鋼筋隨動剪切機隨動裝置的改進與實驗分析

徐賀偉，盧秀春，劉 豪，楊慧杰，劉 陽，王 鍵

(燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

鋼筋隨動剪切機隨動裝置的改進與實驗分析

徐賀偉，盧秀春，劉 豪，楊慧杰，劉 陽，王 鍵

(燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

對現(xiàn)有剪切機的刀臺隨動裝置進行改進，在隨動裝置上安裝編碼器，用來檢測隨動裝置隨鋼筋運動時的速度，實現(xiàn)了刀臺隨動速度的量化作用；用實驗方法來研究隨動信號與剪切信號之間距離和剪切時刻鋼筋牽引速度與刀臺隨動速度差值等因素對剪切精度的影響；現(xiàn)有機構(gòu)是由氣缸帶動隨動裝置運動，本文探討一種新的隨動裝置驅(qū)動方式，即由電動缸牽引隨動裝置運動，實現(xiàn)隨動裝置速度可控、運動平穩(wěn)等特點。

改進；編碼器；精度；電動缸

0 前言

隨著建筑工程、冶金和機械行業(yè)等領(lǐng)域的高速發(fā)展，高強鋼筋得到了廣泛應(yīng)用，盤料供貨的鋼筋需要對其矯直后進行剪切，獲得所需要的長度，但是建筑鐵路用鋼筋對剪切后鋼筋長度控制較嚴格，所以對剪切機構(gòu)剪切精度要求較高。

1.盤料架 2.導(dǎo)入裝置 3.機架及控制裝置 4.矯直部分 5.牽引與檢測裝置 6.液壓隨動剪切裝置 7.承料架圖1 矯直切斷機總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Steel-straightening and cutting machine

鋼筋剪切機結(jié)構(gòu)多種多樣，本文研究鋼筋隨動剪切機，所謂的隨動是指剪切裝置隨鋼筋一起運動，安裝隨動是為了減小剪切時刻鋼筋與切刀的速度差。圖1為剪切機總體結(jié)構(gòu)示意圖[1]，盤料供貨的鋼筋放置于盤料架中，導(dǎo)入裝置將鋼筋送入水平和豎直矯直輥中進行矯直，液壓隨動剪切機構(gòu)對矯直后的鋼筋進行剪切。隨動剪切裝置的設(shè)計大大提高了剪切機的剪切誤差(誤差可控制在±2mm)，同時提高了矯直機的工作效率。

1 隨動剪切結(jié)構(gòu)及工作原理

隨動裝置和承料架主視圖如圖2所示，俯視圖如圖3所示[2]，上下刀具固定在隨動小車上，和小車同步運動，小車由氣缸牽引運動，隨動信號安裝在承料架上固定不動，剪切信號與小車通過拉桿連接實現(xiàn)同步運動(圖3)，此種連接保證了刀具與剪切信號的距離保持不變，實現(xiàn)定尺剪切。

承料架上安裝兩個電子開關(guān)，第一個為隨動信號，第二個為剪切信號，當(dāng)牽引鋼筋接觸到隨動信號時，信號反饋到隨動氣缸，氣缸開始帶動小車運動，在氣缸的牽引下小車的運動速度為加速過程，鋼筋繼續(xù)運動，當(dāng)接觸到剪切信號時，信號反饋到液壓剪切裝置，液壓活塞桿動作對鋼筋進行剪切，此時承料架上安裝的氣缸接收到信號開始動作，將承料架打開，鋼筋落下，剪切結(jié)束后檢測器發(fā)出信號，液壓缸活塞桿退回至初始位置，小車在氣缸帶動下也退回到初始位置，一次剪切過程結(jié)束。由于剪切信號與小車同步運動，所以剪切之前鋼筋速度一定要大于小車速度，否則鋼筋永遠達不到定長而觸動剪切信號。

