楊茂祥 陳衛(wèi)華

（第七一五研究所，杭州，310023）

航空聲吶浮標(biāo)作為一種主要的航空反潛裝備，在固定翼反潛巡邏機和反潛直升機上廣泛使用。各型聲吶浮標(biāo)在探測或測量時接收的聲信號都是以電纜作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)[1-2]。由于工作環(huán)境原因，電纜與聲吶浮標(biāo)其他部件連接處需要進行防水工序，而電纜表面粗化處理是進行電纜防水預(yù)處理的重要環(huán)節(jié)。目前針對電纜粗化處理都是采用砂紙人工粗化方式實現(xiàn)，平均一根電纜需要2 min才能完成，該工序成為了該型產(chǎn)品生產(chǎn)過程的瓶頸之一。本文以工作實際需求為出發(fā)點，提出了一種電纜表面粗化處理的自動化設(shè)備，模仿人工打磨過程設(shè)計了設(shè)備方案，并基于PLC編制了設(shè)備的運行與控制系統(tǒng)。使用樣機對電纜進行打磨，用于提高操作效率，降低人工粗化的不確定因素，提升粗化效果的一致性。

1 技術(shù)方案

1.1 電纜的粗化技術(shù)要求

圖1為電纜示意圖，圖中電纜須在距離右側(cè)30 mm處開始粗化，粗化長度30 mm。電纜直徑1.8～2.2 mm，要求：0.03 mm<粗化深度<0.1 mm，且粗化后表面無反光。由于電纜直徑僅2 mm左右，較柔軟，且粗化深度控制較為嚴(yán)格，太淺不能完成粗化效果，太深會對電纜的性能產(chǎn)生不利影響，因此在設(shè)計粗化工裝與設(shè)備時，粗化效果的控制應(yīng)重點考慮。其次，由于電纜需要完成特定長度的整周粗化，因此，需要設(shè)計合理可靠的機構(gòu)完成特定部分的粗化工作。

圖1 電纜示意圖

1.2 粗化實現(xiàn)機理選擇

人工采用 80目金相砂紙對電纜進行粗化，片狀砂紙不易實現(xiàn)自動化，因此將粗化工具優(yōu)選為一種 80目圓柱形金剛石粗化打磨頭。將粗化打磨頭安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上，手持電纜左右移動可完成電纜的線狀粗化，依次旋轉(zhuǎn)可完成整周粗化。粗化時，通過控制粗化壓力、橫向移動速度與主軸速度可調(diào)節(jié)粗化深度，通過點至線、線至圓周可完成電纜整周的粗化工作。本文選擇該方式作為自動化粗化設(shè)備研發(fā)的基礎(chǔ)。

1.3 粗化方案設(shè)計

基于1.2節(jié)所述的自動化粗化機理，確定設(shè)備的整體實施方案，設(shè)計自動化機構(gòu)替代手工的動作與控制，如圖2所示。圖中，自動化粗化設(shè)備主要包括工作臺（100）、粗化機構(gòu)（200）、上粗化定位機構(gòu)（300）、下粗化定位機構(gòu)（400）及控制系統(tǒng)（110）；粗化機構(gòu)固定在工作臺上，包含了橫向運動系統(tǒng)，可完成電纜（10）規(guī)定長度由點至線的粗化處理；上粗化定位機構(gòu)及下粗化定位機構(gòu)安裝在工作臺上，可相互配合完成電纜壓緊、電纜實時張緊及電纜旋轉(zhuǎn)等功能，配合粗化機構(gòu)可完成電纜整周的粗化工作。

圖2 自動化粗化設(shè)備整體方案圖

1.4 電氣控制系統(tǒng)

1.4.1 系統(tǒng)組成及工作原理

本套控制系統(tǒng)包含硬件及軟件部分，硬件主要由PLC、縱向運動步進電機、縱向運動定位傳感器、橫向運動步進電機、橫向運動定位傳感器、電動主軸、上下運動氣缸、垂直壓緊氣缸、預(yù)拉力施加氣缸（4個）組成?？刂葡到y(tǒng)中以PLC為控制器，輸入信號由啟停開關(guān)、氣缸電磁開關(guān)、定位傳感器等組成，完成橫向定位、縱向定位、設(shè)備啟停、電纜壓緊、粗化頭輸送、預(yù)壓力施加等功能。輸出信號由控制變頻器、步進電機控制器、蜂鳴器及報警燈等組成?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)組成

工作中，首先需回原點，此時縱向運動機構(gòu)與橫向運動機構(gòu)分別運動至左右限位極限傳感器，并最終停留在原點傳感器位置處。此時，將電纜放置到指定工裝位置后，設(shè)備啟動，吸塵器開關(guān)、主軸電機信號打開，上下運動氣缸電磁閥關(guān)閉、垂直壓緊氣缸電磁閥打開，預(yù)拉力施加氣缸電磁閥關(guān)閉，縱向運動機構(gòu)及橫向運動機構(gòu)開始運動，直至電纜粗化完成。粗化完成后，吸塵器開關(guān)、主軸電機打開信號關(guān)閉，上下運動氣缸電磁閥打開、垂直壓緊氣缸電磁閥關(guān)閉，預(yù)拉力施加氣缸電磁閥打開，縱向運動機構(gòu)及橫向運動機構(gòu)停止并回原點，準(zhǔn)備下一次電纜的粗化處理工作。

