机电一体化技术在金属制品行业中的应用

陈文学

摘要：伴随着我国经济的不断发展，我国传统的技术已经逐渐无法满足市场对拉丝机控制技术的需求和挑战，新的拉丝机控制技术也不断的创新和发展，由于所触及的相关技术区域不同，也发现了很多值得学习和完善的地方，在近些年来的拉丝机控制技术发展的过程当中，主要是机电一体化技术的发展提高了生产的效率。因此，拉丝机控制技术研究和学习的人员必须将发展机电一体化技术作为重点来突破，本篇论文主要研究和分析机电一体化技术在直进拉丝机上的运用，了解和渗透基本拉丝机控制技术的科学构造要素，并且通过对一系列辅助装置的设计和使用，合理的研究和探讨机电一体化技术在拉丝机控制技术中的运用情况，对拉丝机控制技术的现状和发展趋势展开研究。

关键词：机电一体化技术；拉丝机控制技术；现状与发展趋势

1. 引言

通过对机电一体化技术的发展背景和历史来看，在世界上的第一位发掘“机电一体化”的是一位来自日本的学者，它通过在平时的实验和研究中发现，如何有效的将机械技术与复杂的电子技术联系结合在一起。有效的带动了对于原先技术方面短缺的部分进步和完善，在如今的机电一体化技术的发展过程当中，也是使其普遍的推广于应用市场和各个过程的环节当中去。特别是拉丝机的整体工程，在拉丝机控制技术的过程当中，它拥有繁杂的形变过程，其中所包含的研究内容较多，传统科学研究方法已经不能满足并且更好地解决金属拉丝过程中出现的问题，而机电一体化技术弥补了上述不足，是一种有效的方法与手段。

2. 机电一体化发展背景分析

这项学科的来源主要是通过一位日本的学者在二十世纪的时候所提出来的，力学的上半部分和电子学的下半部分结合起来形成了一个新词，这意味着机械技术和电子技术之间的有效联系。在我国的发展和创新过程中，我们的技术人员把它称为机械电子，在大学或专业也称为机械电子技术，意思是机械技术与电子技术和现代信息技术的完美结合产品。机械电子是微电子学、计算机技术、控制技术、光学技术和机械技术的结合。是未来许多高新技术产业和高科技装备的发展基础。

3. 机电一体化技术在金属制品行业中拉丝机上的应用

单台拉丝机的控制技术简单，本文以相对较复杂的直进式拉丝机为例来分析机电一体化技术在拉丝机上的应用

1. 机电一体化技术中机械方面在直进式拉丝机上的运用：

直进式拉丝机组成包括：主电机，减速装置，卷筒，模盒，张力摆杆，润滑系统，冷却系统，电控系统等等，只有机械做精做细了，拉丝速度才能更高，品质更稳定。机械方面有以下特点：

1. 卷筒窄缝式水冷，卷筒与水套之间有一条窄缝式水道，冷却效果更好，结构如下图

2. 模具运用水冷，而且得到的效果较好。

3. 模盒位置上下左右可调节。如下图

4. 传动的效率高、产生的噪音小;

5. 设置有跳线装置可以通过手动控制随意切换卷筒拉拔，能够适应不同的工艺

6. 结构紧凑占地面积小

（二）应用机电一体化技术来研究张力摆杆的过程。

随着直进式拉丝机的应用越来越普遍，但电气控制在网上找不到详细的资料，只有大概的原理：通过气动调谐辊（又称张力摆杆）来查测速度的变化，从而调整拉丝机变频器的速度。在这种背景下，2008年我们试做了一套气动调谐辊。试制的张力摆杆的主要参数：用φ40*100气缸活塞向外顶,短臂长100,长臂长300,气压调成0.2MPa,传感器采用φ30的电压型0-10V直线位移传感器。

1.做实验。通过多次做实验，线性位移传感器与感应铁平行移动时输出电压与距离的关系同，通过实验测得数据如下如下表（最有效范围0-15mm）

平移距离与电压信号对比表

距离mm	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
电压(V)	0.02	0.35	1.12	1.97	3.01	4.05	5.1	6.37	7.38	8.05	8.76	9.19	9.51	9.67	9.8	9.91

2.设计了信号块，把角度信号转换成距离信号，如下图。

3.电压型线性位移传感器是把机械距离变成电压信号的关键元件，外形图如下：

4. 在滑轮式拉丝机上用的简易张力摆杆。有摆杆过线轮，张力臂，转轴，φ40*100气缸，信号块，信号块固定板，传感器等组成。通过这种张力摆杆和PLC编程后把滑轮式拉丝机变成简易的直进式拉丝机，线材不经过滑轮式拉丝机顶上的过线轮，从模盒出来绕在卷筒上几圈，再经过张力摆杆上的过线轮再进下一台模盒，再绕在下一台卷筒上。通过它来查测线材速度的快慢，如下图。

5.直进式拉丝机摆杆信号块的设计：由于现场场地的限制，机台中心距1100mm时，信号块的转动角度也变小了，也就根据实际改成下面这种形状。

6. 直进式拉丝机张力摆杆。用φ40*100气缸向回拉,短臂长95,长臂长270,气压调成0.2MPa，如下图

7直进拉丝机张力摆杆的优化

在实际使用时效果不太理想。做过多种实践，有长臂长295，短臂长95;有长臂长270，短臂长95; 有长臂长255，短臂长95; 有长臂长255，短臂长100; 有长臂长255，短臂长102; 实践结果表明，气缸长短臂的比例关系2.5左右使用效果最好，运行速度1000m/min时都能满足要求，在这里说明一个问题：张力摆杆是在力量平衡的状态下才能准确反应出速度的变化。

