切刀装置（精选4篇）
切刀装置 篇1
0 引言
当前, 我国卷烟产品已由注重数量效益型阶段逐步转移到注重产品质量和产品结构的质量效益型阶段。为此, 针对PASSIM接装机水松纸片上沾有胶垢的普遍问题, 决定在水松纸切刀切割前, 附加1套回收装置, 根据物体运动特点, 优化改善回收装置的结构形状, 提高设备可靠性, 保证产品质量。
1 原因分析
PASSIM接装机水松纸片上沾胶垢故障原因有: (1) 胶前、胶后和水松纸鼓轮加热器温度不合适, 以及所用水松纸表面对胶液的吸附能力较差, 使得胶液未被烘干就被切刀切割, 切刀刀刃上易残留胶垢; (2) 水松纸切刀毛刷更换频次不当, 生产过程中要求10 min更换一次毛刷, 如更换不及时一部分胶垢不但不能被毛刷刮刀刮下, 而且胶垢随毛刷转动向前抛送; (3) 胶液的黏稠度不适中及胶辊向水松纸表面的涂胶量调节不当, 也是形成胶垢的主要原因。
水松纸切刀刀刃在切割水松纸的过程中粘附有少量胶垢, 被毛刷刷下并随切刀转动的惯性向前抛送, 落在水松纸鼓轮上胶后未被切割的水松纸上, 使切割后的水松纸片上沾有胶垢, 造成搓卷成型后的滤嘴烟支皱纹 (图1) 。
2 改进实施
2.1 制做胶垢回收装置
根据设计思路, 用厚1 mm的不锈钢板制作1个长110 mm、宽55 mm、下边缘为5mm的胶垢收集盒, 并在收集盒的两端焊接内圆Φ10 mm、外圆Φ12 mm、长25 mm的接头与收集盒相通, 利用PASSIM接装机负压吸风将散落到收集盒上的胶垢抽掉。在收集盒中间焊接一个半锥型凸起使收集盒形成两个腔体, 更利于散落到收集盒上的胶垢及时顺利的被吸风抽掉 (图2) 。
2.2 安装胶垢回收装置
根据使用要求和水松纸切刀所在的工作位置, 将收集盒以悬挂状态用M6的螺钉将其固定在水松纸鼓轮上支架上, 确保水松纸切刀刀刃与收集盒下边缘间距为3~5 mm, 收集盒底部与水松纸鼓轮表面3 mm间距。
为了达到胶垢及时清理的效果, 利用PASSIM接装机水松纸鼓轮吸风管路系统, 工作压力为45 000 Pa, 在其工作压力不受影响情况下, 用内径12 mm的两根钢丝软管一端与过滤器相连接, 另一端与收集盒两端内径10 mm、外径12 mm的接头相连。此处设置过滤器的目的是将负压吸风抽下的胶垢过滤, 不至于进入集中除尘管道。
3 改进效果
1 3 台PASSIM卷烟机组安装水松纸切刀处加装胶垢回收装置后, 有效解决了在线产品质量缺陷, 提高了PASSIM卷烟机组作业率, 降低了原辅材料消耗。
铜箔卷材剪切机切刀机构的研究 篇2
覆铜板(CCL)是印刷电路板(printed circuit board, PCB)的基板材料[1]。电子铜箔是制造CCL及PCB的重要基础原材料,被形象地喻为电子产品信号与电子传输、沟通的“神经网络”[2]。近年来,电子信息产品的发展对CCL及PCB提出高要求的同时,也对电子铜箔的性能、品质、生产等方面提出了更严格的要求。
铜箔卷材剪切机是将卷状的铜箔按生产工艺剪切成一定长宽尺寸的片状材料的专业设备[3],其要求切割后的铜箔切割边没有波纹皱和铜粉。但随着电子信息产品的发展对铜箔薄型化的要求,目前生产的最薄铜箔达到9 μm,传统的闸刀式剪切机构已经无法满足薄型铜箔的剪切要求。
基于偏心轮连杆机构设计的切刀机构,本研究通过样机实际测量的经验数据分析和运用Matlab计算数据分析,实现切刀机构的优化设计。
1 切刀机构运动的传动原理
传动原理是研究设计理论的基础,为了更好地对切刀机构剪切啮合时上、下刀的受力情况进行分析,本研究先对其传动原理进行研究,切刀机构传动简图如图1所示,切刀机构传动可分为偏心轮传动和摆杆摆动两部分。
1.1偏心轮传动分析
当驱动力矩由传动轴输入后,其以等角速度带动偏心轮转动,由于偏心距的存在,偏心轮通过传动圈、连杆,推动摆杆1和摆杆2绕着支点O2 、O3做摆动,该机构是铰链四杆机构[4]。
偏心轮机构简图如图2所示,本研究建立了右手坐标系,O1为传动轴的几何中心,O2 、O3为摆杆转动的几何中心,A为偏心轮的几何中心,e为偏心轮的偏心距,AB为传动圈的半径和连接杆的长度,设AB=L,摆杆上B点离支点O2 、O3的长度为R,即B点的摆动半径。当偏心轮逆时针方向转α时,摆杆顺时针方向转θ,O2 、O3的坐标为(XO2、Y O2),e、L、R为常数[5,6]。
该机构的四杆组成封闭多边形。本研究取各杆在坐标轴X和Y上的投影,可得以下关系式:
undefined
本研究将cosδ和sinδ移到等式右边,再把等式两边平方相加,即可消去δ,整理后得:
2e(XO2 cosα + YO2 sinα) = X2O2 + Y2O2 + R2 +
e2-L2 + 2eRsin(α + θ) (2)
上式即为两偏心轮与摆杆转角之间的关系式。
在该铜箔卷材剪切机中,设计参数e=11mm,L=247 mm,R=66 mm,XO2=275 mm,YO2=43 mm。代入上式,得α与θ的关系式为:
275cosα+43sinα=726sin(α+θ)+952 (3)
计算可知,θ角度值范围为32.9°～10.4°。
1.2摆杆传动分析
由上述偏心轮传动分析可知,摆杆传动简图如图3所示,摆杆1、摆杆2随偏心轮的转动,分别绕支点O2 、O3作摆动。剪刀式切刀机构的特点是把连接下刀安装架的两摆杆设计成有长度差。摆杆1长度小于摆杆2,下刀安装架设计成有一定斜度的下刀安装架,摆杆1、摆杆2一端分别固定在支点O2 、O3,另一端分别与下刀安装架的两端通过关节轴承、销轴联接,下刀安装架随着摆杆的摆动可绕销轴摆动[7]。
本研究设下刀、上刀啮合的空间角度为ξ,分别以O2 、O3为原点建立坐标系S2、S3,在Y3轴上平移,以O4为原点建立坐标系S1。 摆杆传动的运动简图如图4所示。
在坐标系S1中,刀面方程为:
(kx+a)2=y2+z2 (4)
其中:
k=(b-a)/h
本研究设销轴到刀刃线的垂直距离为修正量N,N修正量示意图如图5所示,其数值即为销轴中心到刀刃的垂直距离。修正后的曲面方程为:
(kx+a)2=y2+z2+N2 (5)
在坐标系S1中,直线(即上刀刃)方程为:
undefined
联立式(5,6)得:
At2+2Bt+C=0 (7)
则:undefined,取负号。
其中:A= kundefined+ kundefined-k2kx2,B= kyy0+ kzz0-k kx (kx0+
a),C=yundefined+zundefined-(kx0+ kx)2+N2。
刀面方程由坐标系S3转换到S1:
undefined
令x3=t, y3=Y, z3=Z,则可得:
undefined
undefined
且:
kx=cosφ,x0=Ysinφcosθ+Zsinφsinθ-dsinφ;
ky=-sinφ, y0= Ycosφcosθ+Zcosφsinθ-dcosφ;
kz =0,z0=-Ysinθ+Zcosθ。
在坐标系S1中,可得θ与ξ之间的关系式为:
tanξ=undefined
undefined
由式(10)可知,下刀、上刀啮合的空间角度ξ与摆杆摆动角度θ的函数关系。
2 上、下刀啮合点的受力分析
由上一小节中的分析可知,随着偏心轮的转动,连接杆相应地摆动,带动摆杆也在相应的范围内绕支点摆动,从而带动下刀安装架上的下刀与上刀O5点依次啮合。通过对上、下刀啮合点作受力分析,可以知道上、下刀的啮合情况,根据所得出的理论数据可知下刀与上刀啮合的空间角度ξ的取值范围,故可设计出最佳的传动机构[8]。
上、下刀啮合点的受力分析简图如图6所示[9],本研究以O2为原点,建立坐标系,任取O4为两摆杆组成的平面斜边上一点,O2O4即为摆杆的长度,设O5为此时相对应的上、下刀啮合点。由图6可见,作用在下刀架上的驱动力F与该力作用点绝对速度VO3之间所夹的锐角即为下刀与上刀啮合的角度(90°-ξ)。由图6可见,力F在VO3方向的有效分力为:
F′=Fsinξ (11)
即ξ越大,有效分力F′就越大,切割力也就越大,但刀子的磨损会增大,故ξ值也不应很大,也不应很小,空间角度ξ的取值范围应为70°～90°。
3 切刀机构运动的优化设计
由上述两小节分析可知,当摆杆随偏心轮转动摆动时,通过下刀安装架上的下刀与固定的上刀啮合时,下刀与上刀啮合,角度ξ也作相应的变化。为了达到恒定的剪切效果,角度ξ在啮合过程中变化幅度应越小越好,所达到的剪切力也就越均匀,冲击小,有利于保持刀片的使用寿命。
3.1运用样机实际测量的经验数据分析
分段取摆杆与下刀架啮合点如图7所示,本研究将两摆杆距离l=1 500 mm平均分成5等份。在摆杆平面的斜线上相应地就产生了6个点O40、O41、O42、O43、O44、O45,又同时在下刀安装架的销轴中心线上;在下刀安装架也有相应的6个点D0、D1、D2、D3、D4和D5;在下刀上相应的啮合点为O50、O51、O52、O53、O54、O55。参考图5中所示,其中N=35 mm,O4O5的长度应由下式计算得到:
undefined