1.4.2 硬件選型

（1）PLC控制器

PLC作為核心控制部分，負(fù)責(zé)采集、分析與處理電磁開關(guān)、傳感器等輸入信號，并輸出信號控制步進電機控制器與變頻器，以控制機構(gòu)執(zhí)行相關(guān)動作。PLC主要根據(jù)輸入輸出信號的類型與點數(shù)多少選擇，本系統(tǒng)中，輸入輸出點數(shù)各 13個，高速脈沖2個，根據(jù)上述要求選用相應(yīng)型號的PLC。

（2）縱向運動步進電機

根據(jù)粗化縱向運動要求：可轉(zhuǎn)動長度>20 mm，最大負(fù)載為 10 kg，傳動形式為齒輪齒條傳動，齒輪模數(shù)1.5、齒數(shù)12。依據(jù)上述要求，經(jīng)計算后選用相應(yīng)型號的步進電機。

（3）橫向運動步進電機

根據(jù)粗化橫向運動要求：橫向粗化長度>50 mm，設(shè)計運動長度>150 mm，最大負(fù)載為15 kg，傳動形式為齒輪齒條傳動，齒輪模數(shù)1.5、齒數(shù)12。經(jīng)計算，選用相應(yīng)的步進電機，可完成預(yù)定要求。

1.4.3 軟件設(shè)計

根據(jù)功能需求設(shè)計基于PLC的自動粗化軟件，軟件應(yīng)許可在界面設(shè)置粗化過程的基本參數(shù)，分為手動與自動模式，可調(diào)整粗化速度、粗化長度等參數(shù)?；诖嗽O(shè)計的軟件界面如圖4所示。

圖4 自動粗化設(shè)備軟件界面圖

對電纜進行粗化時，在打開設(shè)備總開關(guān)后，如設(shè)備報警，經(jīng)檢查無問題后點擊報警復(fù)位，點擊軟件上虛擬轉(zhuǎn)扭，切換到手動狀態(tài)，點擊“X軸電源”、“Y軸電源”給橫向運動步進電機與縱向運動步進電機供電，點擊“X 軸回原點”、“Y 軸回原點”，橫向運動機構(gòu)與縱向運動機構(gòu)往復(fù)運動，找到設(shè)備兩個軸的原點位置。完成回歸原點后，將電纜放置在粗化位置，按動啟動按鈕，設(shè)備開始進行粗化工作，直至粗化完成。

如需要調(diào)整粗化長度，可調(diào)整軟件界面上“X軸定位位置 1”與“X軸定位位置 2”后的數(shù)值文本，兩個數(shù)值之差就是粗化長度。如需調(diào)整橫向運動機構(gòu)運動速度，可調(diào)整軟件界面上的“X軸自動速度”后的數(shù)值文本；如需調(diào)整縱向運動機構(gòu)運動速度，可調(diào)整軟件界面上的“Y軸自動速度”后的數(shù)值文本；“Y軸移動距離”用于調(diào)整電纜每次滾動的距離，線纜粗化次數(shù)用于控制電纜完成整周粗化需要進行多少次完整的橫向運動。

2 試驗驗證

2.1 粗化效果

為了驗證本電纜自動化表面粗化設(shè)備的正確性，試制了樣機，如圖5所示。應(yīng)用本設(shè)備對電纜進行了粗化試驗，粗化后的電纜如圖6所示。粗化效果主要從兩方面判斷。

圖5 自動粗化設(shè)備

圖6 打磨效果圖

第一，電纜粗化完成度。在對 10根電纜進行粗化后，經(jīng)過判斷，所有粗化部分除兩端1 mm內(nèi)，均無遺漏的完成粗化，設(shè)備完成了中間28 mm電纜的粗化工作。由于設(shè)備軟件的設(shè)計，縱向運動機構(gòu)運動時，橫向運動機構(gòu)同步運動，所以電纜兩端 1 mm內(nèi)存在粗化不完整情況，此屬正常現(xiàn)象，不影響產(chǎn)品質(zhì)量。將粗化打磨頭的橫向移動距離設(shè)置為32 mm，則可保證電纜粗化30 mm的粗化長度。

第二，電纜粗化深度。對上述10根電纜進行粗化深度測量，測量結(jié)果見表1。數(shù)據(jù)表明：0.03 mm <電纜粗化的深度<0.1 mm，對其外觀進行觀察，表面無反光。粗化結(jié)果滿足生產(chǎn)要求。

表1 粗化后電纜測量結(jié)果統(tǒng)計表

2.2 靜水壓試驗

為了驗證粗化效果是否符合要求，需要對粗化后的電纜進行灌注，并參照工藝規(guī)程進行靜水壓試驗。對上述 10根電纜進行了灌注，灌注后無明顯異常，后進行靜水壓試驗，試驗后對電纜進行了拉伸扭曲操作，模擬實際工作環(huán)境。試驗結(jié)束后，首先測量電纜絕緣，絕緣全部符合要求；然后剪斷電纜，發(fā)現(xiàn)粘接良好，電纜內(nèi)無進水現(xiàn)象。表明使用本設(shè)備粗化后電纜的粗糙度滿足粘接灌注要求。

3 總結(jié)

本文主要對浮標(biāo)電纜自動粗化設(shè)備硬件及軟件的設(shè)計進行了介紹，并應(yīng)用設(shè)備對 10根電纜樣品進行了自動化粗化試驗，其粗化完成度及深度均滿足生產(chǎn)要求，驗證了本設(shè)備的有效性和可靠性。但針對過粗的柔性較低的電纜，本設(shè)備并不適用。本文電纜自動粗化的實現(xiàn)可為同行提供借鑒意義。