Coil for Wire Winding

Shavrin O.I., Skvortsov A.N., Dombrachev A.N.

Abstract


The coil, the construction of which is discussed in the paper, refers to devices for automating the winding of wires and can be used as part of automatic lines for its production. One of the most time-consuming and lengthy operations in the production of wire is its winding on the coils. Traditionally, such devices contain a support sleeve with disks mounted along its edges, while the specific features of the coils of specific manufacturing companies most often include the ways of performing their structural elements that increase the reliability of the coils and the winding speed of the wires on them. At the same time, the conducted patent-information search showed that effective solutions related to the automation of the winding process and allowing, in particular, to constantly monitor the mass of the bundle of the wire wound on the coil, is not enough. The technical problem of the described technical solution is an extension of the functionality of the coil for winding the wire and making it possible to use it not only to wire the wire into a bundle, but also as a feedback element in automatic control systems. The problem is solved by the fact that the coil comprises a support sleeve with discs mounted along its edges, inside which an axis is placed on the supports, while the disks have longitudinal through grooves half the diameter of their circumference, and on the axis from one side of the coil the first ruler with light-emitting devices is fixed, and from the opposite side of the coil the second ruler with photocells is mounted on it. A positive technical result from the application of the proposed technical solution implies the possibility of using a coil as a tracking element in the automatic control system for the wire production line.

