細線收線設備
陳佳萬
機械工程系
摘要
由於目前在國內伸線工廠(包含一般的鋼線、不 繡鋼線、焊線及銅線等等)使用的線材排線設備無法將 伸線完成或退火完成的線材整齊的排放在收線筒上， 造成(1)排線凌亂或交叉重疊.(2)前後兩端的線材無法 排線整齊造成累積的增高或凹陷，其結果會造成如下 的不良影;(1)再放線的時候無法順利的放線而使的伸 線過程容易斷線(尤其是細線更容易產生斷線)，(2).成 品交貨時因排線不整齊使得廠商不滿意而退貨。為了 改善以上現有設備的效益與降低生產成本，因此本研 究計畫之目的在於重新設計與製造出一部線材收線 機，依伸線的速度、伸線線材的直徑、收線桶的速度 及直徑計算出伸線、排線及收線等相互間的關係式、 並以 PLC 程式來控制伺服馬達的速度，使得收線桶的 驅動馬達與排線桿伺服馬達的速度能相互配合，使排 線能夠整齊。 關鍵詞：收線設備壹、前言
伸線是將較粗線徑拉伸經過一個伸線眼模後使其 線徑縮小的一種方式，伸線包含有放線設備、伸線機 及收線設備等。此外伸線完成之後若線材需要作再伸 線時或交貨時必須作退火處理，使線材軟化以達到再 伸線或顧客需求的強度，此時退火的設備包含有放線 設備、退火爐及收線設備等。由以上知無論伸線或線 材的退火處理均需要收線設備，而收線設備的好壞會 直接影響到再伸線時放線是否順利，以避免再伸線時 圖 1 所示為在伸線過程中收線機的使用情形，收 線機是放置在伸線機的後面，當伸線完成後將線材排 列在收線筒上（如圖 2 所示）。現有收線設備的設計方 法是將收線桶的驅動馬達與排線桿的導螺桿利用齒輪 連接傳動，當收線桶的驅動馬達速度增加時，則排線 桿的移動速度也會增加，然而由於線材的線徑不同及 收線桶的直徑與寬度有差別，因此收線桶驅動馬達的 速度與排線桿的直線速度並非成一定的比例(目前利 用齒輪連接傳動的比例是一定值無法調整)，當發現線 材會產生排線凌亂或交叉重疊時排線桿的移動速度無 法作微小的調整。此外當排線由中間向兩邊排線時(即 起點與終點)，現有的設備是採用極限開關來調整，然 而由於驅動是由馬達來驅動螺桿，因此當排線桿接觸 到極限開關會產生慣性使得排線桿無法立即停止反 轉，造成收線桶的兩端會產生線材無法排線整齊造成 累積的增高或凹陷的現象，以上兩種現象是目前使用 收線設備收線時的缺點。 其結果會造成如下的不良影響;(a)再放線的時候 無法順利的放線而使的伸線過程容易斷線(尤其是細 線更容易產生斷線)，(b).成品交貨時因排線不整齊使 得廠商不滿意而退貨。以上兩種原因都會使得廠商造 成很大的損失，一般解決的辦法前者是採用斷線之後 停機再將線材熔接後重新將線材穿過所有的伸線眼模 再繼續伸線，由於在細線伸線時每次伸線要經過 20-30 個眼模座，因此要將細線再依個個的重新穿過這麼多 的眼模會花費很多的時間，且重新熔接接縫處品質會 較差，在線材製程產品之後容易造成不良品；對後者 而言為避免被退貨在每一個收線機上都會安排一個人 負責看管以人工排線，例如CO2焊線即是利用此種方 式來排線，以上兩種方式均會使得工廠的產能降低生現有收線設備 伸線機 圖 1 伸線及收線設備 圖 2 收線設備
貳、機構設計原理
圖 3 伸線及收排線整體組合圖 為了改善現有收線時的缺點本研究採用的方法如 下; (1) 排線凌亂或交叉重疊:將排線桿的移動速度速 度獨立，即與收線桶的驅動馬達分開，排線桿單獨利 用一伺服馬達來控制，並依伸線的速度、伸線線材的 直徑、收線桶的速度及直徑計算出伸線、排線及收此 種方式來排線，以上兩種方式均會使得工廠的產能 降低生產成本增加，不符合生產效益。 此種方式來排線，以上兩種方式均會使得工廠的 產能降低生產成本增加，不符合生產效益。達的速度 就能相互配合，使得排線能夠整齊。(2) 前後兩端的 線材無法排線整齊造成累積的增高或凹陷：此為排線 起點與終點要能控制精確，消除減速機齒輪正反轉的 間隙及驅動排線桿前進和後退時螺桿與螺帽的間隙問 題。