切邊圓盤剪剪刃側(cè)隙與重疊量控制的研究

劉 鵬，郜 建，楊 洋

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

0 前言

切邊圓盤剪是冷軋板帶精整生產(chǎn)線核心設(shè)備［1］，用來剪切帶鋼邊部缺陷，保證整個(gè)帶鋼的寬度一致。切邊圓盤剪本身的制造精度、結(jié)構(gòu)形式及其控制精度決定著帶鋼邊部剪切質(zhì)量的高低，對產(chǎn)品后續(xù)的加工有著重要影響。本文以某鋼廠的切邊圓盤剪為例，研究切邊圓盤剪剪刃側(cè)隙量與重疊量的控制方法，以及剪刃側(cè)隙量與重疊量和帶鋼厚度的關(guān)系對剪切質(zhì)量的影響，以提高圓盤剪的剪切效率及帶鋼切邊質(zhì)量。

1 圓盤切邊剪的結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，切邊圓盤剪由操作側(cè)剪架7與傳動(dòng)側(cè)剪架11分別安裝在滑動(dòng)底座8上組成，其動(dòng)力由主傳動(dòng)齒輪馬達(dá)1通過傳動(dòng)分配箱9與12提供。兩側(cè)剪架上分別裝配有重疊量調(diào)整機(jī)構(gòu)與側(cè)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。剪刃的開口度調(diào)整由齒輪馬達(dá)6驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)兩側(cè)剪架相對運(yùn)動(dòng)，相對于機(jī)組中心線對稱調(diào)整剪刃剪切寬度，調(diào)整量的大小通過一臺絕對值編碼器提供位置反饋信號。

2 圓盤剪的技術(shù)參數(shù)

刀盤尺寸/mm φ350×40

刀軸中心距/mm 328～362

剪切寬度/mm 600～1650

圖1 切邊剪圓盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of trimming disc shears

剪切厚度/mm 0.3～4.0

穿帶速度/m·min－118

工作速度/m·min－1300

單邊切邊寬度/mm 5～25

開口度度范圍/mm 580～1800

側(cè)隙調(diào)整精度/mm ±0.010

重疊量調(diào)整精度/mm ±0.030

開口度精度/mm 0～0.5

3 剪刃側(cè)隙量與重疊量控制原理

圓盤剪的控制示意圖如圖2所示，操作側(cè)、傳動(dòng)側(cè)剪刃側(cè)隙量與重疊量的調(diào)整分別由四臺交流變頻電機(jī)進(jìn)行控制。

圖2 圓盤剪剪刃側(cè)隙與重疊量的控制示意圖Fig.2 Schematic of disc shear gap and overlap control

3.1 剪刃側(cè)隙量控制

傳動(dòng)側(cè)與操作側(cè)的剪刃側(cè)隙量調(diào)整是這樣實(shí)現(xiàn)的:上刀軸固定于機(jī)架上孔僅做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，下刀軸固定于機(jī)架下孔中，它既能做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也能做軸向移動(dòng)，當(dāng)下刀軸做軸向移動(dòng)時(shí)就實(shí)現(xiàn)了上下剪刃的側(cè)向間隙調(diào)整。下刀軸的軸向移動(dòng)由一臺交流變頻電機(jī)通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠，絲杠帶動(dòng)一個(gè)齒輪使與下刀軸相連接的一個(gè)螺母旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)下刀軸精確地進(jìn)行軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了上下剪刃的側(cè)向間隙調(diào)整。剪刃間隙調(diào)整量通過直線位移傳感器檢測。

剪刃側(cè)隙量控制框圖如圖3所示，剪刃側(cè)隙的實(shí)際測量值通過直線位移傳感器檢測輸入給PLC，側(cè)隙的給定值來自過程控制計(jì)算機(jī)或操作臺人機(jī)界面，傳動(dòng)裝置采用 Siemens Sinamics S120變頻系統(tǒng)，與電動(dòng)機(jī)同軸的增量編碼器信號輸入給傳動(dòng)S120作為速度反饋。通過PLC外部位置閉環(huán)對剪刃側(cè)隙進(jìn)行位置控制。

圖3 剪刃側(cè)隙控制框圖Fig.3 Cutting gap control block

3.2 重疊量控制

剪刃重疊量調(diào)整是這樣實(shí)現(xiàn)的:上、下刀軸分別安裝在機(jī)架上、下孔中的偏心套內(nèi)，重疊量調(diào)整是通過交流變頻電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪箱中的偏心齒輪副轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心齒輪與偏心套固定在一起，從而改變上刀軸與下刀軸的中心距，達(dá)到剪刃重疊量調(diào)整的目的，重疊量控制電機(jī)帶有絕對值編碼器，對電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行測量。

