新型全自動(dòng)鞋帶打束機(jī)的開發(fā)

尹志權(quán)

（江蘇百宏復(fù)合材料科技股份有限公司，江蘇 無錫 214101）

目前，市場上的通用鞋帶打束機(jī)分兩種類型，一種是老式機(jī)械全自動(dòng)鞋帶打束機(jī)，多用于大批量和質(zhì)量要求不高的生產(chǎn)任務(wù)，此類設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)復(fù)雜，全部動(dòng)作依靠機(jī)械機(jī)構(gòu)凸輪、鏈條、間歇輪等完成，沖擊大、磨損快，體型龐大、機(jī)械零件專用復(fù)雜、調(diào)整困難、品質(zhì)不穩(wěn)定、維修困難等；另一種是手動(dòng)鞋帶打束機(jī)，多用于少量和樣品制作等生產(chǎn)任務(wù)，此類設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)簡單，操作方便靈活，但是勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品品質(zhì)因不同人員操作也各不相同，機(jī)械部分采用轉(zhuǎn)鍵離合器，噪音大、磨損快[1-4]。

1 新型全自動(dòng)鞋帶打束機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)

1.1 工序和工作流程

入帶打帶輪→擋帶環(huán)→送帶輪→儲(chǔ)帶盤→撐帶桿→張力壓板→導(dǎo)帶輪→導(dǎo)帶筒→右收帶夾爪→切帶夾爪→切帶→左收帶夾爪→左收帶鉤→切帶夾爪→切帶→右收帶夾爪→右收帶鉤。

1.2 各工序部件功能解析

1.2.1 入帶打帶輪

織帶類繩帶胚帶在收集存放后通常會(huì)出現(xiàn)穿套打結(jié)現(xiàn)象，利用打帶輪沿入帶方向相逆方向旋轉(zhuǎn)，遇到打結(jié)胚帶時(shí)，打帶輪可以驅(qū)打拍散打結(jié)胚帶，保證后段工序順利進(jìn)行。輪盤寬度以20 cm左右為宜，太寬則體型增大且為無效范圍，太窄則胚帶容易擺落在輪盤兩側(cè)；輪盤直徑以20 cm左右、連桿4支為宜，輪盤直徑增大不僅會(huì)導(dǎo)致體型增大，還需要增加連桿支數(shù)。連桿材質(zhì)以直徑10 mm鍍鉻棒圓條為宜，太粗則重量增加，慣性加大，不利于控制；太細(xì)則強(qiáng)度不足，容易變形。鐵棒容易生銹進(jìn)而污染胚帶，鋁棒摩擦容易起黑色，特別是白色和淺色胚帶污染比較嚴(yán)重，所以鐵棒和鋁棒都不適合用作連桿；當(dāng)然，不銹鋼棒也可以，但是不銹鋼價(jià)格比較高，不僅會(huì)增加成本，而且打孔攻絲加工困難。輪盤材料以6 mm酚醛膠木板為宜，PVC板強(qiáng)度不夠，容易破損；環(huán)氧樹脂板容易變形扭曲且加工面不夠光滑，容易起毛刺，容易粘掛胚帶。

1.2.2 擋帶環(huán)

擋帶環(huán)安裝在入帶輪和打帶輪中間，其作用是保證經(jīng)打帶輪打散后的坯帶順利進(jìn)入入帶輪，防止進(jìn)入入帶輪的胚帶隨機(jī)左右偏移出入帶輪。擋帶環(huán)宜采用3 mm不銹鋼絲制作成寬3 cm、長8 cm左右的跑道型圓環(huán)垂直位置固定，以保證最粗胚帶的最大打結(jié)接頭順利通過。

1.2.3 送帶輪

送帶輪由主動(dòng)輪和從動(dòng)輪組成，主動(dòng)輪在下，宜采用直徑9 cm左右、長20 cm左右的包刺皮滾輪，光面滾輪和聚氨酯包膠滾輪容易打滑，壓花滾輪容易損傷胚帶；從動(dòng)輪宜采用聚氨酯包膠滾輪，以自身重力壓在主動(dòng)輪上，在從動(dòng)輪一端安裝“陽明PL05N”型接近傳感器，當(dāng)有胚帶接頭通過時(shí)滾輪被頂起，傳感器脫離檢測物報(bào)警，操作人員及時(shí)關(guān)注處理接頭，防止接頭卡在打束頭機(jī)刀口內(nèi)造成停機(jī)。送帶輪和打帶輪共用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)皮帶采用8 mm PU熔接圓皮帶，打帶輪皮帶以“8”字形安裝，使其方向和送帶輪方向相反。

