基于機(jī)電液技術(shù)PC鋼棒凸輪擺桿剪切機(jī)設(shè)計(jì)

金賀榮，盧秀春，韓雪艷

(1.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (燕山大學(xué))，河北秦皇島 066004;2.燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004;3.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004)

隨著國(guó)家高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒 (Steel bars prestressed concrete，簡(jiǎn)稱PC鋼棒)的需求量日益增加。作為整條生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備之一，對(duì)PC鋼棒在線定尺剪切機(jī)提出了耗能少、效率高、工作可靠的技術(shù)要求，其性能的優(yōu)劣將直接影響高PC鋼棒的剪切質(zhì)量和整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率及自動(dòng)化程度［1－2］。液壓切斷機(jī)構(gòu)的滑道較長(zhǎng)，定尺精度低，剪斷鋼棒端部常有油污現(xiàn)象產(chǎn)生［3］，錘擊式剪切機(jī)構(gòu)依舊占著主導(dǎo)地位，生產(chǎn)效率低，故障率高，不適宜生產(chǎn)配線［4］。共軛凸輪屬形封閉類凸輪機(jī)構(gòu)，具有沖擊小、剛度大、運(yùn)動(dòng)控制精確和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)［5－6］，由此衍生的凸輪擺桿剪切機(jī)構(gòu)工作可靠、驅(qū)動(dòng)輸入簡(jiǎn)單，具有連續(xù)、動(dòng)態(tài)和高精度剪切的特點(diǎn)［7］?；跈C(jī)電液一體化技術(shù)，文中提出一種PLC控制PC鋼棒凸輪擺桿剪切機(jī)，對(duì)方案設(shè)計(jì)與技術(shù)構(gòu)成進(jìn)行了研究。

1 凸輪擺式剪切系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為克服傳統(tǒng)剪切機(jī)構(gòu)連切、油污等不足，該系統(tǒng)剪切機(jī)構(gòu)采用“起－?！遍g歇工作方式，從原理上解決了連切問題，將剪切裝置與液壓系統(tǒng)分開，從結(jié)構(gòu)上避免切斷鋼棒切頭被油污現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)鋼棒行進(jìn)到達(dá)指定長(zhǎng)度時(shí)，剪切機(jī)構(gòu)能自動(dòng)開始動(dòng)作實(shí)行剪切，鋼棒切斷后剪切機(jī)構(gòu)又能自動(dòng)停下來，并且能反復(fù)進(jìn)行這一過程，這樣就能滿足鋼棒切斷工作自動(dòng)化。鋼棒經(jīng)驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)觸碰定位裝置時(shí)，定位開關(guān)向PLC發(fā)出剪切信號(hào)，之后PLC控制電磁換向閥接通，高壓油通過旋轉(zhuǎn)接頭傳至液壓離合制動(dòng)器，離合器摩擦片嚙合，飛輪帶動(dòng)主軸使剪切結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剪切，在切刀接觸鋼棒時(shí)，鋼棒由于受到切刀的阻礙而無法繼續(xù)前進(jìn)，牽引輥將會(huì)短暫打滑，鋼棒被切斷，切刀回位離開鋼棒時(shí)，鋼棒繼續(xù)前進(jìn)，同步環(huán)隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過接近開關(guān)時(shí)會(huì)先后對(duì)PLC發(fā)信號(hào)，PLC控制電磁換向閥動(dòng)作，制動(dòng)器摩擦片嚙合，主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)PLC計(jì)數(shù)一次，至此一次剪切過程結(jié)束，等待下一根鋼棒的剪切，如圖1所示。

圖1 剪切系統(tǒng)工作原理圖

2 凸輪擺桿剪切機(jī)構(gòu)工作原理

共軛凸輪實(shí)質(zhì)上是由兩組能夠再現(xiàn)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的凸輪機(jī)構(gòu)組合而成的機(jī)構(gòu)。當(dāng)其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)件的往復(fù)兩個(gè)沖程可以認(rèn)為是由兩個(gè)凸輪分別協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)的，通常把完成主要工作的稱為主凸輪，另一個(gè)為回凸輪。

