张雨欣 张思博 徐新 董理 杨亚楠

摘 要：在诸多生产环节中，常需要大批量具有某一固定长度的绳线，用于各种使用场合。目前常采用人工割断的方式，存在割断长度误差较高、耗费人工等问题。因此，设计一台能够进行柔性绳线定长高速切断的专用设备是十分必要的。本文采用气缸作为牵引系统，设计了可用于多根柔性绳线同时定长高速切割的机电传动系统，主要包括绳线放置导向机构、收束捆扎机构、牵引机构与切割机构。其次，基于西门子smart 200 PLC与MCGS触摸屏构建了机器的控制系统。本文设计的定长绳线高速切断机具有高效、精确、便捷的特点，能够在生产过程中较大程度上提高生产的效率，节约人工的成本，避免人工的浪费。

关键词：定长绳线;切割;高速;机器

传统的手动切割绳线的方法已经很难满足日益加快的生产需求。人工切割绳线的工作效率较低，目前，很多生产环节需要对绳线进行大批量化高精度定长切断，在定长切断传统工作过程中是人工进行测量，测量后再进行切割，如此操作工序十分烦琐，并且生产出来的绳线的长度精度较低。基于此种情况，需要设计出一种高效、精确、便捷地用于柔性绳线定长切断的专用机器。

工程技术人员已经对切割机进行了部分设计研究，王月明[1]研制的聚酯线绳切割机与传统的制作方式相比不仅可以减轻人工消耗，还能提高生产良品率，大幅度提高产品生产速度，并且原料损失也相对较少;但是该机器只能用于切割聚酯线绳，无法用于切割柔性线绳。陈晓明等[2]设计的皮带切割机以及郑晓[3]设计的皮带切割机分别用于切割块状皮革和环状皮革，该类切割机极大地减轻了人工的劳动强度和降低了成本，提高了切割的工作效率。李乐[4]探讨了管材定长切割的问题进行，确定了切割系统的基本结构：切割装置，定位测量装置、水循环系统，通过放置支架，限位孔以及刻度线等实现了管材的定长精确切断。张清林等[5]开发了一种可调节的多功能水切割工作台，能够实现工作台的自由升降、倾斜，提高了水切割机的加工范围及加工能力。袁俊华[6]研究了钢绞线穿束机的现状，介绍了市场对钢绞线穿束机定长盲割的需求。王成军[7]则针对双锚索切割机位置控制存在的问题，提出了优化方案。张强和陈再良[8]则针对多线切割设备中导轮定位的角接触关节轴承在径向力下磨损而导致定位精度下降影响切割的问题，设计了特制的锥形轴套来替代普通的关节轴承，降低了磨损的程度，提高了导轮的定位精度。俞国强[9]设计的定量全自动绳线切断机包括主体支架、导向滑轮、移动切断机构和长度计数装置，绳线通过导向滑轮后固定在移动切断机构上，所述的移动切断装置包括固定装置和切刀，且固定装置置于切刀朝向导向滑轮的一侧，所述的长度计数装置为感应移动切断装置在主体支架上滑行的距离和次数的感应计数器。通过移动切断装置实现里对绳线的定长切割，来实现绳线的定量全自动切断。

综上所述，对于柔性绳线的批量化高速定长切割，并在切割过程中实现绳线自动捆绑的自动化切割专机还没有明确涉及，因此，本文介绍了一款能实现上述功能的专用机器。

1 设计内容

本文设计的绳线高速切断机，主要是用于定长切断机切割各种柔性绳线，同时要兼顾高效、精确、便捷的要求。由于现有的绳线切断机都没有自动捆扎的功能，所以该切割机的机械结构设计思路是将数根绳线从上至下穿过收束机构后用胶带机进行固定，然后通过牵引机构牵引至切刀机构进行定长切割。所以该切断机的机械结构由绳线放置导向装置、收束捆扎装置、牵引装置、切割装置三部分组成。该切断机的机械主体结构框架如图1所示。

该切断专机的主体组成部分及其作用如下：

（1）绳线放置导向机构：该机构负责放置绳线，导向绳线至收束捆扎机构。本切割机拟同时切割十条绳线，设计了十个绳线卷筒，卷筒通过瓦片式气胀轴与固定装置相连接。每个绳线卷筒两侧有两个螺栓，用于调节瓦片式气胀轴与固定装置指节的阻尼，从而保证绳线在切割过程中是绷直的状态。十个绳线卷筒中的八个成圆形排列，需要导向装置;而位于中间位置的兩个绳线卷筒可直接让绳线穿过后续的收束捆扎、牵引等机构，所以无须设置导向装置。设计了L形的导向架将八根绳线汇聚至一处，导向架的弯曲处和末尾分别设有两个导线滚轮，绳线依次穿过两个导向滚轮后可汇至一处。

