電解鋁軟帶剪切機(jī)的研發(fā)及應(yīng)用

覃有群

（十一建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司安裝工程分公司電氣公司，廣西 柳州 545007）

鋁軟帶是電解鋁工程中純鋁薄片制成容易變形的過(guò)渡件。來(lái)料主要是成卷提供，需要將其剪切成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的尺寸后加工成束，再與硬性母線(xiàn)焊接達(dá)到導(dǎo)電、變位要求。鋁軟帶的加工是一道關(guān)鍵的工序，其加工質(zhì)量直接影響電解槽的安裝質(zhì)量，繼而影響到電解鋁生產(chǎn)的能耗。剪切是鋁軟帶加工的重要環(huán)節(jié)，單臺(tái)電解槽需要剪切上萬(wàn)片，目前普遍以人工下料進(jìn)行剪切為主要手段，加工效率和加工精度較低。研制高精度高效率自動(dòng)軟帶剪切設(shè)備不僅是工程進(jìn)度的需要，也是施工企業(yè)提高工作效率和施工質(zhì)量的一種手段。

1 設(shè)備參數(shù)及性能

1.1 功能介紹及技術(shù)參數(shù)

本自動(dòng)軟帶剪切機(jī)控制系統(tǒng)是基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)位置控制系統(tǒng)。利用單片機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制目的，根據(jù)軟帶剪切工藝流程編寫(xiě)程序，下載至單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)通過(guò)接收、發(fā)送指令對(duì)外部設(shè)備（伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）進(jìn)行控制。

（1）基于單片機(jī)的送料控制器。該系統(tǒng)采用某公司數(shù)控滾輪送料控制系統(tǒng)，其送料控制器，具有高清液晶LCD藍(lán)屏顯示、16個(gè)按鍵人機(jī)交互，使用時(shí)通過(guò)按鍵直接操作，方便的人機(jī)交互界面；高精度高速度、抗強(qiáng)干擾能力、功能強(qiáng)大、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，可控制20路I/O數(shù)字量信號(hào)，及1路步進(jìn)/伺服電機(jī)高速高精度運(yùn)動(dòng)，輸出高速脈沖頻率最高達(dá)400kHz，送料控制精度高達(dá)0．01mm?？稍O(shè)定滾輪送料過(guò)程涉及的多種參數(shù)，包括多個(gè)送料段數(shù)、每個(gè)送料段數(shù)的送料長(zhǎng)度，產(chǎn)量計(jì)數(shù)系統(tǒng)，正在運(yùn)行的狀態(tài)（運(yùn)行、停止、手動(dòng)等），自動(dòng)送料速度、手動(dòng)送料速度、送料輪大小、每轉(zhuǎn)脈沖等。具有無(wú)料檢測(cè)、送完輸出檢測(cè)、系統(tǒng)急停/暫停/啟動(dòng)、產(chǎn)品數(shù)量計(jì)數(shù)清零、產(chǎn)量計(jì)數(shù)到達(dá)或無(wú)料停機(jī)時(shí)有報(bào)警輸出功能。

（2）交流伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)是本自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，通過(guò)接收送料控制器發(fā)出的電信號(hào)(脈沖)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出，繼而控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。伺服主要靠脈沖來(lái)定位，接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移。因?yàn)樗欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)，這樣就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0．001mm。

（3）技術(shù)性能參數(shù)。①適用于δ=1～3mm，寬度=80mm～500mm等各種規(guī)格的鋁軟帶；②剪切能力：24000片/臺(tái)班；③剪切精度：±0．5mm；④電壓等級(jí)：AC380V、AC220V、DC24V；⑤工作環(huán)境：溫度-20～+65℃；⑥工作濕度：5%～95%無(wú)凝結(jié)。

1.2 主要性能

（1）采用此設(shè)備進(jìn)行加工的軟帶，能夠滿(mǎn)足安裝工藝及設(shè)計(jì)要求。

（2）設(shè)備投用后，能使生產(chǎn)效率大幅度的增高，工作效率提高了2．5～4倍；人工成本投入減少，至少減少了50%的人員投入。

（3）可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)操作方式，操作方便，遙控手柄，遠(yuǎn)方進(jìn)行操作。

（4）剪切長(zhǎng)度精確，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

（5）自動(dòng)剪切，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也提高了安全系數(shù)。