凸輪擺式高強(qiáng)鋼絲剪切機(jī)構(gòu)中主軸系統(tǒng)由帶輪飛輪、液壓離合制動(dòng)器、共軛凸輪組成，依次安裝在主軸上，凸輪運(yùn)動(dòng)輸入與主軸同步，大皮帶輪的尺寸較厚，作為飛輪起蓄放能量的功用。下切刀固定在機(jī)架上，上切刀安裝在擺桿一側(cè)，擺桿另一側(cè)與共軛凸輪嚙合，可繞轉(zhuǎn)軸往復(fù)擺動(dòng)，如圖2所示。該剪切機(jī)構(gòu)響應(yīng)快，動(dòng)作平穩(wěn)，精度高，并且鋼筋的切頭不會(huì)有油污現(xiàn)象。矯直后的鋼絲達(dá)到定尺長(zhǎng)度時(shí)，無觸點(diǎn)開關(guān)發(fā)出脈沖信號(hào)，剪切機(jī)構(gòu)中的液壓離合器接合，制動(dòng)器脫開，由剪切電機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的飛輪釋放動(dòng)能使凸輪旋轉(zhuǎn)的速度迅速升至工作轉(zhuǎn)速，共軛凸輪中的主凸輪的升程使安裝有上切刀的擺桿產(chǎn)生向下的位移，配合安裝在機(jī)架上的下切刀，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼棒的剪切。與此同時(shí)，旋轉(zhuǎn)的回凸輪的升程使擺桿產(chǎn)生向上的動(dòng)作，擺桿回到初始位置時(shí)，液壓離合器變?yōu)槊撻_狀態(tài)，制動(dòng)器閉合制動(dòng)，帶輪飛輪運(yùn)動(dòng)與主軸脫離，處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，共軛凸輪與主軸處于制動(dòng)狀態(tài)。該共軛凸輪機(jī)構(gòu)屬于高速凸輪機(jī)構(gòu)，考慮工況、加工成本等綜合因素的影響，共軛凸輪在升程期采用正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而在回程期采用余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖2 凸輪擺桿剪切機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 共軛凸輪工作圖

根據(jù)凸輪工作特性，希望其從轉(zhuǎn)動(dòng)開始便做有效升程運(yùn)動(dòng)，凸輪擺桿機(jī)構(gòu)便開始動(dòng)作，如圖3所示。上滾輪最初應(yīng)在起點(diǎn)位置，待凸輪轉(zhuǎn)過102°進(jìn)入近休止區(qū)后切刀便完成往復(fù)行程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼棒的剪切，此后擺桿處于靜止?fàn)顟B(tài)，便可以對(duì)主軸、凸輪進(jìn)行制動(dòng)，停止位置應(yīng)始終與起始位置一致或者說停止位置始終不變，這樣才能保證其切斷精度的準(zhǔn)確性。由此可見制動(dòng)角的重要性，制動(dòng)角與電器反應(yīng)時(shí)間，液壓動(dòng)作時(shí)間以及液壓制動(dòng)器密切相關(guān)。