1.導(dǎo)軌 2.小車 3.剪切液壓缸 4.隨動氣缸 5.隨動信號 6.剪切信號 7.承料架 8.上切刀 9.下切刀 10.鋼筋圖2 隨動裝置、承料架主視圖Fig.2 Front view of following part and shelf

1.拉桿 2.拉桿圖3 隨動裝置、承料架俯視圖Fig.3 Vertical view of following part and shelf

2 隨動裝置存在的問題

原有隨動剪切裝置存在兩個問題。第一，由于剪切時刻鋼筋的運動速度和刀具速度差值對剪切精度有一定影響，但原有剪切機只能檢測到鋼筋運動速度卻不能檢測到隨動小車運動速度，小車的速度只能由操作者通過觀察得到，并通過控制氣壓大小、氣缸進氣量和出氣量調(diào)節(jié)小車速度，如果安裝小車速度檢測裝置，將使小車的速度調(diào)節(jié)直觀的顯示出來；第二，小車的速度由氣缸控制，由于氣缸受到氣壓等因素影響較大，小車速度不穩(wěn)定，對剪切精度有一定影響，如果有一種牽引裝置可以取代氣缸，使小車運動速度平穩(wěn)，將對提高剪切精度有很大幫助。

3 小車速度檢測裝置與影響剪切精度的實驗

3.1 小車速度檢測裝置

實驗過程中會出現(xiàn)鋼筋在承料架內(nèi)或刀具后方發(fā)生彎曲現(xiàn)象，造成這一現(xiàn)象的原因有兩點，第一是剪切時刻鋼筋牽引速度和小車隨動速度差過大，鋼筋接觸剪切信號剪切過程中無法繼續(xù)送料，將鋼筋頂彎；第二是由于剪切刀具剪切速度過慢，使送料過程無法繼續(xù)進行，出現(xiàn)鋼筋彎曲現(xiàn)象。對第一種頂彎原因應(yīng)采取的措施是，將剪切時刻鋼筋牽引速度和小車隨動速度差調(diào)節(jié)在合適范圍，因此應(yīng)有一種檢測小車運動速度的裝置，使小車速度調(diào)節(jié)直觀數(shù)字化；對第二種頂彎原因應(yīng)采取的措施是選取性能良好的液壓裝置，使剪切刀具的動作時間加快。

編碼器是一種能夠?qū)⑿D(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號的旋轉(zhuǎn)式傳感器，在隨動裝置上安裝編碼器可以實現(xiàn)小車速度的檢測功能(圖4)，編碼器與齒輪通過聯(lián)軸器連接，齒條安裝在支架上，編碼器可以檢測到從小車帶動刀具開始運動到剪切結(jié)束這一段時間的運動速度，使剪切時刻鋼筋牽引速度和刀具隨動速度清晰的呈現(xiàn)在控制面板上。

1.編碼器 2.齒輪 3.齒條圖4 剪切、隨動裝置Fig.4 Cutting and following part

3.2 影響剪切精度的實驗

實驗過程中鋼筋牽引電機使用變頻電機，因此鋼筋的牽引速度分兩種，一種為變速牽引控制方式，另一種為勻速牽引控制方式。

3.2.1 鋼筋變速牽引

鋼筋變速牽引方式下鋼筋運動速度追隨小車速度，即鋼筋牽引速度向小車速度大小靠近，當(dāng)鋼筋速度大于小車速度時，鋼筋牽引降速，當(dāng)鋼筋速度小于小車速度時，鋼筋牽引升速，以此往復(fù)，鋼筋牽引變速曲線如圖5所示。

圖5 鋼筋牽引變速速度曲線Fig.5 Variable speed curve of steel

鋼筋牽引速度追隨小車運動速度的目的是為了盡量減小剪切時刻鋼筋速度與小車速度之差，但這一變速過程也可能導(dǎo)致剪切時刻鋼筋速度小于小車速度，失去定尺的目的，增大剪切誤差，實驗驗證此方式下的剪切精度誤差在±5 mm，不符合生產(chǎn)要求，因此實際生產(chǎn)過程中不采用鋼筋牽引變速方法，采用下一種鋼筋勻速牽引方法進行研究。