（2）收束捆扎机构：收束捆扎机构分为固定装置和胶带机捆扎装置两部分。固定装置用于捆扎时进行固定，使捆扎得更为牢固;胶带机用于捆扎加工的绳线，防止绳线在切割的过程中散开，便于生产中的后续使用。固定机构采用气胀圈装置，气胀圈由气动系统控制。捆扎机构采用齿轮驱动的方式。将胶带机固定于大齿轮盘上，由步进电机驱动小齿轮从而带动齿轮盘旋转，使胶带机绕绳线旋转，将绳线捆扎起来。固定机构上下各设有一个由齿轮驱动的胶带机。在收束捆扎机构工作时，气胀圈先充气将绳线收束固定，由步进电机驱动小齿轮从而带动齿轮盘旋转，使胶带机绕绳线旋转，将绳线捆扎起来;最后气胀圈排气松开捆扎好的绳线，由牵引装置牵引至切割机构进行下一步操作。

（3）牵引机构：该部分首先固定绳线，然后由运动装置带动绳线移动，以此将绳线运送至切割机构。绳线牵引机构分为运动装置和收束固定装置，仍使用气动系统。牵引机构的运动装置是两个气缸，气缸通过活塞杆与收束固定装置连接。绳线牵引机构工作时，由收束固定装置固定绳线，气缸推动收束固定装置向下牵引绳线，然后收束固定装置松开，气缸返回原位，如此往复牵引绳线向下运动。

（4）切割机构：该部分负责绳线的切割，通过PLC控制，来切割预定的绳线长度。绳线切割机构仍然选用气动装置推动。使用气缸向内推动两个V形的刀片对绳线进行切割。在切刀机构的正下方，设有收束固定装置，在切刀切割时固定绳线，使切割过程更加稳定，切割的横截面更加平整。

本切割机决定采用从上至下的方式来定量切割绳线，绳线依次通过捆扎机构，牵引机构，切割机构。切割机的整体结构图如图2所示。

具体操作原理：首先将绳线盘绕在轮盘上固定，然后将绳线通过导向滚轮引导汇至一起，经过锥形孔导向套将数根绳线收束至一捆，收束完成的绳线穿过收束机构的固定机构导向套后，再依次通过牵引机构的固定装置到达气缸的收束装置，以便气缸推动收束装置向下牽引绳线，同时胶带机会自动对绳线进行捆扎固定，绳线被气缸推动至合适位置时，使用气缸向内推动两个V形的刀片对绳线进行切割，绳线被切断部分自由掉落，可在下方放置盒子，以便达到收集的目的。

2 系统控制原理

现在对于绳线切割的机器在切割机的领域内研究还相对不多，目前的作业生产过程中切割柔性绳线大多还是人工切割、人工捆扎。所以本文希望设计的这一绳线切割机能够实现柔性绳线的捆扎切割全自动化。在切割机中加入PLC和触摸屏后系统应当有的几大功能为：（1）通过触摸屏设置气缸推动装置的速度，来实现绳线的牵引;同时能够设置切割长度、切割次数、捆扎圈数。（2）预先设置好切割次数后可以控制机器在设定次数工作完成之后自行关机。

采用触摸屏作为控制和获取切断专机的人机接口，将PLC作为接收和发送控制指令的下位机，通过驱动器将脉冲信号和控制信息发送给气缸和电机对这些机械完成实时控制。在系统控制方面的硬件有PLC、步进电机、捆扎机构、牵引机、切割机触摸屏、驱动器。通过触摸屏设置切断机的各项调整参数来运行PLC中的指令，PLC程序运行后向驱动器输出脉冲信号以及方向控制信号，经驱动器控制步进电机的启停、旋转角度、旋转方向等操作，再通过电机旋转小齿轮带动固定了胶带机的齿轮盘，从而进行绳线的捆扎。设计系统控制时需要考虑最短切割长度、上胶带机到切割机构的距离。本切割机的最短切割长度为两个胶带机的间距，间距为250mm;上胶带机到切割机构的距离为800mm。

3 设计亮点

本装置具有以下优点：

（1）在精确度方面：①绳线放置机构是由数绳线卷筒构成，每个绳线卷筒两侧有两个螺栓，用于调节瓦片式气胀轴与固定装置指节的阻尼，从而保证绳线在切割过程中是绷直的状态，至此也能保证绳线在切割时不会因为绳线打弯而精确度不足的问题。②绳线牵引机构采用气动系统，其中的收束固定装置采用气胀圈，气胀圈不仅拥有作业时间短的特点，同时气胀圈在面对绳线等较为柔软的材料时拥有不错的固定效果，这些特点也将为之后的精确快速切割提供基础条件。③绳线切割机构使用气缸向内推动两个V形的刀片对绳线进行切割，在切刀切割时使用气胀圈固定绳线，使绳线切割过程更加稳定，切割的横截面也会更加平整，大大减小了切割完成后的误差。