摆杆长度O2O4=c, O3O4′=d, 下刀安装架边长D0O5=b, D5O5′=a, 设c=234 mm,d=244 mm, l=1 500 mm,a=140.7 mm,b=215.2 mm,此时φ=0.38 °,ψ=2.84 °。
对图7中各点所测量的ξ角度如表1所示。另因设计偏心轮e=11 mm,同时可测得角度θ的变化值相应地与6个啮合点相对应。由表1中数据分析可知,剪切时,大刀头开始啮合后, 随着角度θ的减小,ξ角度值是渐渐增大的。在现场清晰可见:下刀与上刀啮合至最后,下刀安装架越来越接近垂直,剪切力也越大,与上刀的磨损也相应地增加。
3.2运用Matlab计算数据分析
运用Matlab编程计算1.2节摆杆传动分析中推出的公式(10),设计参数l=1 500 mm, N=35 mm, Y=271 mm, Z=91 mm。
分别设置参数如下:
(1)设c=224 mm,d=244 mm, a=140.7 mm,b=215.2 mm,同样机设置。
(2)设c=234 mm,d=244 mm, a=140.7 mm,b=215.2 mm, 摆杆1长度改短,即增大φ角度值。
(3)设c=234 mm,d=244 mm, a=140.7 mm,b=240 mm, 下刀安装架大刀头尺寸b增大,即增大下刀安装架ψ角度。
角度ξ、θ的特性曲线如图8所示,曲线1a、2a、3a分别为上述(1)、(2)及(3)参数设置下的角度ξ、角度θ的特性曲线。
本研究在同样的θ角度值变化下,增大φ角度值,减小初始啮合点的ξ角度;增大下刀安装架ψ值,会增大初始啮合点的ξ角度,但剪切至末端、接近小刀头啮合处时,ξ角度值会趋向一致。从而可知,增大φ角度值,会增大ξ角度的变化幅度;增大下刀安装架ψ值,会减小ξ角度的变化幅度。
角度ξ、t的特性曲线如图9所示,曲线1b、2b、3b分别为上述(1)、(2)及(3)参数设置下的角度ξ、t的特性曲线。其中t为刀片上啮合点至小刀头的距离。在同样的θ角度值变化下,增大φ角度值,会使初始啮合点向大刀头处移近;增大下刀安装架ψ值,会使初始啮合点向小刀头处移近。在共同的啮合范围内,取刀片上任意t处,可知在3种情况下,曲线3b啮合点的ξ角度值最小,曲线1b啮合点的ξ角度值最大[10,11]。
从而可知:增大φ角度值,会使上、下刀的啮合点提前;增大安装架ψ值,会使上、下刀的啮合点靠后。
通过上述曲线分析结论可知,在设计过程中,对于切割物料材质不同,所定制的下刀安装架的角度ψ值也不同。根据经验数据可知,铜箔剪切机采用的ψ角度设计为2.6°为佳。
经核算,上、下刀啮合点的经验数据符合下刀与上刀啮合的空间角度ξ的理论分析。在切割调试时,保证角度ξ的变化幅度不大,可保证切割边的切割效果前后就不会有明显的差异,切割效果就越好;但若发现切割效果前后有很大的差异,可适当地改变φ角度值,使啮合点位置改变,相应地改变ξ角度,改变剪切力,使剪切效果达到最佳。
4 结束语
铜箔卷材剪切机核心技术采用专利剪切技术(ZL200620103771.4),该剪切结构具有结构合理,剪切速度快,刀具磨损小,寿命长,噪音小等优点[12]。本研究利用切刀机构设计原理,详细阐述了切刀机构运动的传动原理,对上、下刀的啮合点作了受力分析,分别通过样机实际测量的经验数据分析和运用Matlab计算数据分析,实现了对切刀机构的优化设计,取得了优化结果:适当地改变φ值和ξ值,能使剪切效果达到最佳。
该技术提高了铜箔的剪切质量,使铜箔的剪切边无波纹皱、无毛刺、无铜粉,减少了铜箔的报废,也改善了用户因铜箔剪切质量不高而导致印制电路的质量和产量下降的问题,实现了科研成果产业化,并且已推广到其他金属和非金属箔类卷材的剪切应用,如铝箔、锡箔、纸张、塑料箔膜等,具有广阔的应用前景和良好的社会经济效益。
总之,随着用户对铜箔切割质量要求的不断更新,铜箔卷材剪切机还有很多难题,有待于进一步的研究与探讨。
摘要：为解决目前卷材剪切机不能满足薄型化电子铜箔剪切质量要求的难题,针对电子铜箔材质特性,研究了一种基于偏心轮连杆机构设计的切刀机构。首先,从偏心轮传动机理和摆杆的联动两方面,详细地阐述了切刀机构的运行原理;然后,对切刀啮合点的受力情况进行了分析;最后,通过样机实际测量的经验数据分析和运用Matlab计算数据分析,完成了切刀机构的优化设计。研究结果表明,根据铜箔厚度的不同,通过适当地调整切刀机构中摆杆及刀架的技术参数,可改善铜箔的剪切效果,解决了铜箔剪切过程中易起皱、产生铜粉的问题,满足了电子铜箔剪切的特殊要求。
关键词：剪切机,覆铜板,切刀机构,铜箔
参考文献
[1]辜信实.覆铜板技术(1)[J].印制电路信息,2003(5):19-23.
