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摘要：本文先对设计电热毯发热线合线机的技术背景进行了分析，再分别加以图例介绍了电热毯发热线合线机的机械设计、电气自动化控制方案设计以及自制的变频联动板，最后通过数据说明电热毯发热线合线机自动化控制设计的重要性。
关键词：电热毯发热线合线机；机械设计方案；电气自动化控制方案；张力机构；往复式排线器；自制变频联动板
电热毯发热线合线机设计技术背景
电热毯作为一种家庭床上取暖用品，直接与被褥等可燃物接触，如发生漏电燃烧事故，后果不堪设想，因此每床电热毯发热线必须通过3750V高电压浸水耐压测试、模仿人体蹬压4000次机械强度试验。发热线作为生产电热毯的核心部件，因此对设备稳定性要求特别高。发热线采用双层螺旋式，内层发热，外层感温保护。生产发热线的二次绕线工序主要是完成螺旋绕制感温外层。感温丝由直径：φ0.14mm经轧扁后厚度为：0.06±0.01mm的紫铜丝二次绕线完成，其半成品直径为：φ1.35±0.05mm，存放于尼龙收线盘内，每个尼龙收线盘大约储存6000米半成品发热线，然后直接进入二次挤塑工序。二次挤塑平均线速度约为200米/分，因此二次挤塑机每间隔30分钟就要停机更换一次尼龙收线盘。近几年随着国家经济的发展，人们物质生活水平日益不断提高，电热毯逐步成为冬季日常生活必需品。成都彩虹电器（集团）股份有限公司作为全国最大的电热毯生产企业，电热毯销量逐年递增，电热毯发热线产量每年增加约200万根。随着产量的增加，现有设备生产达到饱和，迫切需要一种设备来实现减少停机时间，减少浪费，提升二次挤塑机产量，因此电热毯发热线合线机应运而生。
电热毯发热线合线机主要完成将多个尼龙收线盘内的发热线半成品有规则的合于一个自制大盘内。这就增加了一道工序，且发热线感温丝直接与合线机的机械零部件接触，如何实现自动化控制、保证发热线在合线过程中的质量成为合线机方案设计思考的重点。
电热毯发热线合线机机械设计方案
首先，在确保质量的情况下对于机械设计方案中部分机械部件采用现有设备的备品备件。整个电热毯发热线合线机主要分为以下六个部分：电气控制箱、放线机构、张力机构、往复式排线机构、收线机构及合线机底座。电热毯发热线合线机总装配图如下：
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电热毯发热线合线机总装配图一
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电热毯发热线合线机总装配图二
一、电气控制箱：电热毯发热线合线机总装配图中2所示为根据安装位置尺寸采用的定制电气控制箱，尺寸：380X60X520mm，内置：三相空气开关、中间继电器座、变频联动板、变频器、时间继电器座以及接线端子等；面板：计米器、电源指示灯、收线调速电位器、放线及收线启动/停止按钮开关、蜂鸣器等。
二、放线机构：电热毯发热线合线机的重要组成部分。在总装配图中1为尼龙放线盘：φ400X180mm，通过三相异步放线电机经三角带传动，带动尼龙放线盘运转；12为三相异步放线电机M1，电机速度调节由张力多圈4.7K进口电位器RW1经变频联动板反馈直流0-10V电压到放线1.5KW变频器控制。
三、张力机构：作为整个自动化控制设计思路的核心，主要作用在于保持合线速度的恒定。在放线、收线环节，必须随盘径的变化而保持张力的恒定，并且在合线过程中减少对发热线半成品的磨损，故必须采用变速调节。在电热毯发热线合线机总装配图中张力机构主要包括3、4、5、13。其中3为直径φ25mm的限位滚筒，材料：40Cr，热处理表面镀硬铬，限位滚筒两端装配深沟球轴承61900，通过可移动旋转式限位滚筒支架1根横向、2根纵向固定限位，保证在合线过程中能自由运转且不对发热线半成品造成磨损。4为直径φ180mm的尼龙槽轮，主要用于在限位滚筒与张力轮之间过渡配合调节张力力度，防止发热线半成品松垮造成浪费，并且可用于安装测量计米器或线速度表的接近开关信号来源。