基于金刚砂的尼龙抽丝设备生产线设计研究

刘霞

摘  要：为解决原有抽丝设备生产线在喂料机进料均匀度、装配作业安全性上存在的问题，通过引入某生产线设计项目进行优化设计方案的分析，依托编程设计选定主、侧喂料机的工艺参数，引入螺杆锥形段加工方案保证金刚砂下料均匀度达标，配合垂直机头内部紧固装置的详细设计，最终解决原生产线在生产精度与工艺安全性方面的隐患问题，实现产线整体生产效能的提升。将该项目设计经验进行总结，能够为同类产线改造升级提供重要参考价值。

关键词：抽丝设备;生产线设计;喂料机参数;螺杆锥形段

近年来抽丝生产线开始引入尼龙、金刚砂等物料进行同步生产，如何改善不同物料在同一产线上的兼容性及生产效率成为产线设计项目亟需解决的问题。但现有产线的设备参数设置、下料装置设计以及物料挤出环节工艺精度控制难度均较大，对于生产线改进与自动化升级提出现实需要。

1 项目概况

以某尼龙+金刚砂抽丝设备生产线设计项目为例，该项目中抽丝设备选用S25主机，主电机5.5kW、转速400rpm、长径比L/D为44。在项目实施环节主要面临以下三项难题：（1）由于客户对于设备喂料量、进料均匀度提出较高要求，如何保证主、侧喂料机参数设置的准确性成为一大难题;（2）以往在抽丝设备投入使用后，常出现金刚砂喂料不均匀的问题，亟需优化金刚砂下料设计;（3）在生产线末端经由垂直机头挤出物料，为使细丝状物料沿垂直方向落下，将机头流道设计为直角形，出条口模处同样以垂直向下形式设计，但由于装配环节需由工人蹲在机头下方进行拆卸作业，机头部件选用氮化钢材料制成、质量较重，易在拆卸过程中对装配员工生命安全构成威胁，增加现场安全隐患[1]。

2 抽丝设备生产线设计要点

2.1 主、侧喂料机参数选取

该生产线上主、侧喂料机分别用于喂入PP粒料和金刚砂，按客户要求将喂料量控制在15kg/h左右、保证进料均匀。将物料堆积密度代入质量=密度×体积公式中，确定选用WS25C体积式双螺杆喂料机;再根据经验数据得出双螺杆设备的输送效率为30%，计算出喂料体积的理论值;又根据体积值计算啮合双螺杆的大径、小径、导程等参数，最终确定喂料机螺杆参数、电机速比等标准值，保证喂料配比正确[2]。为确保上述计算流程的正确运行，该项目中引入count宏程序进行参数设置，使啮合双螺杆使用体积接近理论值，并根据金刚砂粉料的堆积密度完成侧喂料机螺杆参数、电机速比的设置。

在编程设计上，根据设备基本参数、关键机构运动轨迹、误差补偿等计算要求，运用count宏程序进行主、侧喂料机参数的自动计算，基本步骤为“创建项目——配置各模块参数、设置通讯参数——确定变量数目与类型、完成表格填写——运用梯形图完成编程——下载程序、仿真实验”。其中在控制系统程序设计上，利用RS485总线将PLC、变频器与触摸屏连接，在触摸屏界面上直接监控电机各项运行参数，自动计算出单台电机的转速比，完成电机转速设计，并通过将其与控制程序结合完成整体生产线控制系统的软件设计。该程序适用于检验结构与零件设计参数是否符合运行要求，生成螺杆加工程序等，利用PLC控制系统获取生产线上不同设备及执行机构的动作参数，并向变频器发送控制指令，用于调节电机等设备速度，具备良好的通用价值。

2.2 金刚砂下料设计

考虑到侧喂料机螺杆全程由螺纹推送物料，因螺杆输送物料过程中未设置缓存阶段，导致金刚砂进入筒体时存在不均匀现象。基于此，该项目中拟在螺杆尾部车一段锥段，在螺杆输送过程中使部分金刚砂在螺杆尾部得到缓存，最终以料推料模式进入筒体，实现均匀喂料。与此同时，对金刚砂接料盒进行优化设计，将筒体开口挡料块、接料盒设计为圆形开口式，在装配环节使金刚砂下料口对准挡料块圆形开口，避免金刚砂物料下落过程中接触到接料盒，保证实现均匀下料。