1.2.4 儲(chǔ)帶盤

將1 mm厚的304不銹鋼板做成滑梯狀，寬30 cm，斜坡部分長50 cm，角度45°，平臺(tái)部分長20 cm；在斜坡部分中間位置安裝“歐姆龍E3JK-DS30M1”型光電開關(guān)，當(dāng)儲(chǔ)帶到此位置時(shí)停止送帶。儲(chǔ)帶盤內(nèi)的胚帶會(huì)呈擺線狀松散折疊堆積，以避免后續(xù)用帶時(shí)出現(xiàn)拉扯現(xiàn)象進(jìn)而影響成品鞋帶的長度。

1.2.5 撐帶桿

撐帶桿由上、下兩根12 mm鍍鉻棒和左、右擋板組成，左、右擋板可以自由調(diào)節(jié)，置于儲(chǔ)帶盤平臺(tái)部分中心部位，距儲(chǔ)帶盤平臺(tái)的高度為50 cm，胚帶從上、下圓條和左、右擋板組成的方孔通過，經(jīng)過撐帶桿會(huì)使儲(chǔ)帶盤內(nèi)折疊堆積的胚帶以自然下垂?fàn)顟B(tài)順利進(jìn)入張力壓板，撐帶桿起到拉伸和導(dǎo)向作用。

1.2.6 張力壓板

張力擋板用1 mm厚不銹鋼板做成寬10 cm、高7 cm、厚1 cm的開口盒狀，上口處一側(cè)以轉(zhuǎn)軸方式連接支持，張力壓板以70°傾斜放置，可向上旋轉(zhuǎn)90°，在開口盒內(nèi)放置6 mm不銹鋼圓條，配重到80 g左右，以使經(jīng)過的胚帶始終保持合適的張力。

1.2.7 導(dǎo)帶輪

導(dǎo)帶輪用直徑5 cm、厚4 cm的鋁合金棒做成線軸狀，內(nèi)壁鑲嵌2個(gè)608軸承；導(dǎo)帶輪出帶側(cè)面放置于打束頭機(jī)刀口中心位置上方，距地面的高度為180 cm。安裝時(shí)保證導(dǎo)帶輪旋轉(zhuǎn)靈活，減少旋轉(zhuǎn)卡頓引起的胚帶張力不穩(wěn)現(xiàn)象，保證導(dǎo)帶輪的安裝位置準(zhǔn)確，減小左右擺帶時(shí)的胚帶長短差異。

1.2.8 導(dǎo)帶筒

導(dǎo)帶筒用直徑30 mm、壁厚2 mm、長36 cm的不銹鋼圓管制成，上端嵌套直徑80 mm、長40 mm尼龍棒制作的內(nèi)漏斗型引導(dǎo)口，防止胚帶接頭刮擦導(dǎo)帶管口引起張力陡變而使成品鞋帶長度不良。導(dǎo)帶筒安裝在滑軌的滑塊上，隨滑塊左右擺動(dòng)，導(dǎo)帶筒支撐架前后要有30 mm的調(diào)整軌道，出帶口后傾80°，避免在運(yùn)行時(shí)和膠水噴頭碰撞。導(dǎo)帶筒的作用是將胚帶有效輸送到左、右夾爪和切帶夾爪的夾持區(qū)域。

1.2.9 右收帶夾爪

收帶夾爪采用“亞德客HFR25 180°”氣動(dòng)手指氣缸和定制手指爪制成，手指爪用長70 mm、寬18 mm、厚10 mm的不銹鋼板制成，兩手指爪對(duì)合面加工成波浪糙面，以增加對(duì)胚帶的夾持緊度，上手指爪尖端切成33°斜角，和手指氣缸傾斜安裝形成的角度疊加在50°，這樣既可以保證張開的夾爪有合適的空間夾持胚帶，又可以使打好束頭的鞋帶在自重下滑脫。