[2]杨祥魁,刘建广,徐树民,等.铜箔制程对CCL及PCB要求的应对[J].印制电路信息,2012(1):9-10.
[3]李清亮.覆铜板设备的发展及现状[J].印制电路信息,2003(12):45-47.
[4]黄继昌.实用机械机构图册[M].2版.北京:人民邮电出版社,1995.
[5]陶栋材.偏心轮推杆行星传动设计理论研究[D].北京:中国农业大学工学院,2006.
[6]唐金松.简明机械设计手册[M].2版.上海:上海科学技术出版社,2001.
[7]闻邦椿.机械设计手册(第5卷)[M].北京:化学工业出版社,1997.
[8]成大先.机械设计图册[M].北京:化学工业出版社,1997.
[9]赵松年,张奇鹏.机电一体化机械系统设计[M].北京:机械工业出版社,1997.
[10]王翔,芮延年.基于TRIZ理论的互动玩具机构创新设计[J].轻工机械,2011,29(3):84-88.
[11]谢建新,王志,田甜.挂装车挂装机构的优化设计[J].现代制造技术与装备,2011(6):14-16.
切刀装置 篇3
机器视觉技术是图像处理技术、自动控制技术、人工智能技术的有机结合, 随着机器视觉技术的不断发展, 机器视觉技术在工业自动化生产系统中得到越来越广泛的应用, 使工业自动化水平得到进一步的提高[1]。尺寸测量是机器视觉技术一项重要的工业应用技术, 利用光学的非接触检测方法代替传统的接触式检测方法, 不仅解决了人工无法工作的环境问题, 同时还大大提高了工作效率、使产品在线检测、自动控制成为了可能。
圆盘分切刀[2]是进行金属板材分切加工的一副上下成对布置的剪切刃, 金属板材进行分切加工时圆盘分切刀轴向间隙是影响金属板材分切断面形貌和尺寸形状精度的关键工艺参数[2], 因此需要进行严格的控制。目前工厂进行圆盘分切刀轴向间隙检测时仍主要采用千分尺或塞尺等传统工具, 不仅工作效率低而且检测精度不易保证, 所以本文研究利用机器视觉技术实现对圆盘分切刀轴向间隙的非接触检测, 根据圆盘分切刀结构特点以及目标区域成像情况, 设置目标图像中圆盘分切刀刀刃点灰度阈值范围, 利用一定斜率的直线对目标图像进行逐点扫描, 统计目标图像中该直线上阈值范围内像素点数目, 当直线上像素点数目为1时, 表示所找到的像素点即为圆盘分切刀刀刃点, 所以利用刀刃点坐标即可实现对圆盘分切刀轴向间隙的计算。同时给出了以工业相机、工业镜头为主要光学硬件的机器视觉检测系统。
1 圆盘分切刀检测系统
本文圆盘分切刀轴向间隙检测系统主要由工业相机、工业镜头、平行光源、图像处理系统等组成。圆盘分切刀进行板材分切装置如图1所示。
为了更真实反映圆盘分切刀实际结构情况, 本文将实际圆盘分切刀加工成如图2所示的“月牙形”结构的模拟刀片, 从而在不失真的情况下更方便本文的检测工作, 所选用的模拟刀片厚度为10 mm。
圆盘分切刀实际工作过程中其轴向间隙一般设置范围为0~0.1 mm即可满足实际的加工需求[2], 因此本文的检测工作属于小视场检测;同时, 由于模拟刀形状结构致使普通镜头获取的目标图像无法保证图像放大倍率一致性, 影响检测结果, 因此普通工业镜头无法用于此类目标物的检测工作。而远心镜头[3]由于其平行光路设计可以使检测目标在一定物距范围内所成像保持放大倍率一致。所以根据以上检测要求, 本文选型搭配的工业相机、工业镜头参数如表1、表2所示。
由表2中可以看出:本文视觉系统的视场大小为8 mm×6 mm。
圆盘分切刀轴向间隙的检测为零件外形尺寸检测工作, 因此目标图像应该具有较突出的边缘特征, 所以本文采用背向平行光源的方式进行视觉照明[4], 结合所选取的光学硬件搭建圆盘分切刀轴向间隙检测实验台如图3所示。
图3中, 圆盘分切刀轴向间隙通过位移调整台 (图2) 进行调整设置, 由于实验台主要由铝管搭建而成, 因此实验台结构刚度可能存在不足, 同时该实验台中主要光学硬件的位置精度较难保证, 所以该实验台对后续的检测工作可能存在一定的影响。