8直进式拉丝机与象鼻收线机之间的张力摆杆的组成有：固定过线轮，活动过线轮，长臂，短臂，转轴，φ50*250气缸，信号块，信号块固定板，计米信号传感器，线性线位移传感器等组成，结构如下图

9直进式拉丝机与象鼻收线机之间的张力摆杆上过线轮由整体的优化成三个过线轮组成，各个轮子之间自由活动。如下图。

10小论：运用机电一体化技术的思维，经过多次实践后达到好用实用。关键是张力摆杆是在力量平衡的状态下才能准确反应出速度的变化，这一结论要引起广大科技工作者的注意。

（二）机电一体化技术从电气方面分析直进式拉丝机控制技术的有以下特点.

1. 运用封闭式的安全防护系统设备，安全性能稳固。

2. 设定长度到达后自动停机，它能够确定拉丝的长度然后自动停机功能.

3. 运行过种中断线检测，断线报警自动停机

4. 运行过种中如果出现故障能够自动的进行报错信息的反馈显示，以及各项环节中运行的情况进行监控。

5. 运用气动张力调谐，保障拉拔中的速度匹配好。

6. PLC控制，自动化程度高。

7. 基于通讯技术，反馈屏幕显示或实行远程操控和诊断

8. 设置有跳线装置可以通过手动控制随意切换卷筒拉拔，能够适应不同的工艺。

9. 操作简便，质量稳定。

10. 故障率低。

（三）常用拉丝机控制控制思路：

电动机经过减速装置带动卷筒转动，钢丝在卷筒上缠绕数圈后， 直接进入下一个拉丝模，继而绕在下一卷筒上，精密控制各卷筒的速度，以严格保证各拉丝模进口和出口的金属秒流量相等。

操作人员在触摸屏幕上输入拉丝模具直径的数字，PLC自动通过计算给出各台的运行速度和启动或停止信号到变频器，变频器控制电动机的运行速度及启动或停止，张力摆杆的信号进变频器或PLC实现PID调节，接近开关的信号进PLC来计米定长，电气控制方原理程图如下

（四）本公司直进式拉丝机电气控制的要点：采用了发明专利201910699340.0一种拉丝机控制装置及方法的控制方式。

一种拉丝机控制装置及方法，这种拉丝机控制装置及方法的方法为国内首创。直进式拉丝机的控制中空机台或跳机台的工作方式改写了历史，这一项技术不仅仅是国内首创，更是一项世界级的技术，填补了全世界关于这方面的技术空白。由手动方式变成了自动方式。操作员只要在触摸屏上输入拉丝模具直径的数字，PLC自动实现空机台或跳机台的逻辑和速度链的调整。真正实现自动化。其核心内容如下：

约定：模盒必须从进料开始输入模具直径数字,跳模时输入前一台模具直径数字。才能通过延伸率来判断是否跳模或空模

空模的判断：第1以的延伸率为1时，第2台延伸率大于1，内置程序自动将第1台空掉退出运行，同时将第2台的额定线作为基准速度，延伸率=前一台模具直径的平方比后一台模具直径的平方。

跳模的判断：第1以的延伸率大于1时，第2台延伸率=1，内置程序自动将第1台跳掉退出运行，同时将第1台的额定线作为基准速度，*第3台的延伸率。

1.各机台额定线速度（m／min）（指卷筒线速度）=电机转速/传动比*卷筒直径*3.14。

2. N台需要线速度（m／min）=（D_N-1*D_N-1）/（D_N*D_N）*V_N-1台需要线速度 （由金属秒流量相等，根据第1台的线速度及第1台和第2台的拉丝直径推出需要线速度，需要线速度理想状态下等于第2台的额定线速度。实际上有大于等于小于第2台的额定线速度都有）

3. N台的需要系数= N台需要线速度/N台额定线速度。

4. N台变频器的运行频率=50* N台的需要系数。（通过通讯的方式传给各机台变频器）

5. PLC根据模具直径的数字来判断跳机台还是空机台来控制（相应的输出点是否动作）变频器的启动

经过这样编程，操作员只要在触摸屏上输入拉丝模具直径的数字，PLC自动实现空机台或跳机台的逻辑和速度链的调整，真正实现自动化，填补了全世界关于这方面的技术空白

（五）. 本公司直进式拉丝机电气系统中触摸屏初始画面如下图

本公司研发直进式拉丝，采用模块化的设计，电气控制采用了201910699340.0一种拉丝机控制装置及方法的控制方式，实现了用国产原料达到1000m/min（16.67m/s）的速度，如下韶钢A18A5.5拉φ1.5时 1000m/min的速度排模：φ5.5→φ4.9→φ4.18→φ3.6→φ3.1→φ2.74→φ2.33→φ2.04→φ1.84→φ1.65→φ1.5。

结语：本公司研发的式拉丝，采用模块化的设计，运用机电一体化的思维来处理每一个细节，达到了用国产原料达到1000m/min（16.67m/s）的速度。

参考文献：

[1]周志恒,张超勇,谢阳,等.数控车床切削参数的能量效率优化[J]. 计算机集成制造系统, 2015

[2]赵峰.基于模态分布表的数控车床切削振动诊断分析[J].噪声与振动控制, 2001 [3] 吴瑞莉.数控机床切削刀具的耐磨性能研究[J].铸造技术, 2016