桿螺距與絲杠的速比為15∶1，進(jìn)而可確認(rèn)減速機(jī)減速比為15∶1，由此調(diào)整壓力閥使氣動部件的工作壓力在0.4 MPa左右。

1.1.2 銷軸拆裝機(jī)構(gòu)

銷軸拆裝機(jī)構(gòu)由銷軸拆裝伺服電機(jī)、導(dǎo)向槽、銷軸拆卸頂針、銷軸安裝頂針等組成，見圖3。在拆裝過程中，當(dāng)排鏈節(jié)輸送到位后，伺服電機(jī)經(jīng)減速機(jī)減速，并將動力經(jīng)絲杠傳遞給銷軸安裝頂針或銷軸拆卸頂針，銷軸在導(dǎo)向槽和喇叭口的共同作用下將銷軸裝入排鏈節(jié)，提高了銷軸拆裝效率。

圖3 銷軸拆裝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of pin shaft disassembling and assembling mechanism

1.1.3 銷軸抱緊拖拽機(jī)構(gòu)

銷軸抱緊拖拽機(jī)構(gòu)由銷軸收集箱、V 型壓板、抱緊開關(guān)、抱緊拖拽伺服電機(jī)等組成，見圖4。銷軸抱緊拖拽機(jī)構(gòu)與銷軸拆裝機(jī)構(gòu)協(xié)作完成對銷軸的自動拆卸，當(dāng)銷軸拆裝機(jī)構(gòu)到位后，抱緊氣缸動作，氣缸推動V 型壓板抱緊被頂出的銷軸，伺服電機(jī)經(jīng)減速機(jī)減速，并將動力經(jīng)絲杠傳遞給抱緊氣缸將銷軸從排鏈節(jié)中拽出。銷軸的抱緊動力由氣缸提供，通過V 型壓板抱緊銷軸，可以避免偏心或拖拽過程中對銷軸產(chǎn)生影響。

1.1.4 工控屏支撐裝置

工控屏支撐裝置由支架水平墻座、90°轉(zhuǎn)角、8°傾角箱座、工控屏箱體等組成，見圖5。根據(jù)使用需求，支架水平墻座和8°傾角箱座可以在0°～320°之間水平旋轉(zhuǎn)，由此實現(xiàn)工控屏在水平方向轉(zhuǎn)動以及8°傾角箱座向后傾斜功能。

1.2 電氣控制系統(tǒng)

1.2.1 控制方案

電氣控制系統(tǒng)主要由西門子S7-1500 PLC 單元、施耐德LEXM32M 伺服驅(qū)動單元以及Vijeo Designer Basic 上位機(jī)等組成，見圖6。其中，上位機(jī)與PLC 通過PROFINET 總線進(jìn)行實時通訊，完成對所有單元的控制操作指令［10］；PLC 通過PROFIBUS-DP 總線控制3 臺伺服驅(qū)動器，可對驅(qū)動器速度、位置、狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行讀寫；驅(qū)動器單元與各執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接，實現(xiàn)銅排鏈的自動拆裝。在生產(chǎn)中，通過PLC 控制伺服電機(jī)，可實現(xiàn)銅排鏈輸送、銷軸拆裝、排鏈節(jié)定心、銷軸抱緊拖拽4 大機(jī)構(gòu)的協(xié)同動作；通過上位機(jī)的工控屏，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)并實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時系統(tǒng)發(fā)送報警并顯示故障信號。

圖4 銷軸抱緊拖拽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of pin shaft clamping and drawing mechanism

圖5 工控屏支撐裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of touch screen supporting device

圖6 電氣控制系統(tǒng)整體框圖Fig.6 Overall block diagram of electrical control system

1.2.2 控制流程

控制系統(tǒng)采用西門子TIA Portal V15 軟件進(jìn)行程序編程，控制流程見圖7。在生產(chǎn)中首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，通過工控屏選擇銷軸拆卸或安裝模式。其中，銷軸拆卸過程為：排鏈輸送機(jī)構(gòu)將銅排鏈輸送到位后，排鏈節(jié)定心機(jī)構(gòu)運(yùn)行使排鏈節(jié)精確定位，銷軸拆裝機(jī)構(gòu)運(yùn)行將銷軸孔中的銷軸頂出，銷軸抱緊拖拽機(jī)構(gòu)將銷軸抱緊拽出后放入銷軸收集箱中，完成銷軸拆卸。銷軸安裝過程為：排鏈輸送機(jī)構(gòu)將銅排鏈輸送到位后，排鏈節(jié)定心機(jī)構(gòu)運(yùn)行使排鏈節(jié)精確定位，銷軸拆裝機(jī)構(gòu)運(yùn)行將銷軸頂入排鏈銷軸孔內(nèi)，完成銷軸安裝工作。

圖7 控制流程圖Fig.7 Control flow chart

1.3 工控屏界面

工控屏界面采用施耐德Vijeo Designer 軟件進(jìn)行設(shè)計，主界面包括電機(jī)狀態(tài)、I/O 狀態(tài)、手動操作、參數(shù)設(shè)置、校準(zhǔn)設(shè)置、報警記錄和系統(tǒng)設(shè)置等，見圖8。通過該界面可以對系統(tǒng)進(jìn)行控制和當(dāng)前狀態(tài)顯示，并對設(shè)備的運(yùn)行模式、操作權(quán)限等其他功能進(jìn)行選擇和訪問。

圖8 工控屏主操作界面Fig.8 The main operating interface of touch screen

2 應(yīng)用效果

2.1 試驗設(shè)計

設(shè)備：SQ3X 型煙草切絲機(jī)銅排鏈，共40 組（由河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽卷煙廠提供）；排鏈節(jié)銷軸自動拆裝設(shè)備1 臺（河南省新之林機(jī)電設(shè)備有限公司）。

測試方法：選取40 組使用壽命均為1 200 h 左右且磨損量小于2.5 mm 的銅排鏈，采用人工和自動拆裝設(shè)備分別對40 組銅排鏈進(jìn)行拆裝，重復(fù)測試3 次，記錄拆卸、安裝耗時以及排鏈節(jié)損壞數(shù)量，取平均值。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見，在拆裝過程中，采用人工拆裝銅排鏈平均耗時2.82 min/組，自動拆裝設(shè)備為0.665 min/組，節(jié)省時間2.155 min/組；40 組銅排鏈中人工拆卸共損壞排鏈節(jié)2 個，自動拆裝設(shè)備損壞數(shù)量為0。改進(jìn)后設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，無故障停機(jī)現(xiàn)象發(fā)生，有效提高了工作效率。

表1 人工與自動拆裝設(shè)備測試結(jié)果對比Tab.1 Comparison of test results between manual and automatic disassembling and assembling devices

3 結(jié)論

設(shè)計了一種SQ3X 型切絲機(jī)銅排鏈自動拆裝設(shè)備，實現(xiàn)了銅排鏈的精確定位以及銷軸的自動拆卸和安裝，并可對設(shè)備進(jìn)行實時控制及在線監(jiān)測。以40 組SQ3X 型切絲機(jī)銅排鏈為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：與人工拆卸方式相比，改進(jìn)后拆裝銅排鏈耗時減少2.155 min/組，拆卸損壞排鏈節(jié)數(shù)量由2 個減少為0，避免了拆裝對排鏈節(jié)和銷軸造成損傷，排鏈節(jié)和銷軸在除銹和去污后可重復(fù)使用，提高了工作效率，降低了切絲機(jī)運(yùn)維成本。