第 1 章 绪论
1.1 课题背景及现状
全球第一台无纺布切割机是被 Tidland misesz 制造出来的。这种设备可以在生产过程中根据客户的需求对较长的物料进行切割、分切等操作，由此被称为无纺布分切机。玻璃纤维布具有广泛的用途，因为它具有耐酸，耐碱，耐油，抗有机溶剂和抗毒的作用。因此，玻璃纤维布可用于石油化学工业，并可用于运输油管，储备罐或天然气罐和液化气罐。玻璃纤维布也可以用于建筑材料，玻璃纤维布也可以在公路工程中凸显重要的用处。第一点：玻璃纤维布加入沥青公路中相当筋部，由于玻璃纤维布的拉伸力，可以阻止沥青缝隙的扩张。第二点：扩散应力的作用，可以减少裂缝处的应力集中，增大公路内部的抗拉强度和低温收缩系数。第三点：加入玻璃纤维后，有很好的隔离防渗的作用。玻璃纤维布在沥青的作用下，可以形成一层隔水的防护层，这样能保护泥水对公地基的破坏和侵蚀。
最早的分切机是由国外发明的，美国的杜森百瑞(DUSEBERY)于上世纪中叶就制造出了首台薄膜分切机，到现在仅仅半个世纪，分切机的技术以及能实现的功能有了飞快的发展。总长约 10 米，最高工作转速能够达到 1200m/min 的大型分切机已经被德国康普(KAMPF)公司制造出。目前西欧及日本等地的厂家能生产出 1 米以上的高速独立臂中心收卷分切机[1]。
我国生产分切机的厂家主要分散在杭州市、海宁市、无锡市、南京市，以及湖北省、北京市、陕西省等地方，其中囊括了大华、安顺、松德、北人、泰德等 1 0 多家分切机制造公司，这些厂家的分切机制造水平基本能够代表我国分切机的制造水平。我国生产制造出的切割机与 DUSEBERY、KAMPF 这些大品牌存在着一定的差距，目前只有杭州大华机电技术有限公司与德国 GSE 公司共同制造的通用型分切机具有国际先进水平，该种类的切割机的收卷方式为中心收卷，它的数字控制与驱动技术也是国内最先进的，即使如此其最高转速也只能达到 450m/min，据了解国内大多数分切机最高转速只有 400m/min。在中国，使用切割机大概分为下面几个阶段。第一阶段是将较长的无纺布切割成较短的无纺布段，被称为成一次切割。一次切割完成后，物料主要被提供给其它加工企业,其他加工企业再对其进行二次加工或三次加工是为二次切割或三次切割,近几年包装企业之间的竞争也越来越激烈,为了能够给从属客户提供更好的服务,包装企业也进入了二次切割行业。
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1.2 玻璃纤维无纺布分切机的发展
1.2.1 分切机结构设计
不论是一次切割、二次切割还是三次切割，国内分切机生产厂商都应该自主创新展现出我国分切机的特色，摆脱固有的思维方式，应当细致的考虑客户对分切机的具体功能的需求，从而进行设计，自主研发出更加合理的多功能式分切机，这使分切机在切割不同材料时的切分的类型更加详细。
1.2.2 分切机电气控制系统
虽然目前对国内外控制原器件的使用在各个厂家已非常广泛且国内外控制原器件价格也较为廉价，但是国产分切机的自动化控制水平还很低[10]。与发达国家相比，我国厂家的不足之处是对于分切机的分切过程和材料特性的认识上不够深刻，不仅是在控制系统上。随着软件在机械行业的应用日益普遍和深入，以及各种电子信息技术被机械领域出色的技术人才应用到包装机械制造领域，这反映出现代我国包装机械正逐步走向高科技领域。随着控制技术在工业领域的应用和改进，诸如微处理器和可编程控制器之类的大规模集成电路的广泛使用加速了工业自动化的发展。因此，可编程控制器已被应用于越来越多的工业控制过程中，并取得了良好的效果[11]。
1.2.3 生产制造要求
每一个机械设备在满足结构设计合理的基础上，还要求在制造上非常精细，反观国内制造业在这方面还需要完善。此外，制造工艺也是我国制造业的一个薄弱环节。在日常生产中我们会用一些常用的机床，但我们不能局限于此，分切机制造精度等级高,我们需要有专门生产制造分切机部件的设备如线切割机等。分切机的一些零部件需要用数控机床来生产加工，但是由于数控机床换刀不能达到自动化水平．因此数控加工中心应该被推广到分切机加工工厂，这样才能从根本上保证所生产出的切割机设备的加工要求[12]。