基于机器视觉的圆盘分切刀轴向间隙检测的目标图像示意图如图4所示。
利用机器视觉技术进行圆盘分切刀轴向间隙检测时, 本文所基于的软件开发环境为Visual Stu⁃dio2010+Open CV2.4.9, 检测方法是利用寻找特征点的算法对圆盘分切刀目标图像 (图4) 中边缘信息进行操作。针对本文目标图像特点, 利用寻找图像特征点的方法 (或Vertex扫描法) 实现圆盘分切刀轴向间隙检测原理示意图如图5所示。
图5所示的寻找特征点原理是:首先从目标图像左上角按照扫描方向以一定斜率的直线对目标图像进行逐点扫描, 预先设置特征点灰度阈值, 统计扫描线上在灰度阈值范围内像素点的数量, 当扫描线所在位置上统计得到的像素点数量为1时, 表明该像素点就是所要寻找的特征点, 结束寻找该方向上特征点;然后从目标图像其他角按照扫描方向以斜率绝对值相同的直线对目标图像进行同样的操作, 直到目标图像四个角都按照要求扫描完毕, 最后记录所得到的像素点信息。
实际中对目标图像进行获取时, 由于远心镜头中心、平行光中心在位置安装上与模拟刀片端面很难保证完全平行, 因此获取的图像可能存在着模拟刀端面不平行、刀尖处出现弯曲等微小的变形。圆盘分切刀实际成像效果示意图如图6所示。
虽然本文视觉系统所获取的圆盘分切刀目标图像可能存在着如图6所示的微小变形, 但是并不影响本文的检测工作。利用斜率为1的直线对目标图像进行扫描时, 获取得到的特征点一定是圆盘分切刀刀刃上点, 所以利用所获取目标图像中圆盘分切刀上、下刀刀刃点图像坐标就可以计算得出圆盘分切刀轴向间隙。
2 实验结果
利用如图3所示的圆盘分切刀间隙检测平台对圆盘分切刀目标图像进行获取, 图像如图7所示:
图7中两端面之间的距离即是圆盘分切刀的轴向间隙, 由图7可以看出:圆盘分切刀目标图像包含一定的图像噪声, 同时目标图像中只有一块模拟刀端面出现了一定程度的变形, 使得圆盘分切刀两端面不平行。利用Vertex扫描法进行圆盘分切刀轴向间隙检测时, 算法具有一定抗噪能力, 目标图像中所包含的噪声不会影响间隙检测;图7中图像出现的变形原因可能由以下两种原因造成的:①镜头畸变所导致的图像变形;②光学硬件的安装位置精度不够导致圆盘分切刀端面与视觉系统光轴不平行, 从而出现图像变形。但是根据镜头畸变成像规律:视野中心处畸变较小, 视野边缘处畸变较大[5], 图7所示的图形变形不符合工业镜头畸变所导致的图像畸变, 因此, 本文认为出现如图7所示的图形变形的原因主要是由于视觉系统光轴与圆盘分切刀端面不平行造成的。利用本文中Vertex扫描法对目标图像 (图7) 进行特征点提取结果如图8所示。
根据图8所获取的特征点信息就可以计算出圆盘分切刀在图像坐标系中的轴向间隙, 在此基础上完成对相机标定[6,7,8]即可计算得出圆盘分切刀轴向间隙的实际物理尺寸。
本文对相机进行标定时, 采用平面棋盘为标定模板, 所选取的标定模板尺寸参数如表3所示。
利用本文视觉系统获取所选棋盘标定板图像并利用Open CV库中函数cv Good Features To Track对棋盘图像中棋盘角点进行提取, 如图9所示。
如图9所示, 本文采用“像素当量”的方法对相机进行标定, 提取图9中任意两棋盘角点图像坐标, 计算其图像距离, 同时计算出对应的两角点的实际物理距离, 利用所计算得到的图像距离除以实际物理距离即为本文的“像素当量”, 于是就完成了对相机的标定, 标定后的“像素当量”为0.007。所以就可计算得出图8所示的圆盘分切刀轴向间隙为1.792 mm, 于是就完成了利用机器视觉技术对圆盘分切刀轴向间隙的非接触检测过程。
3 结论
本文根据圆盘分切刀结构特点, 设计搭建基于机器视觉的圆盘分切刀轴向间隙非接触检测实验台, 利用寻找特征点的图像处理技术实现了对圆盘分切刀轴向间隙的检测过程, 为机器视觉技术在检测圆柱类距离方面提供了一定的理论依据。
参考文献
[1]刘卫卫, 苏兰海, 蒋靖.基于图像的圆盘剪侧隙和重合量测量技术[J].冶金设备, 2009 (2) :58-62.