1.2.10 切帶夾爪

切帶夾爪采用兩個(gè)“亞德客HFR25 180°”氣動(dòng)手指氣缸和定制手指爪制成，安裝于束頭切刀兩側(cè)，張開的夾爪中心和導(dǎo)帶筒拉出的胚帶對(duì)齊，夾爪閉合時(shí)胚帶位于指尖10 mm處，兩個(gè)氣動(dòng)手指氣缸尾部固定在以“信捷MS6S-60CS30B1-20P4”伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的“寅通FXS40-30-14-50-70”渦輪減速機(jī)的輸出軸上，以渦輪減速機(jī)輸出軸的往復(fù)旋轉(zhuǎn)和氣動(dòng)手指爪的開合動(dòng)作完成對(duì)胚帶的夾持→下拉→拔出（切刀切完胚帶后）→松帶→歸位等循環(huán)動(dòng)作；渦輪減速機(jī)的速比只有大于1∶30，才會(huì)在各動(dòng)作停止時(shí)達(dá)到制動(dòng)效果，速比過小或者采用行星減速機(jī)都會(huì)因胚帶張力的反作用而出現(xiàn)電機(jī)抖動(dòng)現(xiàn)象。

1.2.11 左收帶夾爪

左收帶夾爪和右收帶夾爪一樣，對(duì)稱安裝于切帶夾爪左側(cè)。

1.2.12 左右收帶鉤

左、右收帶鉤采用6 m m 不銹鋼圓棒彎成2個(gè)直徑70 m m的半圓，18 0°對(duì)稱安裝于以“時(shí)代超群6 0 H BP67A L 4”步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的“時(shí)代超群PX57N010S0”行星減速機(jī)的出力軸端，收帶鉤尖端對(duì)應(yīng)收帶夾爪下部，當(dāng)收帶夾爪張開成品鞋帶下落時(shí)正好掛于收帶鉤上；收帶鉤圓棒不能太粗或者太細(xì)，太細(xì)則強(qiáng)度不夠，太粗則比較硬挺的鞋帶容易滑落。右收帶鉤收帶滿計(jì)數(shù)量后以正時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向換鉤，左收帶鉤收帶滿計(jì)數(shù)量后以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向換鉤。

1.2.13 主機(jī)

主機(jī)部分以“正隆”手動(dòng)鞋帶打束頭機(jī)為基礎(chǔ)，更換原機(jī)棘輪鉤掛裝置輸送膠片，采用“時(shí)代超群60HBP67AL4”步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置，更方便調(diào)整膠片長度；取消轉(zhuǎn)鍵離合器，以“臺(tái)達(dá)VFD015EL43A”變頻器的快速啟停和制動(dòng)功能代替離合器，不僅方便控制，還消除了原來轉(zhuǎn)鍵離合器的噪音、油污、磨損等問題。

2 新機(jī)型電氣部分設(shè)計(jì)

2.1 電氣材料

昆侖通態(tài)TPC7062TI人機(jī)界面1臺(tái)、三菱FX3U-32 M T-E可編程控制器1臺(tái)、M D R-6 0-2 4開關(guān)電源1臺(tái)、臺(tái)達(dá)V F D 015EL 43A主機(jī)變頻器1臺(tái)、臺(tái)達(dá)VFD1A6MS21ANSAA打帶輪變頻器1臺(tái)、信捷DS5L1-20P4-PTA+MS6S-60CS-30B1-20P4伺服電機(jī)2套、時(shí)代超群60HBP67AL4+ZD-2HD54步進(jìn)電機(jī)3套、亞德客4V210-08電磁閥3臺(tái)、陽明PL-05N接近傳感器7支、歐姆龍E3JK-DS30M1光電傳感器1支、松下LX-101色標(biāo)傳感器1支、臺(tái)邦TB50-2T-D-J警示燈1臺(tái)。

2.2 電氣控制架構(gòu)

電氣控制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電器控制架構(gòu)

2.3 電氣零部件使用功能及設(shè)定參數(shù)

2.3.1 人機(jī)界面

人機(jī)界面是對(duì)可編程控制器數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入、讀取、監(jiān)視的窗口，編寫程序時(shí)不僅要編寫數(shù)據(jù)輸入、監(jiān)視框，還要盡可能使機(jī)械部分的每個(gè)動(dòng)作都可以手動(dòng)執(zhí)行，便于調(diào)試或者維修時(shí)操作，盡可能使每個(gè)故障停機(jī)報(bào)警的信息和處理方法以文字形式顯示，便于維修和操作人員處理。

2.3.2 按鈕開關(guān)

配置啟動(dòng)、停止、復(fù)位、急停4個(gè)主要常用操作按鈕即可，步進(jìn)接線過多顯得煩瑣，操作人員也不易識(shí)別，步進(jìn)接線過少則不方便操作。