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第 2 章 玻璃纤维无纺布分切机结构总体方案设计
2.1 总体方案的设计
2.1.1 无纺布分切机的设计目的
现代生产多种多样，从而每个客户对不同尺寸的玻璃纤维无纺布的需求有所不同，这时就需要将宽幅无纺布匹准确切割成不同长度。由于玻璃纤维无纺布匹较松散且加工温度又有严格的限制，目前方法是手工切割，这种方式对于工人来说工作时间长且切割质量参差不齐，加工过程的效率低和废品率高。于是设计一种自动定尺加工机床，实现自动定尺进给、自动定位、布匹回转驱动、切割加工、自动卸料等过程的自动化控制就成了本课题的目的。
2.1.2 无纺布分切机的设计参数
要求所设计的无纺布分切机已知以下技术参数条件： 能够切割 3 米宽幅玻璃纤维无纺布匹，分切宽度 100mm-500mm; 刀具转速达到 100-300r/min 且扭矩足够大; 主轴转速能达到 150r/min。
2.1.3 方案设定
无纺布分切机的工作原理：
（1）由 PLC 完成运算，控制无纺布分切机各个动作,实现系统的自诊断功能;
（2）人机交互界面是一块触摸屏，由工作人员给定指令，设定和显示主轴转速、刀锯转速以及所需切割的物料长度等各种运行参数；
（3）驱动器驱动各步进电机，为定位挡板的移动、刀锯的进刀以及回转机构的旋转提供运动和动力；
（4）通过变频器驱动三相异步电机，实现主轴的旋转和刀具的旋转；
（5）每个结构处的气缸上分别装有传感器,以确保气缸准确复位和工作正常；
（6）分切机尾部、定尺切割处均装有行程开关，其中回转机构、定位挡板、刀锯拨料、刀锯进刀、刀具复位各有一个，行程开关保证了分切机功能的实现也对分切机起到一定的保护作用；
（7）电压转换器将 220V 电压转换成可用于分切机的 24V 电压；
（8）传感器将检测信号反馈给 PLC，记录分切机的各种运动状态，实现系统的自动控制。
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2.2 结构基础设计方案的确定
本次设计的无纺布分切机主要有三个部分组成：玻纤无纺布分切机动力传动系统、玻纤无纺布分切机定尺切割部分以及玻纤无纺布分切机自动上下料的尾座。 无纺布分切机主要机械结构简图如图 2-1 所示。
图 2-1 展示了本课题所设计的无纺布分切机的机械结构简图，其中 1 三相交流异步电机和 2 齿轮传动机构构成了玻纤无纺布分切机动力传动系统，3 是玻纤无纺布物料，4 定位挡板、11 刀具、12 气缸、13 同步带传动结构和 14 齿轮减速电机构成了玻纤无纺布分切机定尺切割部分，5 气胀轴、6 步进电机、7 步进电机、8 气缸、9 回转机构构成了玻纤无纺布分切机自动上下料的尾座，10 是支撑气缸其作用为支撑气胀轴，15 气动马达、16 链传动结构、17 型材构成了推料装置。
参照其它一些无纺布分切机，需将物料放置在主气胀轴上，主气胀轴通气这样才能将无纺布物料固定。给定的物料为 3 米左右长，所以气胀轴的长度需大于 3 米，其中放料轴端为 3 米。为实现本课题所要求的功能-自动卸料以及放料方便，还需一根气胀轴。整个分切机放置在一个焊接在一起的槽钢架结构上。
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3.1 锯片力学特性分析 ................................. 27
3.1.1 锯片力学分析 ................................ 27