[2]阎秋生, 赖志民, 路家斌, 等.镀锌板圆盘剪分切侧向间隙对断面形貌的影响[J].塑性工程学报, 2014, 21 (4) :69-73.
[3]鞠波.基于远心镜头的高精度视觉测量仪[J].兵工自动化, 2014, 33 (8) :82-86.
[4]张巧芬, 高健.机器视觉中照明技术的研究进展[J].照明工程学报, 2011, 22 (2) :31-36.
[5]范勇, 张佳成, 陈念年, 等.图像几何畸变校正方法[J].计算机工程与应用, 2009, 45 (29) :194-197.
[6]Gary Bradski, Adrian Kaedhler.学习Open CV[M].于仕琪, 刘瑞祯, 译.北京:清华大学出版社, 2009.
[7]王长元, 侯静.基于Open CV改进的摄像机标定法[J].计算机与数字工程, 2014, 42 (1) :138-141.
切刀装置 篇4
软包装 (Flexible Package) 是指在充填或取出内装物之后, 容器形状可发生变化的包装方式, 用纸、铝箔、纤维、塑料薄膜以及它们的复合物所制成的各种袋、盒、套、包封等均为软包装。它具有质量轻、废料少、成本低等优点, 因此广泛应用在医药、纺织品、食品工业上。随着我国工农业的快速发展, 软包装的地位正日益提高[1]。在软包装生产中, 分切是一道非常重要的工序, 它实现了由半成品到产品的加工[2]。分切机是一种将宽幅薄膜或纸张分切成多条窄幅材料的机械设备, 广泛用于印刷及造纸、软包装等行业[3]。分切机的结构总体分为放卷、驱动和收卷3大功能结构, 其简易示意图如图1所示。
目前分切台对产品质量的控制普遍停留在表面的控制上, 以减少启皱、纵皱、横皱、线皱、毛边等问题为主, 而对于产品端面的质量关注较少, 技术手段较为有限。对于端面质量的控制往往采用对分切速度、张/压力等参数的调整与控制上, 切刀的角度调整, 而机器的运行状况十分复杂, 和很多个参数都有关系, 比如机床的抖动、母带的不平整等。在实际加工中, 获得一个最优的参数需要一个很长的适应过程。然而随着现代企业对包装材料的要求越来越高, 提高分切机的性能, 降低生产成本, 缩短交货时间对提高包装印刷企业的经济效益很有必要。
本次研究主旨在于提高分切的断面质量, 以光电检测技术作为支撑, 设计出高精度、实时性的光电检测系统作为传感机构;基于PLC控制与伺服电机控制, 对圆盘切刀进行实时角度调整闭环的控制系统。基于圆盘切刀分切原理, 使用伺服驱动的可转动圆刀进行过程控制, 采用灵敏的光电检测系统对带材及圆盘切刀角度进行实时检测, 将检测的结果传送到控制系统, 实现对圆盘切刀的实时调整闭环系统。实践表明, 本次设计的系统具有测量精度高、反应速度快, 圆盘切刀角度转动角度精确等优点, 故能大幅提高产品质量, 降低分切的成本, 缩短交货时间, 对设计高性能、高自动化与高柔性分切机的有很大的借鉴意义。
1 圆盘切刀分切技术
常用的分切刀具主要分为以下几种: (1) 刀槽式刀片分切是使刀片伸进带槽辊的槽内分切, 分切时稳定好, 不过精度难以控制; (2) 悬空式刀片分切是刀片直接在拉伸的膜上分切, 分切宽度易调整, 可任意分切宽度, 但对原料的平整度要求较高; (3) 圆盘分切刀片[4], 圆盘分切刀分为上刀、下刀, 装在分切机刀轴上, 利用滚剪原理来分切厚度为0.01~0.1 mm成卷的各种电容器纸、铝箔、金属化薄膜、电影胶片、计算机带及磁带[5]。圆盘切刀是一种可以替代平压切式模切刀的高效率、高精度刀具, 最早应用于烟包印后加工领域[6]。由于圆盘具有刃口坚韧、使用寿命长、高分切效率和精度, 广泛应用于造纸、印刷与软包装行业, 具有不可替代的地位。
虽然圆盘切刀具有上述很大优点, 但要满足现代高精度、高效率以及高稳定性的现代化分切要求, 圆盘形切刀也存在一些严重不足: (1) 当分切规格变化大时, 确定切刀位置麻烦, 需要长时间的适切; (2) 由于切材、机床振动等一些不稳定性因素, 圆盘切刀与切材的相对角度会有一定程度的变化, 普通机床无法实现自动调整。虽然切角偏差很小, 但由于进给长度大, 累积误差也不可忽视, 实际加工数据显示:当切角偏差10-2rad, 每卷的分切长度为100 m, 累积误差为1 m。市场调查显示:对于一条年产万吨级的聚酯薄膜来说, 如果分切优等品率提高40%, 可产生直接收益200万元;每卷减少1米跑偏, 就可以减少约0.5吨损耗, 减少约5.4万元损失。从某种程度上来说, “好产品是切出来的”。