5为张力槽钢支架，两组张力轮采用现有的φ235mm尼龙注塑轮，上端七件张力轮固定于槽钢支架上，另一组六件张力轮则设计在两根装有直线轴承座的张力光杆支座上，可上下自由滑动，工作过程中需做到润滑保养；为更理想的达到自动化控制设计，在张力槽钢支架的上端安装了“上限告警”行程开关L/SW（DOWN），下端固定了“下限停车”行程开关L/SW（UP）。13为固定于张力槽钢支架上的张力链条过轮，链条前端与直线轴承座连接板固定，后端加以配重砝码，以确保张力轮在合线过程中随张力大小的改变能上下自由滑动。张力链条过轮的中心孔通过直径φ8的配套软管连接一只多圈4.7K进口电位器RW1，多圈电位器的三组接线端头通过三芯电源线与变频联动板相连，当张力轮在上下滑动的过程中多圈电位器的阻值也随之改变，通过变频联动板的直流电压反馈经变频器达到控制三相异步放线电机的运转速度。
四、往复式排线机构：往复式光杆排线器在电热毯发热线合线机设计中起着很重要的作用。电热毯发热线合线机总装配图中8所示为光杆排线器，通过收线电机三角带带动与收线盘同步运转。为杜绝发热线半成品因磨损、卡丝等造成的浪费，本设计采用的是韩国进口往复式光杆排线器，单次来回节距速度不均匀（国产光杆排线器只能做到节距来回均匀），避免排线错层，以解决卡丝等问题。工作原理是排线器内部三个“V”型轴承互成一定的夹角，中间“V”型轴承的往复轴承座上有两个相互垂直的针孔，一端通过压缩扭簧调节塑料撞块来实现瞬间变向，另一端与外部调速旋钮相连通过控制中间“V”型轴承与两端固定的“V”型轴承的夹角来调节单次节距来回不均匀的速度。光杆表面硬度要求：HRC50°～60°，其外径公差要求：h6，直度要求：＜0.1mm/m，长度要求：688mm，光杆两端必须倒角2×30°，为提高光杆与排线器的寿命、保证排线质量，收线盘与光杆的速比关系1.5：1。在电热毯发热线合线机总装配图中7为与往复式光杆排线器融为一体的排线限位支座，前端固定两只φ20mm限位滚筒，两端装配618深沟球轴承，保证限位滚筒能灵活运转；后端为陶瓷过线轮，以减少发热线半成品的磨损并防止发热线半成品跳出运行轨迹。
五、收线机构：收线机构是电热毯发热线合线机机械设计的重点。首先设计了一套用于安装收线铁制大盘的摇背，如合线机总装配图中14所示，摇背升降采用液压顶升控制。图中9为收线铁制大盘，外径：φ610mm，内径：φ220mm，宽：450mm，有效宽度：400mm，能够装载发热线半成品约5万米，总体重约200Kg，为保护发热线半成品和生产车间地面，在收线盘搬运过程中使用专业设计改造的手动液压叉车。图中10为收线三相异步电机M2，收线电机通过电气控制箱面板4.7K单圈调速电位器RW2调节收线速度。三相异步收线电机通过三角带带动收线大盘和往复式排线器同步运转。收线皮带轮轴与收线盘轴通过联轴器17相连且为方便上下收线盘，收线皮带轮轴端联轴器采用滑配。收线盘轴两端装配6209Z深沟球轴承以带动收线盘运转，为固定收线盘且保证收线盘在运转过程中不相对轴滑动，在收线轴上设计安装了顶锥16，顶锥左端通过销轴固定于收线盘轴上且与收线盘通过销孔固定，顶锥右端采用专用设计工具通过锁紧螺母将收线盘顶升固定。设计过程中考虑到收线盘转动惯性力量大，为保证安全生产，在收线轴两端的6209Z轴承座设计了一套轴承座卡座15。
六、合线机底座：为减小设备占地面积，方便操作与维修，充分利用空间，设计底座材料为：方钢120X80X6mm，安装尺寸：1575X1110mm，并在底座设计六个地脚以固定设备，减小运转过程中的震动。
在电热毯发热线合线机总装配图一中6代表发热线半成品在机械零部件上的绕制运行轨迹。
电热毯发热线合线机电气自动化控制方案