Keywords


Coil; winding; wire; automation; microcontroller; photocell

Full Text

Как известно, технологический процесс волочения представляет собой такую обработку металлов давлением, при которой заготовки круглого или фасонного профиля протягиваются через круглое или фасонное отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки. Волочение широко применяется в производстве металлических труб, прутков и термоупрочненной проволоки. Способ производства проволоки из стали включает в себя разматывание бунтовой проволоки, правку, первый индукционный нагрев проволоки до 1000°, ее термодеформационное упрочнение, последеформационную выдержку, закалку, второй индукционный нагрев до температуры отпуска, охлаждение и смотку в бунт. При этом термодеформационное упрочнение проволоки осуществляют ее прокаткой в последовательно установленных роликовых волоках с суммарной степенью деформации до 80 % и со степенью деформации в последней из них, равной 15-20 % [1, 2]. Осуществляют способ с помощью линий по производству проволоки, которая, как правило, состоит из следующих последовательно установленных механизмов: устройства размотки 1, устройства правки 2, узла первого индукционного нагрева 3, устройства термодеформационного упрочнения, выполненного в виде одной или нескольких роликовых волок 4, закалочного устройства 5, узла второго индукционного нагрева для проведения отпуска 6, узла для охлаждения после отпуска 7, устройства смотки проволоки в бунт 8 (рис. 1). Рис. 1. Упрощенная структурная схема линии по производству термоупрочненной проволоки из стали Ряд авторов отмечают, что одной из самых трудоемких и длительных операций при производстве проволоки является ее намотка на катушки. Традиционно такие устройства содержат опорную втулку с установленными по ее краям дисками, при этом к отличительным особенностям катушек конкретных фирм-производителей чаще всего относятся способы выполнения их конструктивных элементов, повышающих надежность катушек и скорость намотки на них проволоки [3-5]. Вместе с тем проведенный патентно-информационный поиск показал, что эффективных решений, относящихся к автоматизации процесса намотки и позволяющих, в частности, постоянно контролировать массу бунта проволоки, намотанной на катушку, не достаточно. Для решения этой технической задачи авторами настоящей статьи была разработана конструкция катушки, расширяющая ее функциональные возможности и обеспечивающая возможность использования ее не только для смотки проволоки в бунт, но и в качестве измерительного элемента в системах автоматического управления линией по изготовлению проволоки. Ее конструкция поясняется чертежами, где на рис. 2 показан внешний вид катушки в изометрии; на рис. 3 - расположение первой и второй линеек; на рис. 4 - схема подключения электродвигателя к катушке; на рис. 5 - схема расчета параметров бунта проволоки на основе данных, полученных с помощью линеек [6]. Катушка для намотки проволоки содержит опорную втулку 1 с установленными по ее краям дисками 2 и 3, внутри которой размещена ось 4 на опорах 5 и 6. В дисках 2 и 3 выполнены продольные сквозные пазы 7 на половину диаметра их окружности, а на оси 4 с одной стороны катушки закреплена первая линейка 8 с установленными на ней светоизлучающими приборами, а с противоположной стороны катушки на оси закреплена вторая линейка 9 с установленными на ней фотоэлементами. Светоизлучающие приборы и фотоэлементы подключены, соответственно, к выходам и входам блока управления 10. Число светоизлучающих приборов и оптически связанных с ними фотоэлементов может быть произвольным и зависеть от габаритных размеров катушки. В общем случае число оптически связанных пар (оптопар) целесообразно выбирать большим или равным пяти. В качестве технических средств, реализующих светоизлучающие приборы, могут быть использованы любые известные направленные искусственные источники света, например яркие светодиоды или оптические лазеры, а в качестве фотоэлементов, например, фоторезисторы или фотодиоды. Блок управления, предусмотренный конструкцией катушки, может быть выполнен на основе промышленного контроллера любой разрядности. При этом, учитывая достаточно простые алгоритмы управляющих программ, необходимых для функционирования устройства, для реализации промышленного контроллера могут быть использованы как достаточно простые восьмиразрядные микроконтроллеры, например серии Atmel ATMega, так и более высокопроизводительные тридцатидвухразрядные, выполненные на ядре ARM7. Электродвигатель 11, механически связанный с направляющей втулкой катушки 1 и подключенный к силовому выходу блока управления 10, может быть как асинхронным, так и шаговым, а механическая передача - клиноременной. Рис. 2. Внешний вид катушки в изометрии Устройство работает следующим образом. Перед началом работы опорную втулку 1 с установленными по ее краям дисками 2 и 3, а также первую и вторую линейки устанавливают на ось 4. Соединяют вал электродвигателя 11 с опорной втулкой 1, подключают блок управления к светоизлучающим приборам и фотоэлементам, а также к электродвигателю, закрепляют конец наматываемой проволоки на опорной втулке катушки, а затем подают питание к блоку управления и электродвигателю и активируют управляющую программу блока управления. Блок управления включает электродвигатель, передающий вращающий момент с вала электродвигателя на опорную втулку катушки посредством механической передачи. На рис. 3 показан вариант исполнения катушки с клиноременной передачей 12 от электродвигателя. Рис. 3. Расположение первой и второй линеек При вращении катушки оптическая связь между светоизлучающими приборами и фотоэлементами прерывается на время, равное периоду вращения опорной втулки катушки вокруг оси, и восстанавливается, когда пазы 7, первая и вторая линейки оказываются на одной прямой. Указанное свойство катушки позволяет измерять и контролировать скорость ее вращения и, соответственно, длину намотанной проволоки, замеряя интервалы времени между разрывом и восстановлением оптической связи между светоизлучающими приборами и фотоэлементами. При равномерной послойной намотке через некоторое время бунт проволоки начнет полностью разрывать оптические связи между оптопарами, начиная с расположенной наиболее близко к центру опорной втулки. Зная высоту расположения каждой из оптопар, геометрические параметры катушки, а именно, длину и диаметр ее опорной втулки, а также параметры наматываемой проволоки - ее плотность и диаметр, можно с определенной степенью точности измерять вес намотанной на катушку проволоки. Точность измерения будет напрямую зависеть от числа установленных на линейках оптопар. Рис. 4. Схема подключения электродвигателя к катушке Рассмотрим работу блока управления устройства при определении длины намотанной на катушку проволоки, а также ее массы на примерах (рис. 5). Первый пример иллюстрирует возможность определения длины намотанной на катушку проволоки. Пусть после начала работы устройства блок управления зарегистрировал N = 10 разрывов и восстановлений оптической связи между оптопарами. При этом известно, что ни одного полного разрыва оптической связи между ними зарегистрировано не было, а диаметр опорной втулки равен D = 300 мм. На основе этих данных блок управления вычислит приблизительную длину намотанной проволоки по известной формуле: (1) Длина проволоки, соответственно, составит Второй пример иллюстрирует возможность определения длины намотанной на катушку проволоки с использованием оптопар. Пусть через некоторое время после начала работы устройства блок управления зарегистрировал полный разрыв оптической связи первой оптопары, находящейся наиболее близко к центру опорной втулки. При этом известно, что диаметр опорной втулки, как и в предыдущем примере, равен D = 300 мм, диаметр наматываемой проволоки составляет t = 1 мм, высота, на которой закреплена первая оптопара, составляет H = 310 мм, длина опорной втулки катушки равна L = 1000 мм. Учитывая, что бунт наматываемой на катушку проволоки с каждым слоем увеличивается в диаметре, последнее приближенно можно описать в виде арифметической прогрессии , при этом . Следовательно, сумму диаметров намотанных слоев можно рассчитать как сумму первых n элементов арифметической прогрессии , где . Для приведенных выше исходных данных , а сумма диаметров . Ориентировочную длину намотанной на катушку проволоки в этом случае можно определить на основе зависимости , (2) приняв за допущение, что каждый слой содержит одинаковое число витков, а толщина каждого витка равна диаметру проволоки. На основе формулы (2) для случая приведенных выше исходных данных блок управления вычислит приблизительную длину намотанной проволоки, которая составит В качестве третьего примера проиллюстрируем возможность устройства автоматически вычислять массу проволоки, намотанной на катушку. Рис. 5. Схема расчета параметров бунта проволоки на основе данных, полученных с помощью линеек Используем исходные данные второго примера и предположим, что на катушку наматывается стальная проволока, плотность которой равна . В этом случае массу проволоки можно приблизительно оценить, как массу стального кольца, расположенного на опорной втулке катушки, по формуле . (3) На основе формулы (3) блок управления вычислит приблизительную массу намотанной проволоки, которая составит Вычисленные значения длины намотанной на катушку проволоки и ее массы контролируются оператором линии по производству проволоки с помощью модуля индикации, кроме этого, они могут быть использованы для коррекции параметров программы блока управления устройством. Таким образом, предложенная авторами новая конструкция катушки для намотки проволоки обеспечивает возможность использования ее в качестве следящего элемента в системе автоматического управления линией по изготовлению проволоки за счет применения бесконтактных датчиков, представляющих собой оптроны - пары светоизлучающих приборов и оптически связанных с ними фотоэлементов, подключенные к блоку управления. При этом модуль беспроводной связи блока управления дополнительно обеспечивает возможность передачи измерений, выполненных с помощью оптронов, оператору системы автоматического управления линией.
References References