3 組合式液壓驅(qū)動(dòng)離合器/制動(dòng)器工作過程分析

離合制動(dòng)器動(dòng)作階段主、從動(dòng)件速度變化過程如圖4所示，在剪切信號(hào)發(fā)出前，離合器摩擦片是脫離的，此時(shí)電機(jī)通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)主動(dòng)件 (飛輪)以額定轉(zhuǎn)速n0旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)件 (主軸、凸輪、擺桿)處于靜止不動(dòng)狀態(tài)，停在初始位置上，此時(shí)為空轉(zhuǎn)階段ab。當(dāng)發(fā)出剪切信號(hào)后，制動(dòng)器脫開，離合器摩擦片開始嚙合，在油壓作用下其主動(dòng)摩擦片與從動(dòng)摩擦片開始逐漸接觸，發(fā)生初始摩擦打滑，主動(dòng)件通過離合器的作用帶動(dòng)從動(dòng)件開始起動(dòng)，此為空滑階段bc，在此階段中主動(dòng)件消耗了能量轉(zhuǎn)速降低，而從動(dòng)件處于空滑。當(dāng)主動(dòng)件作用于從動(dòng)件上的摩擦力矩增加，克服掉從動(dòng)件上阻力矩時(shí)，則使得從動(dòng)件逐漸開始轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)進(jìn)入工作滑動(dòng)階段cd，在此階段中主動(dòng)件轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，從動(dòng)件轉(zhuǎn)速逐漸上升，直到主動(dòng)件和從動(dòng)件完全結(jié)合，轉(zhuǎn)速達(dá)到n1。然后主動(dòng)件和從動(dòng)件受電機(jī)驅(qū)使一同升速達(dá)到穩(wěn)定速度n2，此時(shí)進(jìn)入穩(wěn)速段ef。處于穩(wěn)速狀態(tài)下的剪切機(jī)構(gòu)在剪切段fg實(shí)施剪切，剪切中主動(dòng)件和從動(dòng)件同時(shí)降速，速度最低值為n3，剪切后在電機(jī)帶動(dòng)下速度仍恢復(fù)至同步穩(wěn)速n2，此為恢復(fù)穩(wěn)速階段gh。在接到制動(dòng)信號(hào)后，離合器斷開，制動(dòng)器閉合，離合器隨主動(dòng)件仍恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速n0，制動(dòng)器則開始對(duì)從動(dòng)件進(jìn)行制動(dòng)，此為制動(dòng)階段hi。最終主動(dòng)件回到額定轉(zhuǎn)速n0，制動(dòng)器使從動(dòng)件制動(dòng)，轉(zhuǎn)速逐漸降至0，停在初始位置，完成整個(gè)剪切過程，此為復(fù)原階段ij。

圖4 液壓離合制動(dòng)器工作主、從動(dòng)件速度變化過程

4 PLC控制的液壓系統(tǒng)工作原理分析

剪切機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)工作原理如圖5所示，液壓油在過濾之后，電機(jī)帶動(dòng)雙聯(lián)泵將其分為兩路，為液壓離合制動(dòng)器分別提供動(dòng)力油和冷卻油。起初電磁鐵兩端均為失電狀態(tài)，在收到剪切信號(hào)后，PLC控制電磁鐵YV1得電，此時(shí)電磁換向閥接通工作壓力油進(jìn)入活塞腔，克服彈簧作用使離合器摩擦片嚙合離合器動(dòng)作;在離合器作用下剪切機(jī)構(gòu)起動(dòng)實(shí)現(xiàn)剪切，當(dāng)同步環(huán)隨主軸運(yùn)動(dòng)至接近開關(guān)時(shí)發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，此時(shí)YV1先由得電狀態(tài)轉(zhuǎn)為失電，而后YV2得電，電磁換向閥動(dòng)作，液壓油回油箱，活塞腔內(nèi)的油在彈簧作用下克服單向閥背壓回到油箱內(nèi)，活塞回到原位制動(dòng)摩擦片嚙合，使剪切機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng);在YV2得電一段時(shí)間后，PLC會(huì)強(qiáng)制其失電，從而YV1、YV2又恢復(fù)至原失電狀態(tài)等待下個(gè)剪切信號(hào)的到來，如此循環(huán)往復(fù)的進(jìn)行。

