卷料输送调偏机系统的设计*

2019-01-10何克祥

机械制造 2018年12期

□ 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。