改善辦法即是利用時規皮帶來取代減速機齒輪 箱，利用滾珠導螺桿來取代一般的螺桿即以滾珠導螺 桿來驅動排線桿前進和後退，並增加煞車系統如此位 置的控制將會非常的準確而迅速。此外以理論配合實 務要求，將與收排線相關之參數以輸入的方式，使其 能配合各種不同的線材、線徑，伸線速度及伸線筒。 因此本套設備將可適用所有得伸線工廠，開發成功之 後，將可取代現有收線設備，提高收線品質與降低成 本。 1.機構設計與製造 圖 3 所示為使用本設備(收線設備)和與之配合的 伸線機之整個組合圖，圖 4 所示為製作完成的收線設 備(右邊)及工廠伸線設備(左邊)的整個產品，伸線之整 體設備分為伸線機與排收線設備，伸線時由伸線機將 細線經多道眼模之後將線徑縮小至所需要的尺寸，再 經由排收線設備將線整齊的排列在收線塑膠軸上。排 線及收線設備的功用是將經過伸線機伸線完成的線材 或經由退火爐退火後的線材能夠整齊的排列在收線筒 上。圖 5 及圖 6 分別為排線及收線設備的正面及背面 之產品圖。伸線 控制面板 排收線機 圖 5 製造完成後之排線及收線設備(正面) 張力控 制器 排線機 收線軸 第一及第二 導線輪 收線機 圖 6 製造完成後之排線及收線設備(背面) 收線馬達 排線伺服 張力控 馬達 變位檢 出器 圖 4 收排線與伸線設備排列的情形整體組合圖 其設備的功能包含有引導線材移動的導線輪，控 制伸線張力的張力控制器，將線按順序排列的排線輪 經由伸線機伸線完成之後進入第一個導線輪及第二個 導線輪，在第一個導線輪與第二個導線輪之前端安裝 一個張力控制器，此張力控制器用來調整線材的張 力，避免線材太鬆造成線材收線凌亂，太緊會造成線 被拉斷。線經過第二個導線輪後接到排線輪上，此排 線輪前後移動將線材整齊的排列在收線筒上。詳細說 明如下： 1.1 張力控制器 如圖 7 所示，張力控制器的張力導輪是安裝在第 一個導線輪及第二個導線輪之間，其方法是在線才上 施加一定的重力(此重力的大小是由一氣壓缸來調整 其大小)，使線材因重力的關係而產生下垂，利用下垂 距離的深度來調整收線桶的轉速，避免收線的速度與 伸線機傳過來線材的速度不一致。若收線的速度太慢 會造成線材因太鬆而產生排線的凌亂，收線的速度太 快會使線材太緊而使線材被拉斷。張力控制器施加的 重力其重力施加的大小要在線材所能承受的降伏應力 以內，避免線材受到張力後產生塑性變形。當線材受 到張力控制器的重力之後會往下垂一定的深度如圖 7 所示之 y 的尺寸，此尺寸設定為所允許最大的下垂深 度，設定此最大的深度計算是為了張力控制器時搖桿 的最大旋轉角度。此搖桿固定在心軸上，心軸是由兩 個培林固定在張力控制器的固定座上，另有一大齒規
皮帶輪也會一起旋轉，此大的齒規皮帶輪以齒規皮帶 連接到變位檢出器的小齒規皮帶輪上，此小齒規皮帶 輪以止付螺絲固定在變位檢出器的心軸上，心軸以連 著器連接在可變電阻上，大齒規皮帶輪旋轉的小角度 經傳到小齒規皮帶輪的角度，將小的角度轉換成 360 度角，在伸線時此角度是放在設定在張力控制器的 0 角位置（正 180 及-180），若搖桿的深度太深時，角 度會變大即張力控制器的角度為在正的位置，代表收 線的速度太慢，因此必須將收線的馬達加速，若搖桿 的深度太淺時，張力控制器的角度在負的位置，代表 收線的速度太快必須降低，否則線會被拉斷。 圖 8 收排線示意圖 圖 7 張力控制器控制方法 1.2 排收線機構 如圖 8 所示，排線機構包含排線驅動馬達、排線 滾珠螺桿、排線導輪。排線機構是將由張力控制器傳 來的線將線掛在排線導輪上，而排線導輪是裝置在排 線滾珠螺桿上，馬達驅動排線滾珠螺桿使其作前後移 動。收線機構包含收線塑膠軸、收線皮帶輪及收線驅 動軸等等。收線塑膠軸是鎖緊在收線驅動軸上，利用 排線馬達驅動皮帶輪，而皮帶輪帶動收線驅動軸使收 線塑膠軸旋轉。藉由排線滾珠螺桿的前後移動而將線 材整齊的排列在作旋轉運動的塑膠收線軸上。 收線時首先，將線掛在收線塑膠軸上側邊的缺口 上，同時調整缺口旁的塑膠間隙，使其能夠將線夾緊 為止，當啟動時，收線的速度配合伸線的速度利用張 力控制器來調整，而排線線性速度，配合收線軸旋轉 一圈移動一個線徑的距離，如此將可將伸線完成的線 整齊的纏繞在塑膠軸上。