24机电技术2018年8月
eps复合保温板
方添泉张丽萍石志炜
(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350108)
摘要：该电线剪裁机主要由机械结构和电路控制两部分组成。机械主体结构由导轮机构、剪线机构和卡爪机构3 个部分组成；电路控制系统由STC89C52RC单片机、码盘电机、电动推杆等部分组成，单片机控制整个送线剪线过程。样 机试验表明，该机能够快速剪切出满足要求的电线供布线人员所需，提高了安装效率。 关键词：电线；智能剪裁；机械结构；电路控制
中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号=1672-4801(2018)04-024-04
D01:10.19508/jki.l672-4801.2018.04.008
随着自动化技术的快速发展，安装自动化设
备需要用到大量的电线。在传统的机电设备安装
中，所用到的电线基本上是靠人工剪裁。人工剪
裁虽然能够达到安装目的，但需要布线人员自己
放线，并且还要用米尺等量具量取长度：这样不仅
费时费力，而且安装效率低下。为了提高为中小型
机械设备的安装效率，且考虑到中小型设备(6 kW 以内）所用的电线铜芯一般最大不超过4.0 mm2 (每1 mm2的铜导线在三相平衡电路可以承受2~ 2.5 kW的功率），故以此为设计基点，设计一款电 线剪裁机，其电线长度剪裁误差不超过±5 m rr^本文主要阐述了此款剪线机的机械结构和电路控 制部分等相关设计。
1电线剪裁机整体设计
电线剪裁机实物如图1所示，由机械结构和 电路控制两部分组成。机械结构主体包括剪线机 构、导轮机构和卡爪机构，辅助结构包括上下箱 体、转盘等。其中：导轮机构是电线剪裁机的最主 要部分，实现电线输送功能；剪线机构主要负责剪 裁电线；卡爪机构为电线提供一定的预紧力，以防 止在送
线过程中，电线盘受到导轮提供的拉力而 内陷。电路控制系统由STC89C52RC单片机、码 盘电机、电动推杆、矩阵按键及液晶显示屏等组 成。其中：单片机控制码盘电机带动导轮机构输 送电线，还控制电动推杆带动剪线机构剪裁电线; 矩阵按键输入需要剪裁的电线的数量和长度信 息；液晶显本屏显亦输入的信息。
图1电线剪裁机实物图
2导轮机构的设计
电线剪裁机的导轮机构实现电线输送功能，其机构图如图2所示。导轮机构由从动轮、支架、扭簧、支架轴、铰链座、主动轮等组成。在工作过 程中，电线从卡爪机构送出后通过导线座的导线 孔进人导轮机构，即电线夹在主动轮与从动轮之 间的导线槽内，主动轮与码盘电机的电机轴相连，码盘电机带动主动轮旋转提供动力，带动电线往 前送，完成送线过程。此设计可使从动轮及支架 能够绕支架轴转动，顺时针旋转间隙变大，从而调 整主动轮与从动轮之间的间隙大小，以满足不同 型号的电线需求。为使电线输送过程稳定，所设 计导轮机构在主动轮上设有导线槽，使电线能够 在导线槽内稳定传送。要实现送线过程，要求主、动轮对电线由一定的摩擦力，使电线能够顺利送 出；因此在支架轴上安装扭簧，扭簧形变产生扭矩 满足送线需求。
以下对扭簧提供的扭矩及形变角度进行分析 计算。导轮机构的受力图如图3所示。
作者简介：方添泉(1995—)，男，本科生，从事机电一体化学习研究。通讯作者：张丽萍(1972— )，女，副教授，博士，
主要从事自动检测技术研究。
第4期方添泉等：电线剪裁机的设计
25
1.码盘电机;
2.电机支架;
3.导线座;
4.从动轮;
5.支架;
6.扭簧；
7.支架轴;8.铰链座;9.主动轮;10.导线槽;11.导线孔
图中：a =127。J =63 111111，/^为作用在电线上 的预紧力，/为导轮与电线的摩擦力，' 为拉力，M 为扭簧受到的扭矩。经多次重复试验测得，拉动 4 mm 2铜芯电线所需拉力为5 N ；为满足拉线需求， 取系数奴=1.2，所以八=6 N 。由力的平衡公式得：
户心=6N
(1)则预紧力巧为：
F !=/s =6/0.25=24 N
(2)
式中为导轮与电线的滚动摩擦系数，导轮为橡
胶材料，取s =0.25。由巧可计算出M :
x /= 0.197 Nm ...........