2.3.3 傳感器

（1）接頭檢測傳感器（陽明PL-05N）—安裝于送帶輪從動(dòng)輪支撐架下，當(dāng)有接頭通過送帶輪時(shí)送帶從動(dòng)輪被頂起報(bào)警。

（2）左、右限位傳感器（陽明PL-05N）—安裝于固定左、右收帶夾的滑塊上，用于限定左、右拉帶的長度，調(diào)整位置宜使導(dǎo)帶筒過左、右收帶夾5～10 mm，太窄則導(dǎo)帶筒和左、右收帶夾容易碰擦，太寬則導(dǎo)帶筒回?cái)[時(shí)胚帶會(huì)松弛進(jìn)而影響張力。

（3）左、右進(jìn)帶傳感器（陽明PL-05N）—安裝于切帶夾的兩側(cè)5 cm左右處，用于檢測導(dǎo)帶筒和切帶夾工作順序，防止導(dǎo)帶筒和切帶夾發(fā)生碰撞，當(dāng)切帶夾正在工作時(shí)，導(dǎo)帶筒到左、右進(jìn)帶傳感器位置要暫停擺送，待切帶夾復(fù)位后導(dǎo)帶筒繼續(xù)擺送；當(dāng)導(dǎo)帶筒移出左、右進(jìn)帶傳感器時(shí)，切帶夾開始工作，以縮短等待時(shí)間。

（4）切帶傳感器（陽明PL-05N）—安裝于切刀主軸側(cè)面，切刀主軸上安裝可以旋轉(zhuǎn)調(diào)整且有一點(diǎn)凸起的擋套，切帶傳感器以擋套上的一點(diǎn)凸起為標(biāo)的物檢測切刀主軸的旋轉(zhuǎn)角度，調(diào)整主軸的旋轉(zhuǎn)角度來確定切刀的停止位置，切刀位置盡量調(diào)整到回刀死點(diǎn)位置，以增加切刀的進(jìn)刀慣性，從而增加進(jìn)刀的力量。

（5）切帶夾原點(diǎn)傳感器（陽明PL-05N）—安裝于切帶夾旋轉(zhuǎn)軸側(cè)面，切帶夾旋轉(zhuǎn)軸上安裝可以旋轉(zhuǎn)調(diào)整的大于90°的扇形擋套，切帶夾原點(diǎn)傳感器以擋套的扇形弧面為標(biāo)的物檢測切帶夾的原點(diǎn)角度；擋套做成扇形的目的是增加檢測的行程，防止速度過快沖出檢測位置，造成原點(diǎn)丟失引發(fā)故障；切帶夾的原點(diǎn)角度以指爪中心和導(dǎo)帶筒拉出的胚帶對(duì)齊為宜。

（6）儲(chǔ)帶傳感器（歐姆龍E3JK-DS30M1）—安裝于儲(chǔ)帶盤斜坡中間位置一側(cè)，高于儲(chǔ)帶盤斜坡底部5 cm，內(nèi)傾斜15°，需要根據(jù)不同顏色胚帶調(diào)整傳感器的感光強(qiáng)度。

（7）膠片色標(biāo)傳感器（松下LX-101）—安裝于主機(jī)送膠片裝置導(dǎo)板微型十字滑臺(tái)上，根據(jù)不同圖案調(diào)整傳感器的位置，根據(jù)不同顏色調(diào)整色標(biāo)傳感器的感光模式；松下LX-101色標(biāo)傳感器發(fā)出長5 mm左右的一字形光標(biāo)，與其他點(diǎn)狀光標(biāo)傳感器相比，能更可靠地識(shí)別色標(biāo)位置。

2.3.4 可編程控制器

可編程控制器接收人機(jī)界面、按鈕開關(guān)、傳感器等的信息，向下位機(jī)發(fā)出動(dòng)作指令。可編程控制器選型時(shí)注意輸入接口類型和傳感器要匹配，傳感器輸出類型也要匹配統(tǒng)一；可編程控制器輸出接口只有選擇脈沖輸出型才能使用高速脈沖發(fā)出指令，高速脈沖發(fā)出接口至少要有4路才能滿足伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的使用要求；使用可編程控制器編輯程序時(shí)通過STL步進(jìn)梯形圖指令把每一個(gè)動(dòng)作段分步編輯，需要哪一個(gè)動(dòng)作段時(shí)直接調(diào)用，可以把復(fù)雜的工序簡單模塊化。