此电气自动化控制方案中一个重大的突破在于采用电气刹车控制，改变了传统的机械电磁阀气动控制方式，以此简化了机械结构并使刹车控制更安全、更可靠。电热毯发热线合线机电气自动化控制原理图如下电路图1、电路图2所示。电路图2中，R、S、T为三相交流电源输入端，U、V、W为三相交流电源输出端，接三相异步电机；21、23脚接交流变频器FWD正转/停止，22、24脚接DCM数字信号共同端子；25、28脚接交流变频器AVI主速指令0-10V，26、29脚接ACM模拟信号共同端，27脚接+10V频率设定用电源；刹车电阻接B1、B2端子。M1三相异步放线电机主要参数包括功率：1.5KW，电压：380V，电机型号：90L-4，转速：1400r/min；M2三相异步收线电机主要参数包括功率：2.2KW，电压：380V，电机型号：Y112M-6，转速：940r/min。
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电热毯发热线合线机电路图1
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电热毯发热线合线机电路图2
在电路图1中，当空气开关闭合时，交流变频器得电，电源指示灯1HD亮；将旋转开关SS1拨至工作状态，刹车线圈SC断开，行程开关L/SW（DOWN）闭合则RY3线圈得电，常开触点闭合；当按下PBL1按钮开关时RY1线圈通电同时2HD指示灯亮，RY1常开触点闭合，1、3脚形成自锁回路，放线交流变频器处于“RUN”状态，PBL1、RY1、PB1形成放线启保停回路；当按下PBL2按钮开关时RY2线圈通电同时3HD指示灯亮，RY2常开触点闭合，1、6脚形成自锁回路，收线交流变频器处于“RUN”状态，RY2常闭触点断开，时间继电器SJ常闭触点延时断开，当按下PB2停止按钮时，RY2线圈失电，常闭触点闭合，时间继电器SJ常闭触点瞬时闭合，刹车线圈SC工作。在运行过程中，若张力轮使下限行程开关L/SW（DOWN）断开，RY3线圈失电，放线和收线均同时停止工作；若张力轮使上限行程开关L/SW（UP）闭合，则BE线圈通电，蜂鸣器工作，告警操作人员调整收放线速度。将SS1旋转开关拨至停止时，1、13脚形成通路，刹车线圈SC工作，同时1、9脚失电，RY3线圈失电，收放线均停止工作。
自制变频联动板控制电路设计说明及工作原理
1.彩虹电器集团在生产的多台发热线制线设备中，为保持挤塑线速度的恒定，在放线，收线环节，必须随盘径的变化而保持张力的恒定，故必须变速调节。
2.放线收线机的张力变速调节全部采用交流变频器的交流调速。为了统一全部变频器的变速调节指令信号，统一为0-10V直流电压信号。采用多种张力调节机构，在保证张力一致时，位置发生变化时带动多圈电位器旋转分压得到。
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3.因张力调节机构类型不一，调节范围，行程，起始点不同，同时为保护多圈电位器免于运行在电位器的两端，便于调节零点，统一信号，故设计了此变频联动板控制电路，控制电路图如上所示。
4.此电路的作用有两点：A。能调节信号零号；B。有一定增益且可调节。
5.电路由±15稳压电源，调零点电路，一个324四运放电路及1个射极跟随器组成。LM7815和LM7915组成正负电流。四运放的1，2运放组成信号跟随，张力调节信号由S2输入，运放3组成增益放大和增益调节。运放4将调节增益后的信号和调零信号综合放大后经射极跟随器由P端输出统一的0-10V电压信号，用于变频器速度调节。B为S2输入信号的跟随。R1、R2端留作备用，主要便于在调速电位器中串联合适的电阻值。S3为电位器的电压端。
总结
电热毯发热线合线机占地面积小，能耗低，安全可靠，自动化控制，维护与操作方便；合线大盘在挤塑过程中实现了连续工作4小时不停机，在保证产品质量的同时有效的提升了生产效率；以前更换一次尼龙收线盘，浪费发热线100-200米，新制合线机则有效的控制浪费在4.8-27米，大幅减少了资源浪费，每年可实现节约经济价值约100万元，产品合格率达到98%以上。
参考文献：
[1]濮良贵.机械设计.第6版.北京：高等教育出版社，1996
[2]陈远龄.机床电气自动控制.修订本.重庆：重庆大学出版社，1995
[3]中达电通.台达高机能、向量型交流马达驱动器使用手册.VFD-B系列