(3)
cos(a - 90°)
选用扭賛线径2.0 mm 、中径18 mm 、角长30 mm 、 圈数为10圈、不锈钢材质、原始角度为150 ° ，计 算出扭簧弹性系数=472.64 g -mm /(°)D 扭簧的 形变角度As :
如
=| = 42_64。
（
4)
安装角度应小于扭簧原始角度减去形变角 度，即
矣
150。-如=107.36。，故安装角度小于
等于107.36°即可满足设计要求。本设计安装角 度选为105。。
3剪线机构的设计
剪线机构由下箱体、电动推杆、连接件、下刀
座、刀片和上刀座组成，如图4所示。在下箱体上 设有滑槽，电动推杆通过连接件与下刀座连接，下 刀座上装有刀片，因此刀片可随电动推杆的运动 在下箱体滑槽内上下运动。电动推杆提供剪裁电 线所需要的力，此力通过下刀座传递至刀片，刀片 再作用于电线上。该力要满足剪断电线的要求， 因此必须进行分析计算。
图4
电线剪裁机前线机构图
模切机刀模1.电动推杆;
2.连接件;
3.下箱体;
4.下刀座；
5.刀片;
6.上刀座;
7.滑槽
铜的剪切弹性模量在
44 ~49 GPa，随材料软
硬而变化；抗剪强度在150 ~ 200 MPa，同样随材
料软硬而变化，为保证能够顺利剪断铜芯，取r =
200MPa 〇由剪切力的计算公式[1]:
t =
Fs/A
(5)
式中为电线横截面积，Fs 为电线受到的内力。
f 是所需剪切力，大小等于内力^。要剪裁 4 mm 2铜芯，需
F =
F s
=
t XA = 200MPa X 4mm 2 = 800 N (6)
本设计选用型号为XTL 10的电动推杆，其行程为 10 mm 、速度为12 mm /s 、推力为1000 N ，可剪裁铜 芯截面积
F -c —2
(7)
A
-
：5i
在满足设计要求情况下，可剪裁5 mm 2铜芯电线， 大于原设计的4 mm 2
铜芯电线。
4卡爪机构的设计
卡爪机构由卡爪、座盖、压簧和底座组成，如 图5所示。众所周知，电线是成盘包装的，部分型 号电线盘中间是空心的，在拉扯的过程中难免受 力内陷，造成电线缠绕在一起；卡爪机构正是为解 决电线在拉扯过程中的内陷问题而设计的：在卡 爪与底座之间装有压簧，使压簧处于收缩状态，即 可为卡爪提供有一定的预紧力，使电线受力而不 内陷。鞋帮
本设计，卡爪可在底座滑槽内滑动；当卡爪滑 动至最外沿，仍需提供满足要求的预紧力。经多 次重复试验测得，当拉力为6 N时，为防止电线内 陷，整组压簧需提供5.5 N的预紧力；本组3个压 簧呈星型放置，则单个压簧受力：
Ft=5.5/(1+1/^ )=3.22N(8)本设计选用压簧线径为2 mm、原始长度为90 mm、中径为18111111，可计算出弹性系数^:2=184.66^111111。由压賛计算公式可得压簧收缩量A* :
Ax>FA2=n mm(9)为留有余量，取A* =20 mm。当卡爪滑动至最外 沿时，压簧预压缩量为20 mm、大于17 mm：满足设 计要求。
5电线剪裁机电路控制部分设计
STC89C52RC单片机作为电线剪裁机的控制 核心，其控制原理如图6所示。P0引脚连接按键 可实现数据的输入，P2.0—P2.4引脚控制12864G- 086-P液晶显示屏，P1.0—P1.3引脚控制L298N驱 动模块。L298N通过输出A控制电动推杆的升降 实现电线的剪裁，还通过输出B控制码盘电机的 转动从而带动整个导轮机构的运动[2_4]。码盘电 机的码盘一圈有72个计数点，每次经过1个计数点会产生1个脉冲信号，过P3.5引脚将信号传人单 片机，并产生中断，通过对脉冲信号的计数实现电 线长度计算功能。主动轮导线槽直径d为70 mm，其周长=220 mm，每转过1个计数点对应电 线长度=220/72=3.055 mm，满足±5 mm允许误 差的设计要求。