3.2.2 鋼筋勻速牽引

鋼筋勻速牽引控制方式，由于鋼筋速度不變，只需控制好氣缸速度保證剪切時刻鋼筋牽引速度大于小車速度即可，機器剪切精度實驗在鋼筋勻速牽引方式下進行，剪切過程速度曲線如圖6所示，速度采集過程從小車隨動開始到剪切結(jié)束，實驗主要研究隨動信號與剪切信號之間距離和剪切時刻鋼筋與小車速度差兩個因素對剪切精度的影響。

圖6 鋼筋牽引勻速速度曲線Fig.6 Constant speed curve of steel

表1數(shù)據(jù)研究的是剪切時刻鋼筋牽引速度與小車速度差對剪切精度影響的一組數(shù)據(jù)，實驗在鋼筋牽引速度為64 m/min，剪切信號與隨動信號距離為680 mm條件下進行，通過調(diào)節(jié)氣缸進、出氣量得到剪切時刻鋼筋與剪切信號不同的速度差值，綜合多組實驗得出表1數(shù)據(jù)。實驗驗證，剪切時刻鋼筋與小車速度差對剪切精度有一定影響，當(dāng)牽引鋼筋速度過大時，由于定尺裝置的存在造成鋼筋在承料架中產(chǎn)生一定彎曲而影響剪切精度。由表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)剪切時刻鋼筋與小車速度差值在18 m/min左右時，剪切精度在生產(chǎn)要求范圍內(nèi)，當(dāng)剪切時刻鋼筋與小車速度差為15 m/min時，剪切精度最高。剪切時刻牽引鋼筋速度要大于小車速度，使氣缸在被壓狀態(tài)下工作，保證剪切精度。

表1 剪切時刻不同速度差

表2研究的是隨動信號與剪切信號間距離對剪切精度影響的一組數(shù)據(jù)，實驗在牽引速度為64 m/min下進行，當(dāng)隨動信號與剪切信號間距離過大時，小車隨動距離增加，如果導(dǎo)軌足夠長將出現(xiàn)鋼筋牽引速度小于小車速度，鋼筋永遠達不到定尺長度；當(dāng)隨動信號與剪切信號距離過短時，將會出現(xiàn)小車剛隨動起來就對鋼筋進行剪切，此時鋼筋速度與小車速度差過大，由于定尺板的存在可能造成鋼筋彎曲。由表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隨動信號與剪切信號距離適當(dāng)時，剪切精度可達到0.8mm，符合實際生產(chǎn)要求。

表2 隨動信號與剪切信號不同距離

影響剪切精度的因素很多，且每個因素之間是相輔相成的，有著密不可分的聯(lián)系，研究某一因素對剪切精度的影響應(yīng)采用單一變量的方法。圖7為實驗用鋼筋隨動剪切機。

圖7 鋼筋隨動剪切機Fig.7 Steel-cutting machine

4 隨動氣缸不穩(wěn)定問題的改進

針對實驗過程中氣缸存在的問題，現(xiàn)擬采用電動缸代替氣缸來實現(xiàn)隨動小車的運動，電動缸的工作原理是通過絲杠副的機械運動，把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為推桿的直線運動[3]，可在極端惡劣環(huán)境下工作，電動缸結(jié)構(gòu)圖如圖8所示[4]，鋼筋隨動剪切機用電動缸取代氣缸后具有以下優(yōu)勢：

(1)環(huán)境適應(yīng)能力強。電動缸不受溫度、氣壓、液壓等因素的影響，可在高、低溫、明火和雨雪等惡劣環(huán)境下工作，不需要保護措施。

(2)隨動小車運動平穩(wěn)。氣缸的驅(qū)動動力源是壓縮空氣，所以氣缸受到氣壓和進、出氣量等因素的影響運動不穩(wěn)定，隨動過程不好控制，電動缸運動可由設(shè)置好的程序驅(qū)動，運動平穩(wěn)。