兩端極限的位置利用程式來 控制使其能夠整齊排列不會產生凹陷或凸起現象。伸 線完成後停車方式是將伸線的速度放慢到一定的速度 之後停車，避免收線產生慣性，因此在收線馬達上加 裝變頻器煞車系統（直流煞車） 2. 控制設計與製造 為使收線能夠順利，其排線的方式必須配合一些 已知的參數作為計算的依據，因此所需輸入的參數及 計算方法如以下說明： 2.1 收排線輸入參數 (1).塑膠軸尺寸的輸入方法(如圖 9 所示):利用按健的 方式輸入 N1、N2、N3 及 N4(整數 3 位，小數 2 位) N1 為基準面至收線軸的第一個排線位置 N2 為基準面至收線軸的最後的排線位置 N3 為收線軸的角度 N4 為收線軸的內徑 (2).輸入最後伸線完成的線徑 d(整數 1 位，小數 3 位) 圖 9 收線塑膠軸相關
由於計算時線徑是以理想狀況來推導，在使用時 伸線眼模會產生摩耗，而收線桶驅動馬達(工業用馬達) 的轉速也會有誤差，排線時線材是在受張力的情況 下，當張力消失時線徑會增加，以上種種原因多會造 成排線時的誤差，為改善這些誤差因此在排線桿伺服 馬達的速度控制上增加一可作調整的輸入值，當排線 不順時即可利用此值來調整排線速度使之能精確。 (3).輸入最後一個眼模伸線後的伸線速度 V (4).輸入排線間隔的距離 N5 若採用鬆排列則 N5 依線材廠要求自行輸入的值 (如圖 10 所示) 圖 12 排線方法 圖 10 排線採用鬆排列時 N5 的 若採用緊密 線徑即最 後眼模伸 後的直徑 (如圖 11 所示) 圖 11 收線採用緊密排列時則 N5=d 排列則 N5=d ,d 為收線後的 線 2.2 數控制方法 膠軸兩端的處理方法： 線塑膠 軸的 2）收線塑膠軸的轉速與排線移動速度的關係: 條 圈排線移動的圈數 /P (P 是滾珠導螺桿的節距) 滾珠導螺桿 B.每 定的距離 N5 排列 移動的距離 5/P (P 是滾珠導螺桿的節距) 滾珠導螺 θ C.終 制 時若移動的距離超過終點的 (B) 時，計算其剩餘的 (C) 長度時其訊號由在伸 參 （1）排線在收線塑 開始時線材先以寸動的方式將線材繞在收 旁邊位置固定後，當啟動時排線桿會將線材帶到 始往左邊排列)時到達最終位置時由於是斜面(收線桶 的兩端是斜面)因此每次位移的增加量位 x=d*sin N3 (如圖 12 所示) （ A.每一條線整齊的排列(即每一條線緊接者一 線排列其節距等於線徑) 收線塑膠軸馬達每旋轉一 為 L=d 收線塑膠軸馬達每旋轉一圈排線 所旋轉的角度 θ= L*360 一條線以一 收線塑膠軸馬達每旋轉一圈排線 為 L=N 收線塑膠軸馬達每旋轉一圈排線 桿所旋轉的角度 = L*360 點位置的控 (A) 當排列到終點 邊界時若剩餘的移動量大於線徑時將移動 的位置移動道極限位置 若剩餘的移動量小於線徑 移動量將其轉換成為角度後，再加上斜角的 角度一個線徑的位移量作為極限位置，將移 動的位置移動下一個極線位置 收線長度的計算方法 收線長度到達指定的
伸線 機變 收線機 變頻器 排線機 變頻器 變頻器及控制 電源之無熔絲 變 位 檢 出 操 作 OIL PUMP 圖 1 控制箱 4 過導輪之後，由導輪的直徑及導輪旋轉的圈 數即可計算出收線的總長度 張力控制與收線馬達轉速的關 PL 比例連動 控制器 人機 輸入參數面板 信號顯示燈 （D） 係 減低關 （E） 含有 5 部分 作位以之參 (b) DA2 電壓及電流輸出模 (c) (d) 、IPG 及 (e) 由人 機與收線機同時啟 動， 張力控制與收線馬達轉速的增加與 係式是利用張力控制器上連桿的角度來控 制變頻器的頻率的大小，再利用頻率的大小 來控制收線馬達轉速使收線不會因馬達轉 速太快而拉斷，或因馬達轉速太慢而使線產 生鬆動，使得線材的張力能保持一定。 控制邏輯設計 控制設計流程包 (a) 控制面板上的人機及點數 數的輸入。 伸線機上的 組、主伸線機馬達 3UP、變頻器及馬達。 