图6电线剪裁机电路原理图
电线剪裁机程序流程如图7所示：按键输入 电线的数量和长度信息后，判断数量是否为0。当 数量不为0时，判断长度是否小于剪裁的允许误 差5 mm〇当长度不小于5 mm时，码盘电机正转 送线，通过中断计算输人脉冲信号的数量从而计 算送出的电线长度；每产生1个中断，长度减去 3.055 mm。当长度小于5 mm时，码盘电机停止转 动，电动推杆带动剪线机构剪断电线，延时2 s。延时时间到，判断数量是否为0：若数量不为0，则 继续上述循环；若数量为0，即表明所需求的数量 和长度的电线已剪切完成。
图7电线剪裁流程图
(下转第100瓦)
偏差0.6105 mm〇图6下方进一步显7K连杆8个位 置的详细偏差情况，并列于表中，可以看出：偏差 均在误差范围内。图7是特征孔对称截面处尺寸标 定，可以看出：圆柱孔1直径为49.9976 mm，圆柱孔 2的直径为21.8971 mm，中心距离为135.2109 mm。
_M I3|
图7特征孔尺寸标定高浓除砂器
4结论
使用高精度的REVscan三维激光扫描仪对汽 车连杆进行扫描，获取汽车连杆点云数据，通过 Geomagic Qualify检测软件对获得的点S数据进 行处理、对齐和比较，得到汽车连杆的检测结果：
1)汽车连杆的3D比较结果直观地反映了其各个部位在空间上的误差情况，其中在两定位孔
之间的腹杆偏差比连杆其他部位大，最大的上偏
差为4.2815 mm、最小下偏差为-6.8750 mm，连杆
整体偏差情况较小，标准偏差为0.9489 mm〇
2) 汽车连杆的特征比较结果显示了两定位圆 孔的直径偏差情况：圆柱孔1测量值为51.2528 mm，理论值50.00 mm，偏差为1.2528mm；圆柱孔2
测量值为22.1704 mm，理论值22.00 mm，偏差为
0.1704 mm〇
3) 汽车连杆的2D比较结果显示了汽车连杆 轴对称面上的各个部位偏差情况：最大的偏差为
1.4685 mm，最小的下偏差为-1.456 mm，标准偏差
为 0.6105 mm〇
通过对偏差的大小进行谱的区分，对连杆
偏差合格的标准设定颜可以很直接的判断出那
个部位不合格。此方法可以有效的消除测量时人
为因素造成的误差，缩短检测时间。此方法操作
方便，能迅速且精确的测量出连杆的尺寸偏差，为
连杆的在线检测提供一种快捷的手段，可以避免
不合格品流人下个生产环节而增加不必要的生产
成本；为设计改进提供依据，一定程度上提高了产
品的质量。
电渗析模块参考文献：
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(上接第26页）
6结束语
针对人工剪裁电线效率低这一问题，设计了 一款电线剪裁机。此电线剪裁机由电路控制部分 和机械结构部分组成。电路控制部分可以输人和 显示所需剪裁电线的数量和长度信息，并实现了电线长度和数量的计算；此外，通过STC89C52RC 单片机对码盘电机和电动推杆的控制，带动机械 结构的运动，完成了电线传送和剪裁的任务。样 机实验表明，机器具有体积小、易携带和剪裁效率 局等优点〇
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