(3)小車隨動速度可控制。氣缸的運動速度由氣壓控制，氣壓存在不穩(wěn)定性導(dǎo)致氣缸的運動速度很難控制，剪切時刻鋼筋與小車速度差不穩(wěn)定，必然對剪切精度造成一定影響。電動缸可以按照程序設(shè)置好的速度運行，速度大小可調(diào)節(jié)，大大提高鋼筋剪切精度。

由于氣缸的速度調(diào)節(jié)不容易控制，所以鋼筋牽引速度與小車隨動速度關(guān)系調(diào)節(jié)不方便，現(xiàn)有剪切機實現(xiàn)的是非在線矯直剪切，即生產(chǎn)出的鋼筋盤料供貨后，到剪切機上進行矯直剪切，此過程繁瑣，且工作量較大；電動缸和牽引鋼筋的速度均由PLC程序控制，可實現(xiàn)同步加減速，此性能將使鋼筋的在線矯直剪切成為可能，同步的調(diào)節(jié)鋼筋牽引速度與小車速度，以此配合鋼筋生產(chǎn)線上鋼筋的生產(chǎn)速度，不會出現(xiàn)生產(chǎn)出的鋼筋積壓現(xiàn)象，這一過程將大大提高生產(chǎn)效率，節(jié)省空間和人力物力，減少生產(chǎn)成本。

圖8 電動缸結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Electric cylinder

5 結(jié)論

(1)在原有矯直剪切機的隨動裝置上安裝編碼器，實現(xiàn)隨動裝置隨動速度的量化作用，使隨動裝置速度調(diào)節(jié)更加直觀。

(2)實驗方法研究剪切時刻鋼筋與隨動裝置速度差和隨動信號與剪切信號距離對剪切精度的影響，得出剪切時刻鋼筋與小車速度差為15 m/min左右時剪切精度最高。

(3)實驗裝置的下一步改進工作，將用電動缸代替氣缸，實現(xiàn)實驗裝置的在線矯直剪切，同時使隨動裝置運動平穩(wěn)且速度控制更加容易。

[1] 盧秀春，金賀榮，韓雪艷. HSGT4/14高速數(shù)控帶肋鋼筋矯直切斷機[J]. 建筑機械，2009，(8)：83-85.

[2] 盧秀春，金賀榮，趙占良，等. SGTK6/12數(shù)控鋼筋矯直切斷機的總體設(shè)計[J].建筑機械，2006，(7)：93-95.

[3] 楊繼東，劉昆，楊中山，等. 電動缸性能參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2015，38(4)：31-37.

[4] 陳革，張景慧，周其洪. 基于伺服電動缸的立體織機引緯系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 紡織學(xué)報，2013，34(2)：146-150.

·設(shè)計計算·

Improving on following part and experiment of steel-cutting machine

XU He-wei, LU Xiu-chun, LIU Hao, YANG Hui-jie, LIU Yang, WANG Jian

(College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004,China)

Improving of the extant steel-cutting machine, an encoder is used on the following part. It is used to measure the speed of the following part. Experiment method is used to study the influence factors of cutting accuracy, such as the distance of the following signal and the cutting signal, and the speed difference of steel and the following part at the moment of cutting. A new dragging way of the following part is discussed in this article. It propose to use the electric cylinder to drag the car, which makes the following part controllable and stable.

improving; encoder; accuracy; electric cylinder

2016-01-25；

2016-02-17

徐賀偉(1990-)，女，燕山大學(xué)機械工程學(xué)院，碩士研究生。

盧秀春(1954-)，男，燕山大學(xué)機械工程學(xué)院教授，研究方向：機械設(shè)計及理論。

TU649

A

1001-196X(2016)03-0055-04