收線機上的 DA1 電壓及電流輸出模 組、收線 31631 變頻器、W-INT 變頻器 3HP、收線馬達及編碼器。 排線機上的 IHC 高速計數器 SERVO 伺服馬達 400W。 ALM 異常警報。 機介面輸入參數，伸線 運轉方式為伸線機的運轉速度由客戶依需求輸 入，收線機是經由阻速加變速器的訊號作為收線機 的收線速度，而排線機是由收線機後面的編碼器作 運轉輸出控制排線機前進與後退的速度及迴轉位 置。 （3）控制製作 圖 13 為伸線與收線控制及輸入參數的面板，控 制面板包含有油幫浦運轉指示、連動運轉指示、計 數到達指示、變頻器異常指示、變位過限指示、連 動開、連動關、緊急停止及變位過限復歸等等。圖 14 為電路控制元件包含有主電源、伸線機變頻 器、收線機變頻器、排線機變頻器、變頻器及控制 電源之吳熔絲開關、變位檢出操作接點、油幫浦運 轉指示及 PLC 等等。
參、結論
本研究計劃經過與合盈機械有限公司多次的討論 與修改後終於完成一台收排線設備之產品設計與製 造，經過初步的測試已能大致上達到收排線的效果， 不會有斷線或放線不順的情形。由於設備的測試必須 配合合盈機械廠的伸線機才能使用測試，本次的測試 是依工廠現有的細線設備來測試，由於細線對每一線 的排列並每有要求要整齊排列因此若需要測試整齊排 列，則需要以粗線來測試，將等待合盈機械有限公司 有生產製造粗線設備使才能測試，以了解其排線的真 正效果，因此本設備將技術移轉至合盈機械有限公司 作進一步的測試與修改。參考文獻
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Jia-Wine Chen
Department of Mechanical Engineering
Abstract
Still this time, the draw wires (include carbon steel wire, stainless wire, weld wire and copper wire) can’t be really take up in good order by the wire drawing spooler which is applied in the drawing factory. Therefore, the disordered or across wires will cause some harmful effects, such as (1) wire breaking after retake-up, especially the finer wire; (2) the products are replaced because of customer’s dissatisfy. For modifying the function of wire drawing spooler and decreasing the cost, this proposal attempts to design and assemble a new wire drawing spooler. The relation of wire drawing speed, diameter of wire, speed and diameter of take-up cylinder are calculated. The PLC program is selected and used to control the speed of motor. This study expected to acquire two main purposes, (1) to make a good match between the motor speed of the take-up machine and the spooler, (2) the draw wires can be take-up in good order.