Битков В. В. Технология и машины для производства проволоки. Екатеринбург : УрО РАН, 2004. ISBN 5-7691-1404-5.

Пат. RU2612104C2, МПК B21C 1/00, B21B 1/16. Способ производства термоупрочненной проволоки из стали / Шаврин О.И. (RU), Скворцов А.Н. (RU) ; заявители и патентообладатели ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» (RU), Шаврин О.И. (RU), Скворцов А.Н. (RU). №2015126840 ; заявл. 03.07.2015 ; опубл. 02.03.2017, Бюл. №7. 6 с. ; ил.

Bitkov V. V., Zalazinsky A. G. // Fating. Fract. Engi. Mat. Struct. 2003. Vol. 26, no. 11. P. 1033-1039.

Levi R., Antonelli D., Romano D., Zompi A. // Wire. 1997. N 1. P. 26-30.

Разъемные катушки «Боско» // Boxy. URL: http://www.boxy.com/ prodotto.pag?id=98 (дата обращения: 10.04.2017).

Пат. RU164936U1, МПК B21C 47/28. Катушка для намотки проволоки / Шаврин О.И. (RU), Скворцов А.Н. (RU), Домбрачев А.Н. (RU) ; заявители и патентообладатели ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова» (RU). № 2016100730/02 ; заявл. 11.01.2016 ; опубл. 27.09.2016, Бюл. №27. 2 с. ; ил.




DOI: http://dx.doi.org/10.22213/2410-9304-2017-4-16-20

Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


Copyright (c) 2017 Шаврин О.И., Скворцов А.Н., Домбрачев А.Н.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ISSN 1813-7911