剪刃重疊量控制框圖如圖4所示，剪刃重疊量控制是通過Siemens Sinamics S120變頻傳動(dòng)裝置來完成。重疊量的給定值來自過程控制計(jì)算機(jī)或操作臺人機(jī)界面，與電機(jī)同軸的絕對值編碼器信號反饋輸入給傳動(dòng)裝置S120，作為位置反饋。通過S120內(nèi)部進(jìn)行位置閉環(huán)控制。本次重疊量是通過交流變頻電機(jī)帶動(dòng)齒輪箱中的偏心齒輪副轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心齒輪與偏心套固定在一起，從而改變上刀軸的中心距，達(dá)到剪刃重疊量調(diào)整的目的。

圖4 剪刃重疊量控制框圖Fig.4 Cutting edge overlap control chart

4 剪刃側(cè)隙量、重疊量與帶材厚度的關(guān)系

通常板厚范圍與重疊量的調(diào)整范圍由工藝人員給出，在實(shí)際的應(yīng)用中，重疊量對剪切最終質(zhì)量的影響沒有剪刃側(cè)隙量影響大。根據(jù)給定的厚度與側(cè)隙量及重疊量的大小取其中間值簡化，再利用數(shù)學(xué)多階函數(shù)逼近法，給出其數(shù)學(xué)模型，從而簡化控制軟件編程。

(1)來料厚度與側(cè)隙的關(guān)系。由工藝經(jīng)驗(yàn)給出的一組側(cè)隙量與鋼板厚度的數(shù)據(jù)見表1。

表1 側(cè)隙量與鋼板厚度的范圍Tab.1 The range of gap and plate thickness

根據(jù)表1帶材厚度及側(cè)隙范圍，結(jié)合試驗(yàn)剪切數(shù)據(jù)，確定出一組優(yōu)選值見表2。

表2 側(cè)隙量與鋼板厚度的關(guān)系Tab.2 Relationship of the gap with plate thickness

表2中的優(yōu)選值可以運(yùn)用多階函數(shù)逼近法找出鋼板厚度與側(cè)隙量之間的關(guān)系式，我們用四階多項(xiàng)式表示如下圖5。由圖5可見，剪刃的側(cè)隙量計(jì)算值和經(jīng)驗(yàn)值兩條線基本是重合的。整理歸納，有鋼板與側(cè)隙的關(guān)系式如下:

將表2數(shù)據(jù)代入上式可得:

式中，y是側(cè)隙值，mm;x是鋼板厚度，mm。

圖5 鋼板厚度與側(cè)隙的關(guān)系Fig.5 Relationship of plate thickness with gap

(3)來料厚度與重疊量的關(guān)系。雖然圓盤剪重疊量沒有側(cè)隙對剪切質(zhì)量影響大，但是也不能忽視重疊量的影響。由工藝經(jīng)驗(yàn)得到的一組側(cè)隙與鋼板厚度的數(shù)據(jù)見表3。

表3 重疊量與鋼板厚度的范圍Tab.3 The amount of overlap with the range of plate thickness

根據(jù)帶材厚度及重疊量范圍，結(jié)合試驗(yàn)剪切數(shù)據(jù)，確定出一組優(yōu)選值見表4。

表4 重疊量與鋼板厚度的關(guān)系Tab.4 Relationship of overlap and plate thickness

根據(jù)表4整理歸納，鋼板厚度與重疊量的關(guān)系式為

式中，y是重疊量，mm;x是鋼板厚度，mm。

鋼板厚度與側(cè)隙的關(guān)系如圖6所示，剪刃的重疊量計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)值兩條線基本是重合的。

圖6 鋼板厚度與重疊量的關(guān)系Fig.6 Relationship of the plate thickness and overlap

5 結(jié)束語

切邊圓盤剪剪刃側(cè)隙量和重疊量的大小，直接影響剪切后的成品質(zhì)量。生產(chǎn)過程中，及時(shí)根據(jù)實(shí)際材料的規(guī)格和機(jī)械性能進(jìn)行剪刃重疊量和側(cè)隙量的修改和調(diào)整，能切實(shí)有效地提高剪切效率和剪切質(zhì)量。本文根據(jù)被剪材料的厚度得到的側(cè)隙量和重疊量的計(jì)算方法，在多家鋼廠得到成功應(yīng)用，實(shí)踐證明，該方法方便快捷，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

［1］景群平，張勇安，王社昌，等.冷軋板帶材切邊圓盤剪重疊量調(diào)整方法探討［J］.重型機(jī)械，2008(1):35～39.

［2］李慶揚(yáng).數(shù)值分析［M］，北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［3］王永強(qiáng)，孫清泉，董凱，等.圓盤剪間隙調(diào)整及切邊質(zhì)量改進(jìn)［J］.山東冶金，2007(3).

［4］程傳奇.圓盤剪在帶材生產(chǎn)設(shè)備中心的設(shè)計(jì)和應(yīng)用［J］.有色金屬加工，2010(1).

［5］劉士銘，祁平，沈婷婷，等.切邊圓盤剪的新型設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(3).