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖

在液壓系統(tǒng)工作過程中，各部件都會(huì)起到各自的作用確保液壓系統(tǒng)正常工作。濾油器使液壓油保持清潔，當(dāng)其被堵住不能正常工作時(shí)會(huì)報(bào)警，此時(shí)PLC會(huì)控制雙聯(lián)泵停止工作;溢流閥除了保證液壓泵出口壓力的穩(wěn)定還起到過載保護(hù)的作用;蓄能器補(bǔ)充了工作時(shí)液壓油量的不足;減壓閥使出口油壓降至離合器使用正常范圍內(nèi);在油箱箱體上裝有電接點(diǎn)溫度計(jì)，當(dāng)油溫超過65℃時(shí)，通過PLC控制冷卻器啟動(dòng)進(jìn)行降溫，低于20℃時(shí)，通過PLC控制加熱器啟動(dòng)進(jìn)行升溫，使系統(tǒng)油溫始終處于正常工作范圍內(nèi);在油箱內(nèi)液壓油量過少時(shí)，液位繼電器動(dòng)作會(huì)使報(bào)警器報(bào)警。

由以上分析可知，該液壓系統(tǒng)能夠很好地滿足組合式液壓離合器/制動(dòng)器的工作需要，從而保證使剪切機(jī)構(gòu)能夠準(zhǔn)確地起動(dòng)與制動(dòng)，確保了系統(tǒng)定尺切斷的準(zhǔn)確性。

在該剪切系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)通過采用雙聯(lián)泵供油，采用相應(yīng)的液壓部件，選擇穩(wěn)定性好、外圍電路少的PLC對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)工作的安全穩(wěn)定。剪切機(jī)構(gòu)在電液控制下能夠準(zhǔn)確動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了與電、液聯(lián)合有序的工作過程，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

5 剪切系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

該剪切系統(tǒng)相比傳統(tǒng)剪切機(jī)構(gòu)比較，主要有以下顯著特點(diǎn)。

(1)剪切力大。由于在剪切機(jī)構(gòu)中采用擺桿機(jī)構(gòu)，會(huì)減小作用到軸上的剪切力;由于飛輪儲(chǔ)能的作用，使得電機(jī)功率不需太大只需滿足剪切平均功率即可。

(2)定位機(jī)構(gòu)反應(yīng)迅速。與以往檢測(cè)輪上安裝光電編碼器進(jìn)行檢測(cè)相比，該定位機(jī)構(gòu)避免了檢測(cè)輪打滑以及編碼器在產(chǎn)生脈沖過程中可能出現(xiàn)丟失脈沖或脈沖干擾，確保了檢測(cè)的準(zhǔn)確性。另外對(duì)于隨動(dòng)式剪切裝置常采用的機(jī)械信號(hào)，不與刀具剛性連接，不會(huì)使所切區(qū)段鋼棒在剪切過程中發(fā)生彎曲。

(3)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單。電機(jī)帶動(dòng)小帶輪通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)飛輪，通過組合式液壓離合/制動(dòng)器的離合與制動(dòng)帶動(dòng)剪切機(jī)構(gòu)完成剪切，避免了以往剪切機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)，傳動(dòng)零件數(shù)目少，可靠性大大提高。

(4)無連切現(xiàn)象。經(jīng)上述分析可知，機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)作是嚴(yán)格受PLC控制的，每次剪切過程都會(huì)發(fā)生離合與制動(dòng)，不會(huì)使凸輪擺桿機(jī)構(gòu)連續(xù)工作，因此不會(huì)發(fā)生連切現(xiàn)象。

(5)切頭無油污。系統(tǒng)將液壓系統(tǒng)與剪切機(jī)構(gòu)分開，不會(huì)使切刀上面出現(xiàn)油，因此不會(huì)出現(xiàn)油污現(xiàn)象。

(6)基于機(jī)電液一體化技術(shù)，動(dòng)作靈敏，周期固定，切斷精度高。

6 結(jié)束語(yǔ)

作為PC鋼棒生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備，凸輪擺式剪切機(jī)用于實(shí)現(xiàn)鋼棒在線定尺切斷，具有剪切力大、動(dòng)作周期短、定尺精度高等特點(diǎn)。文中對(duì)凸輪擺桿剪切系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成進(jìn)行了分析，對(duì)剪切系統(tǒng)的機(jī)電液技術(shù)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了剪切系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)制造的可行性。

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