3.1.2 锯片平面应力分析 .............................. 28
第 4 章 步进电机变加减速率控制研究 .................................. 46
4.1 步进电机加减速曲线分析 .................................... 46
4.2 步进电机动态特性研究 ........................................... 48
4.3 S 型曲线加减速模型 .................................... 49
第 5 章 控制系统的软硬件设计 ............................. 54
5.1 PLC 系统设计内容 ....................................... 54
5.2 PLC 控制系统组成硬件 ................................ 55
第 5 章 控制系统的软硬件设计
5.1 PLC 系统设计内容
PLC 作为对于玻璃纤维无纺布自动定尺分切机的主要控制器，包括以下几种其组成部分：电源，中央处理单元，存储器和输入输出单元。PLC 具有可靠性高，编程简单，组态灵活，输入输出功能齐全，安装方便等优点。监视生产过程中设置的参数，并反馈设备的实时状态，从而可以交换和处理大量生产数据。充当桥梁，将上位监控系统和车间实际受控组件进行连接[51-53]。在玻璃纤维无纺布分切过程主控系统中，欧姆龙 CP1E-N60DT-A 型 PLC 通过 RS232 通信端口与上位操控系统中的触摸屏相连接，并且还要通过自身扩展端口与 1 个 CP1W-DA041 模拟量模块相连，实现 PLC 自身的通信网络构建。PLC 控制系统设计流程如图 5-1 所示。
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结论
本文分析了玻璃纤维无纺布分切机的现状，根据某大型玻璃纤维无纺布生产加工企业的车间生产要求，由于玻纤无纺布匹较松散加工温度又有严格的限制，手工切割劳动强度大且切割质量无法保证，加工过程的效率低和废品率高。所以本文以 3米宽幅玻璃纤维无纺布卷为切割对象，设计了一种可以根据客户需要的宽度，定尺分切玻璃纤维无纺布卷的机床，及实现自动定尺、自动进给、自动切割、回转下料等过程的自动化控制。基于刀具切割过程中会产生的振动与噪音现象，对金属圆锯片进行了动态性能分析研究。为了保证切割过程，各个部分动作的准确性，对步进电机进行了变加减速率曲线研究，使得电机动作更加高效稳定；以及对整体动作 PLC程序上进行了的设计与调试，设计建立触摸屏操作界面，实现更好的人机交互效果。投入生产后，实际表现生产效率提高 20%，次品率降低 5%。
主要工作如下：
（1）对玻璃纤维无纺布分切机的整体各部分结构进行方案设计，确定最佳方案，通过计算校核确定各个机构的零部件选型，并进行了三维建模仿真与实际安装。
（2）根据玻璃纤维无纺布自动定尺分切机的控制要求，设计电气控制回路图和具体的控制方案，选择相应的硬件模块并进行 PLC 控制柜的组装调试。
（3）通过 ANSYS 有限元分析软件，对普通金属圆锯片结构进行拓扑优化分析，在既保证最大刚度的前提下，通过开孔实现降低振动的目的。锯片在不同条件下对其进行模态分析，为提高和改善圆锯片的动态特性提供了理论依据。
（4）设计了 PLC 控制系统，I/O 点分配，编写 PLC 程序，结合了实际操作环境的情况，选择了合适的操作控制平台，设计了良好的人机界面，完成了 PLC 与触摸屏的通讯，使工人可以进行实时操控与参数设置。
（5）根据工厂的生产要求，不仅实现了整体切割过程控制的自动化操控，同时具备手动控制系统，设计互锁程序，急停开关，保障设备良好的操作方式，动作流程运行的稳定和安全。完成对整体结构的安装以及整体动作流程调试的工作。
参考文献（略）