2.3.5 打帶輪變頻器

打帶輪變頻器選型時(shí)注意要帶有和可編程控制器匹配的通信接口，以便通過人機(jī)界面調(diào)節(jié)速度；運(yùn)行指令來源設(shè)定選擇“00-21=1”，外部端子控制；頻率指令來源設(shè)定選擇“00-20=1”，由通訊RS-485輸入；第一加速時(shí)間選擇“01-12=3S”，第一減速時(shí)間選擇“01-13=3S”，保證平穩(wěn)啟動(dòng)、停止，避免剛性沖擊引起震動(dòng)。電機(jī)選擇120 W 1∶10速比的微型調(diào)速電機(jī)，既可以保證動(dòng)力充足又可以平穩(wěn)控制。

2.3.6 主機(jī)變頻器

主機(jī)變頻選擇1.50 kW 功率，對(duì)應(yīng)電機(jī)（東元TEGH71M-4）0.37 kW運(yùn)行指令來源設(shè)定選擇“00-21=1”，外部端子控制，第一加速時(shí)間選擇“01-09=0.1S”，第一減速時(shí)間選擇“01-10=0.1S”；這種大馬拉小車的配置目的主要是利用變頻器的快速電子制動(dòng)執(zhí)行頻繁的啟動(dòng)和停止，從而減除原來的機(jī)械離合器，變頻器配置過小則快速啟停容易過電流報(bào)警。

2.3.7 拉帶伺服電機(jī)

拉帶電機(jī)采用400 W伺服電機(jī)，采用脈沖速度控制模式，力矩調(diào)整在30%，以降低啟停沖擊剛性；可編程控制器選擇PLSY脈沖輸出控制指令，運(yùn)行長度由傳感器決定，不需要調(diào)整數(shù)據(jù)，速度由人機(jī)界面讀取、寫入。

2.3.8 切帶夾伺服電機(jī)

切帶電機(jī)采用400 W伺服電機(jī)，使用位置控制模式，力矩調(diào)整在60%，以保證合適的拉持力；可編程控制器的下拉和拔出動(dòng)作選擇DRVA絕對(duì)位置控制指令，回位動(dòng)作采用ZRN原點(diǎn)歸位指令。

2.3.9 送膠片步進(jìn)電機(jī)

送膠片電機(jī)采用時(shí)代超群60HBP67AL4+ZD-2HD54步進(jìn)電機(jī)，由于膠片有空白膠片和帶圖案膠片，送膠片電機(jī)控制有定長模式和定位模式，定長模式比較簡單，不再贅述；在定位模式下，先編寫一段定長程序，長度設(shè)定為所需膠片長度的80%，這段可以高速運(yùn)行以節(jié)省時(shí)間，第二段20%長度以低速運(yùn)行，速度過快則容易沖出色標(biāo)檢測位置，當(dāng)色標(biāo)傳感器檢測到信號(hào)時(shí)立即停止、開始切帶，當(dāng)?shù)退龠\(yùn)行長度超出膠片所需長度50%還沒有檢測到圖案色標(biāo)時(shí)報(bào)警停機(jī)。

2.3.10 收帶鉤電機(jī)

收帶鉤電機(jī)采用時(shí)代超群60HBP67AL4+ZD-2HD54步進(jìn)電機(jī)配時(shí)代超群PX57N010S0行星減速機(jī)，由于收帶鉤所需力量較小，以1個(gè)ZD-2HD54步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)2個(gè)60HBP67AL4步進(jìn)電機(jī)，不僅節(jié)省了1個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，還減少了1個(gè)可編程控制器高速脈沖輸出口的占用。可編程控制器使用PLSY指令，脈沖數(shù)量是5倍的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)，正好收帶鉤旋轉(zhuǎn)180°換鉤。

3 結(jié)論

通過機(jī)電一體化綜合應(yīng)用整合和優(yōu)化，開發(fā)的小體型快捷、方便、高效全自動(dòng)打束機(jī)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)效果，與其他設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如表1所示。

表1 3種機(jī)型設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可知，應(yīng)用新型全自動(dòng)鞋帶打束機(jī)，操作方便、誤差小、品質(zhì)穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、無油污，克服了大型自動(dòng)鞋帶打束機(jī)體型龐大、機(jī)械零件專用復(fù)雜、調(diào)整困難、品質(zhì)不穩(wěn)定、維修困難等缺點(diǎn)，克服了小型手動(dòng)束頭機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、品質(zhì)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。