2 光电检测技术
光电检测技术在机械结构设计上多用于位置、角度以及平面检测, 其特点是可以实现无接触、微细检测, 因而可以将微小机械动态检测变成观点静态检测, 从而很大程度上简化机械结构[7]。光电检测技术具有高精度、高灵敏度、成本低和可靠性高等明显特点, 具体表现如下:最高的检测精度可达0.05μm/m;反应速度达到光速, 为现代最快的检测手段之一;许多光电检测设备均采用自适应调整装置, 具有较强的抗干扰性;然而该技术对硬件设备和软件设备要求也较高。因此将光电检测技术应用到圆盘分切技术中, 能够较好地弥补圆盘切刀在实际加工中的不足。
2.1 光电检测原理
光电检测装置主要应用光电传感效应原理, 将输入光信号转换为电信号输出[8]。它主要由光源S、透镜组C、光电池B以及检测器A等组成, 其检测原理示意图如图2所示, 光源S发出高频光信号, 将圆盘切刀E的端面置于光路中, 光信号通过透镜组C汇聚到光电池B, 检测器A检测光电池B的接收光信号转化成的电信号, 经选频放大带通滤波及信号精密整流电路, 最后输出稳定的电压信号。
2.2 光电检测装置
本次研究的光电检测装置, 主要根据图2的光电检测原理, 实际的光电检测装置如图3所示。该装置相当于由两套图2的装置构成。在实际操作中, 首先需要对光安装, 即根据检测器 (A1、A2) 的电信号, 安装圆盘切刀的参考位置;其次, 切除带材过程中, 将圆盘切刀E由于受到带材D切除阻力、机床振动等干扰因素, 会发生微小量 (10-1rad) 的角度偏离, 则进入透镜组 (C1、C2) 的光通量就会改变, 输出的电压信号也会发生变化, 并将两个检测器 (A1、A2) 的电信号实时传送给控制系统;最后, 控制系统根据两个检测器 (A1、A2) 电信号的变化, 实时控制角度调整系统, 微调圆盘切刀的端面角度, 使圆盘切刀E的两个端面分别与光线1和光线2平行, 最终使得两个检测器 (A1、A2) 的电信号均达到最大。实验结果显示, 本次研究中的光电检测装置对圆盘切刀角度的检测精度为10-2rad。
3 角度实时调整系统
精密的角度实时调整系统集成光电检测技术、精密机械技术、现代控制技术以及现代数值计算理论于一体, 可对二维及三维运动目标进行检测并实时测量空间坐标, 具有高精度、实时性、动态监测和高稳定性等优点, 广泛应用于汽车、船舶、核工业以及航空航天等精密机械制造领域[9,10]。本次研究设计的角度实时调整系统, 采用伺服电机与PLC控制精密的角度调整机械装置, 包括伺服电机、PLC控制系统、角度测量系统、角度驱动系统和角度调整机械控制模块。实验结果显示, 本次设计的角度实时调整系统的校正精度高达±2×10-1rad, 系统调节滞后仅为0.1 s。
3.1 角度实时调整控制系统
本次设计的角度调整控制系统采用PLC控制结合伺服控制技术, 实现对角度实时调整系统精确的控制。PLC控制具有实时性、高可靠性、高性价比及使用维修方便, 广泛应用于各种工业控制场合[11]。伺服电机系统 (servo motor system) 一般由伺服电机及其专用驱动器系统组成, 具有线性度高、控制精度高、响应速度快、稳定性好和抗干扰能力强等优点。伺服电机是伺服系统中控制机械元件运转的发动机, 其控制精度由伺服电机后端的旋转编码器保证。本次研究将上述二者的结合起来, 优势互补, 伺服电机与专用驱动器配套使用时, 控制器 (PLC) 向伺服电机驱动器提供相应的控制脉冲, 调整脉冲频率和伺服电机转向的控制信号即可实现控制器 (PLC) 对伺服系统进行精确的控制, 这种结合控制方式很大程度上逐渐取代其他的控制方式。
角度调整控制系统包含显示电路、电源电路、单片机控制系统、驱动电路、角度检测电路和机械控制模块等, 如图4所示。闭环系统控制流程如下:
