一种小型自动制绳机设计*

李日辉，劳俊达，李德荣，刘冠灵，张立群，王宇林

（广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江 524088）

0 引言

随着我国制造业的发展，各行业对各种规格的绳制品需求不断增加，各种尺寸、型式的制绳机也逐渐推广[1-3]。目前现有的制绳机存在以下缺陷：（1）自动化程度低，没有相应的检测断线与自动停止装置，制绳过程必须由人工监督；（2）收线速度不可调，拆换收线筒速度慢、收线过程繁琐；（3）体积大、生产过程噪音大，受其机械结构限制，不能定制、制作小型绳子。

虽然大型制绳机效率高，但是其噪音大，使用时要求多，小批量生产不实际。在小型制绳机发展上，国内很少有成熟高效率产品，产品可改进潜力大。如专利号ZL 200520086835.X设计中[4]，只能进行对两股线进行制绳，无自动判断故障功能，不能实现对三股、四股线的捻绳，效率低，可提升空间大。

针对以上问题，本文提出了一种小型自动制绳机设计。该制绳机体积小，工作噪音小，可以满足中小批量生产需要，与同类型制绳机相比，生产过程的自动化有所提高。

1 总体设计思路

本制绳机（如图1所示）整体采用结构角钢搭建。结构角钢价格低廉、易于装配和搭建、整体结构稳定，能减少整体设备体积。该自动制绳机主要包括：制绳装置、红外检测装置、集线装置、压线装置、自动拨线装置和快拆收线装置，下文仅针对部分装置进行介绍。

1.1 制绳装置

该装置采用周转轮系机构作为主体传动机构（如图2所示）。主、副交流电机同时转动，采用PWM调速原理调节主副交流电机的转速，使得绕线转速和收线转速相互配合。主交流电机的动力经减速齿轮传递到中心轴。太阳轮固定在中心轴上，带动太阳轮正方向转动，太阳轮同时通过齿轮传动带动行星齿轮。副交流电机通过皮带带动绕线圆盘反方向旋转，从而使得行星齿轮在自转的同时绕中心轴转动。股绳筒通过传动轴与行星齿轮固连，与行星齿轮同步转动。各股绳在自转的同时并相互卷绕，最终在集线装置处汇聚，从而顺利实现由股绳向成品绳的转换过程。主交流电机左右位置可调，在确定传动比后，通过更换不同的输出齿轮[5]达到调速的目的。

图1 自动小型制绳机整体示意图

本制绳装置使制股、合股、成绳、收绳均在同一套机组，通过股绳筒和绕线圆盘旋转的方式实现了捻股、合股合二为一，无需经过制股、再制绳两道工序，解决了过去需要多台设备、多道工序才能加工成型的方法[6]。同时，出线、制股不会因为原料线脆小及接头、大结而受阻、断裂。整体传动机构采用齿轮传动，与采用链式传动的设计相比，齿轮传动具有传动比大、传动平稳、传动比精确等特点，使得制绳机工作时产生的震动、冲击大为减少，降低了生产噪音。

图2 制绳装置

1.2 自动检测装置

现有的多数制绳机自动化程度低。当股绳突然出现绷断，或在成品绳完成的收工阶段时，没有相应的自动停止装置，需要工人手动进行停止。针对此问题，本制绳机采用了基于单片机的反射式红外光电传感器作为自动检测装置。

该反射式红外光电传感器主要由一个红外光源和一个光接收装置组成。其工作原理为：红外光源发出的红外光经过待测物体的反射被光敏元件接收后，经过相关电路的处理，得到相关的信息。当出现断线或股绳用尽的情况时，检测装置将信号反馈至单片机，通过单片机控制可自行切断电源，停止电机工作。该红外检测装置的优点在于反射式红外感应反应速度快、工作可靠。

该自动检测装置安装在制绳装置的左下角处，如图3所示，检测转盘上安装弹性材料的挡片，股绳在自转时通过自身的张紧力将挡片推向外侧。其工作原理为：当绕线圆盘转动时，红外感应探头发射出的光源被挡片遮挡，感应器将此信号反馈至单片机上；当某股丝线在绕线中突然断开或某股丝线用完之后，由于推力消失，挡片回弹至检测转盘内侧，红外光在同一时间间隔被遮挡的次数下降，从而判断某股丝线断开或用完。该信号反馈至单片机控制直流电机停止转动。该设计的优点是：在不影响股绳自转的同时，能清晰地检测到每个时刻股绳所处的状态，可极大地提高制绳过程的自动化程度，使制绳机可在无人值守环境下自行工作，提高生产效率。

图3 红外检测装置

1.3 快拆换筒装置

本制绳机的收线装置由步进电机、丝杠滑块、快拆换筒装置等组成。副交流电机通过减速齿轮将其动力传递至同步带轮，由同步带轮带动收线圆筒均匀旋转。同时在收线处通过小型步进电机带动丝杆上拨丝块匀速往复移动。根据目标绳的不同规格，调整步进电机转速，始终保持了稳定的线速度[7]，保证成品绳能够稳定均匀地被收卷。

当前，制绳机的收线圆筒一般采用螺栓螺母固定，导致在拆换收线筒时速度慢、过程繁琐。考虑到收线筒的转速相对较慢，且承受的轴向力小，笔者设计了一种新型快拆换筒装置。该装置模型如图4所示，快拆卷线杆为两段式，一端安装伸缩弹簧，另一端安装活动铰链。当收线圆筒收卷满时，通过红外检测装置使得直流电机停止后，压缩伸缩弹簧即可将快拆卷线杆对应的端头从收线架上快速拆卸下来，之后将收卷满的收线圆筒从快拆卷线杆上取下，换上新的收线圆筒即可继续进行生产。与传统的制绳机换线装置相比，该快拆换线装置结构简单可靠、拆换收线筒过程快捷方便。

图4 快拆换筒装置

2 总结

本制绳机技术指标如表1所示。其外形尺寸为100 cm×35 cm×50 cm，仅为同类型制绳机体积的1/4，生产噪音降低15%。用户可根据需求进行小批量生产，也可根据个人喜好和需求，制出各种不同颜色的绳，满足不同的编织要求。同时本产品制造成本低、占地面积小、实用性强，适用于小批量及小型绳子的生产要求，具有良好的市场前景。

表1 主要技术指标