在螺杆锥形段加工方法设计上，根据功能段要求与啮合特性，利用五轴联动数控机床执行加工作业，选用圆柱形立铣刀按“开槽——铣右侧——铣左侧”的顺序进行螺杆铣削加工，在开槽环节预留较小余量，用于减小铣削左右侧时刀具的切削量，依托铣床新增B轴进行螺杆锥形段的加工，借此缩短以往磨刀耗时、提高加工效率，并且对螺杆采用简化渐开线齿形设计，在铣削左右两侧时分别增加一刀，最终利用五刀完成螺杆锥形段加工[3]。

考虑到数控机床B轴与铣刀之间设有一段距离，需在加工环节进行补偿计算，将B轴与主轴端面距离设为Lj，刀具悬伸长度设为Ld、摆角设为α，则加工补偿的计算公式为：

其中当铣头沿B轴回转中心做顺时针摆动时，摆角取值为负数，此时X取值为正、Z取值为负;当铣头做逆时针摆动时，摆角取值为正数，X、Z取值均为正。

在刀加工轨迹计算上，分别考虑粗加工、精加工两个环节，其中粗加工环节刀具铣削宽度等同于螺旋槽宽，精加工环节需对原螺旋槽进行拓宽、完成齿面加工。利用五轴联动数控机床进行螺杆加工，将铣刀底部中点设为刀位点（X，Y，Z，B，C），已知Y坐标为给定数值、B坐标为α，设加工点位与Z轴零點的间距为Lji、螺杆锥形段大端内径为d1、内半锥角为θ2、待加工锥形段导程为Si、Z轴让出长度为Lri，则铣刀起止到位点的计算公式分别为：

2.3 垂直机头设计

为解决垂直机头装配环节的安全隐患，拟在机头内部设计凹槽，将容积体、多孔板、出条口模板等零件均安装在一个固定圈内，固定圈推进机头后旋转30°、卡入凹槽内，再上螺钉锁紧。待拆卸机头环节，将连接螺杆全部拆下后，仅需由装配人员将固定圈旋转30°，即可将机头完整拆掉，避免内部零件掉落。在机头内部详细设计上，利用固定圈在机头内形成垂直固定支撑结构，分别将容积体、板材与模板在固定圈内安装固定，确保端面、轴孔之间的垂直度达标，并利用固定圈将支撑筒进行紧固处理，固定圈、筒体主要利用螺纹进行连接。借助固定圈的设计使机头内部零件实现一体化成型。

3 仿真分析及现场调试

3.1 仿真分析

采用ADAMS软件建立抽丝设备生产线模型，代入设备基本参数及坐标点构建点模型，结合关键机构设计图纸计算出不同零件参数。为真实反映出送料、抽丝作业流程，引入参数化建模方法进行点坐标自变量、因变量设置，选用运动参数化工具基于函数约束关系进行各点位关联性的分析，用于对优化设计后抽丝生产线的运行效果进行检验。

3.2 现状调试

分两个环节进行现场调试，其一是落实生产线上不同设备间线路连接，考虑到现场线缆均置于同一电缆槽中，通过利用控制线套住钢管，用于有效屏蔽电磁干扰问题，并加装温度传感器提供过载保护;其二是PLC控制系统的现场接线处理，将数字量输入、输出模块分别接入按钮、指示灯等开关量，借助RS485接口实现控制系统与变频器之间的通讯连接，保证PLC现场接线的准确性。待完成现场部件连接及接线处理后，通电、开机运行，利用触摸屏对整体抽丝生产线运行过程进行控制，可观察到实际输入速度为4.95m/s、长度为200.15m、直径为5.58mm，说明整套生产线的稳定性与可靠度均达标，满足生产工艺要求。

4 结论

结合上述流程进行生产线设计优化，有效提升整体产线的自动化运行水平及生产效率，并且通过在原有圆柱形螺杆上加装锥形段，适当调节不同机构的长度、间隙，可使物料被充分挤压、实现均匀输送，减轻零部件之间的干扰问题，维护正常生产作业的高效运行。未来还需聚焦生产能耗降低、成品质量提升、产线性能优化等层面进行产线改造方案设计，为同类项目中产线改造升级提供示范经验。

参考文献：

[1] 许绩彤，陈楠.基于精益生产思想的自动化生产线设备前期规划设计探究[J].中国设备工程，2020，（21）：2.

[2] 陆晨芳，陆江，龙忠海，等.教学型智能制造生产线的设计[J].机械制造，2020，（01）：4.

[3] 周冲，黄轶群，郑义，等.装配式建筑预制混凝土构件循环生产线工艺布局设计[J].施工技术，2020，（05）：5.