(1) 角度检测电路监测圆盘切刀的相对角度, 将光信号转化为电信号, 并端面偏差值传输给PLC控制系统;
(2) 根据光线1和光线2的信号差, 通过一定的数值计算、变换算法, 将PWM驱动信号传给驱动电机;
(3) 驱动电机控制角度调整组件, 给出相应的控制方式, 通过机械控制模块进行实时调整圆盘切刀的角度。
如此循环步骤 (1) ~ (3) , 实时性、闭环调整圆盘切刀与切材的相对角度。由于单片机系统是一个数字系统, 其控制信号的变换不易受外界干扰, 整个系统工作可靠, 从而利用单片机控制系统能精确地实现对PWM波占空比的调整, 达到对角度的精确调整。
3.2 角度实时调整机械控制模块
机械控制模块为角度实时调整系统的执行机构, 该模块的控制精度直接影响圆盘切刀与切材的相对角度精度。机械控制模块包括:伺服电机、联轴器和角度调整模块, 如图5所示。PLC给出的PWM信号控制伺服电机, 伺服电机通过柔性联轴器与柔性的调整原件连接, 其中的柔性调整原件的材料采用橡胶, 其目的是为了减少调整过程中, 圆盘切刀与轴肩的冲击。与此同时电机驱动角度调整组件, 根据PLC给出的调整信号, 通过弹簧伸缩, 控制压块运动转化为相应圆盘切刀的运动, 调整圆盘切刀与切材的相对角度, 从而保证圆盘切刀切出来的材料具有高端面质量。
4 结论
本次研究设计, 基于光电检测原理, 设计出高精度、实时性的圆盘切刀端面与切材相对角度的检测系统, 检测精度高达10-2rad;在此基础上, 设计了角度实时闭环调整系统, 该系统控制原理由PLC控制与伺服电机控制相结合, PLC的实时性保证了该系统的高灵敏性, 闭环调整系统保证高精度调节, 再结合弹簧压块调节, 整个系统能够满足现代分切技术的要求。本次设计的角度实时闭环调整系统在新望XW-221C全自动分条机上得到应用, 在全速生产时, 调节精度精度可达±2×10-1rad, 实际生产效果达到了预期希望, 对其他分切技术具有较大的借鉴价值。
摘要：圆盘切刀广泛应用于造纸、印刷以及软包装等领域, 具有刃口坚韧、使用寿命长、分切效率较高等优点。然而为了满足现代分切技术中的高精度、高分切端面质量要求, 实时调整圆盘切刀与切材的相对角度是一种非常有效的手段。研究设计出一套高精度的角度实时调整系统, 基于光电检测原理, 设计出圆盘角度检测系统作为整个系统的传感机构;控制原理由PLC控制与伺服电机控制相结合, 并且采用闭环控制, 具有精度高、灵敏性好以及可靠性高等优点。设计的角度实时闭环调整系统在新望XW-221C全自动分条机上得到应用, 在全速生产时, 调节精度精度可达±2×10-2rad, 实际生产效果达到了预期希望, 对其他分切技术也具有较大的借鉴价值。
关键词：圆盘切刀,光电检测技术,角度调整,PLC,伺服电机
参考文献
[1]赵延伟.软塑包装发展现状及加入WTO后面临的形式[J].中国包装工业, 2005 (07) :11-14.
[2]尹章伟, 毛中彦.包装机械[M].北京:化学工业出版社, 2006.
[3]李志鹏, 李兴根.分切机上位机控制系统的设计[J].轻工机械, 2006, 24 (3) :90-93.
[4]金国斌, 张华良.包装工艺技术与设备[M].北京:中国轻工业出版社, 2009.
[5]焦志贤.圆盘分切刀[J].机械制造, 1994 (11) :19-21.
[6]蔡玉明.互感器铁心片裁剪工艺的改进及切刀式冲模设计[J].机械设计与制造, 2003, 29 (2) :60-62.
[7]蔡吉飞, 赵鸿宾, 张祖明.光电检测技术在机械设计制造中的应用[J].机械设计与制造, 1999 (1) :56-57.
[8]姜衍仓, 田芳勇.光电编码器在非圆齿轮滚齿加工自动对刀中的应用[J].机械设计与制造, 2003 (2) :167-168.
[9]田学光, 田兴志, 刘轩, 等.大型精密转台高精度角度微驱动装置的研制[J].光学精密工程, 2010, 18 (5) :1112-1118.
[10]刘万里, 曲兴华, 欧阳健飞, 等.激光跟踪测量系统角度自动校正装置设计[J].光学精密工程, 2008, 16 (9) :1695-1700.