（2）在可靠性方面：①切割机采用气压传动，与传统的气动传动方式相比，气压传动的压力值需求更低，使用方式更加便捷同时也更为可靠，气压传动和液压传动装置不同，不会泄露能适应高温环境应用范围极广，可靠性高寿命长。②气动控制元件保证可靠性，为了保证压力输入过程始终在设定值以内，一旦气源或回路内部的压力出现异常时这些异常空气就会通过溢流阀被释放，以此保障各个气动元件的正常工作，同时还会使用电磁换向阀对气动控制元件用电磁方式进行控制进一步保证气动控制元件保证可靠。③气动辅件保证气动元件的安全使用，在气动装置的工作中会受到空气杂质、油气、水分等影响，为了保证机器的正常运行会通过加装过滤器对上述物体进行过滤;在气动元件的内部经常有滑动装置，为使其工作时摩擦力小，经久耐用一般需要加入润滑油进行润滑，使用油雾器将润滑油通过雾化的方式与空气一同进入零件中，润滑之后气动元件运行流畅，可靠性大大增加;加装消声器，气缸排气侧的压缩器通过换向阀的排气口排出，由于残余压力较高，排气速度快，空气膨胀快，导致气体震动，排气噪音非常大，因此在气动传动系统的排气口加装消声器来稳定气缸依次增加可靠性。④系统控制采用PLC与触摸屏控制，PLC以电子计算机为基础，触摸屏人机界面良好，可以实现信息的良好输入和输出，并具备抗干扰等优势。

（3）在适用性方面：①系统控制方面采用触摸屏作为人机交互工具，触摸屏在工作中作为机械按钮的代替品，在工业领域拥有较大的应用面，也更加方便操作人员的使用与调整，在适用性方面拥有无可代替的优越性。②在机械系统中，固定机构大部分采用气胀圈装置，由于该装置需要切割各种不同类型的尼龙绳，采用气胀圈可以较好地拟合固定各种粗细的尼龙，方便下一步的切割，采用气胀圈也大大增加了定长绳线切割机的适用性。③控制系统通过触摸屏设置切断机的各项调整参数来运行PLC中的指令，PLC程序运行后向驱动器输出脉冲信号以及方向控制信号，经驱动器控制步进电机的启停，旋转角度，旋转方向等动作，再通过电机旋转小齿轮带动胶带机的齿轮盘，从而进行绳线的捆扎。切割机主要流程为启动机器后输入切割长度启动牵引装置，之后自动完成切割。使用PLC指令控制完全可以达到简便快捷控制绳线所切割的长度，使机构适用性大大增强。

4 结语

本文基于PLC以及气动系统设计了一种高速绳线切断机。提出了以步进电机和气动系统为基础的柔性绳线高速定长切断专机机械结构，介绍了切断机的组成结构和工作原理，说明了各个机械结构的设计思路;设计了基于西门子smart 200 PLC的切断专机气动控制系统。通过该专用机器的研发，可以实现柔性绳线的定长快速切割，降低了生产过程中的人工的成本、显著提高了生产的效率，具有一定的社会与经济效益。

参考文献：

[1]王月明.聚酯线绳V带成型成组切割机的设计[J].橡胶技术与装备，1998（06）：2022.

[2]陈晓明，田涛，王光红.高效皮带切割机的研制与应用[J].山东煤炭科技，2018（12）：142143.

[3]郑晓.高效皮带切割机系统设计[J].南方农机，2019，50（22）：151.

[4]李乐，平景益，赵泽林.基于管材定长切割的系统设计研究[J].中国新通信，2018，20（15）：215.

[5]张清林，黑正荣，李蜀予.水切割机可升降倾斜工作台的研究与设计[J].宁夏教育，2019（11）：6769.

[6]袁俊华，张金芳.钢绞线自动穿束切割机[J].混凝土与水泥制品，2015（12）：8386

[7]王成军，李龙，张明坤.锚索切割机限位器的优化设计[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2015，35（02）：2731.

[8]张强，陈再良.多线切割机导轮轴套结构分析与设计[J].轴承，2019（10）：14.

[9]俞国强.定量全自动切断机：中国，CN206937410U[P].20180130.

作者简介：张雨欣（1998— ），女，汉族，安徽亳州人，本科在读，研究方向：测控技术与仪器;张思博（2000— ），男，汉族，河南漯河人，本科在读，研究方向：测控技术与仪器;徐新（1999— ），男，汉族，重庆人，本科在读，研究方向：测控技术与仪器;董理（1997— ）女，汉族，江苏徐州人，本科在读，研究方向：机械电子工程;杨亚楠（1999— ），女，汉族，云南昆明人，本科在读，研究方向：测控技术与仪器。

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