3 工作原理及結(jié)構(gòu)組成

3.1 工作原理

基于單片機(jī)控制伺服電機(jī)，利用單片機(jī)發(fā)送脈沖數(shù)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)減速機(jī)及聯(lián)軸器連接送料輥筒，驅(qū)動(dòng)輥筒旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)以達(dá)到送料目的。剪切機(jī)主要核心部分為送料控制系統(tǒng)以及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)送料控制器上的人機(jī)界面進(jìn)行軟帶長(zhǎng)度、數(shù)量、送料速度等參數(shù)設(shè)置，控制系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器就給伺服電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)，伺服電機(jī)根據(jù)所接收的脈沖信號(hào)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，然后帶動(dòng)送料滾筒輸送軟帶的長(zhǎng)度，軟帶輸送到所需的長(zhǎng)度后，控制系統(tǒng)就會(huì)給剪切機(jī)一個(gè)信號(hào)，剪切機(jī)就會(huì)完成剪切的動(dòng)作。當(dāng)剪切完所設(shè)定的一組軟帶后，控制系統(tǒng)又給輸送電機(jī)一個(gè)信號(hào)，帶動(dòng)輸送帶將剪切好的軟帶向前輸送，以便于下一道工序的開(kāi)展。這個(gè)動(dòng)作完成后控制系統(tǒng)又會(huì)重復(fù)上述工作。在鋁軟帶下垂的位置裝了兩個(gè)傳感器，當(dāng)鋁軟帶接近傳感器S1時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)開(kāi)始工作，帶動(dòng)軟帶卷轉(zhuǎn)動(dòng)，將軟帶放出來(lái)，當(dāng)鋁軟帶接近傳感器S2時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)停止工作，保證送料滾筒所需的軟帶長(zhǎng)度。工作流程圖如圖1所示。

圖1 工作流程圖

3.2 剪切機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

自動(dòng)剪切機(jī)主要有放料系統(tǒng)、剪切系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)三部分組成。

（1）放料系統(tǒng)。主要由調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)軟帶盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)放料，通過(guò)傳感器S1和S2控制放料的速度快慢。

（2）剪切系統(tǒng)。該系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備的核心部分，主要有矯直部件、送料滾筒、剪板機(jī)構(gòu)成。

（3）輸送系統(tǒng)。由皮帶、輸送電機(jī)構(gòu)成。

4 剪切機(jī)的設(shè)計(jì)與選型

4.1 剪板機(jī)選型

市場(chǎng)上有很多規(guī)格的剪板機(jī)，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)加工實(shí)際情況，考慮到加工產(chǎn)量和軟帶規(guī)格，根據(jù)產(chǎn)量要求，同時(shí)剪切多片軟帶時(shí)，可選擇長(zhǎng)度比較長(zhǎng)的剪切機(jī)，剪切厚度根據(jù)工藝上軟帶規(guī)格確定。本公司根據(jù)多年的現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，選擇1．3×3規(guī)格的剪切機(jī)，其工作性能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的加工比較合適。

4.2 送料控制器選型

送料控制器是本設(shè)備的主要核心之一，其功能直接影響到產(chǎn)品加工的質(zhì)量以及工作效率。選型時(shí)不僅考慮到產(chǎn)品工作性能，還要考慮到經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。單片機(jī)又稱(chēng)單片微控制器，把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)非常便利，操作界面簡(jiǎn)潔。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境的復(fù)雜性，單片機(jī)控制是目前最為經(jīng)濟(jì)的選擇。本公司選用的控制器為某公司數(shù)控滾輪送料控制器，可根據(jù)需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)編程，完成工作流程。

4.3 伺服電機(jī)選型

根據(jù)加工精度要求，步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)相比較，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，實(shí)現(xiàn)位移。伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，運(yùn)行平滑，控制性能可靠。伺服電機(jī)系統(tǒng)的精度取決于編碼器的分辨率，分辨率越高精度越高。恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000r/min或3000r/min）以?xún)?nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上速度系響應(yīng)：從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000r/min僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作可靠，定位準(zhǔn)確，矩頻范圍大，能夠容易實(shí)現(xiàn)目標(biāo)值。選擇伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)還要考慮到期功率以及現(xiàn)場(chǎng)電壓等級(jí)，本設(shè)備依據(jù)輥筒的大小及運(yùn)轉(zhuǎn)能力，選擇2．3kW、1000r/min、220V規(guī)格的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

4.4 儀表及控制元器件選型及設(shè)計(jì)布置

本設(shè)備主要儀表為接近開(kāi)關(guān)以及中間繼電器、接觸器，選擇時(shí)考慮其穩(wěn)定性以及抗干擾強(qiáng)的儀表?？刂圃骷饕歉黝?lèi)按鈕，選擇時(shí)保證質(zhì)量過(guò)關(guān)，性能良好。所有控制元器件安裝于控制箱面板上，易于操作，操作箱布置如圖2所示。

圖2 控制箱布置圖

4.5 送料輥筒的設(shè)計(jì)

送料輥筒是自動(dòng)剪切機(jī)傳遞軟帶的機(jī)械器件，是本設(shè)備最為關(guān)鍵的部件，其設(shè)計(jì)加工出的輥筒直接影響到軟帶的送料精度。根據(jù)鋁軟帶材質(zhì)、加工工藝、施工現(xiàn)場(chǎng)情況確定輥筒材料、規(guī)格、尺寸。為了防止輥筒和鋁軟帶之間產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，我們將兩個(gè)滾筒的其中一個(gè)外面包上一層10毫米厚的橡膠，硬度在80SHA左右，這樣就可以起到防滑作用，提高滾筒的送料精度。一個(gè)主動(dòng)輥與一個(gè)被動(dòng)輥組成一組夾緊送料裝置，輥通過(guò)聯(lián)軸器以及減速機(jī)與伺服電機(jī)連接，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)輥根據(jù)材料的厚度可以上下調(diào)整，使之與從動(dòng)軸平行，而且預(yù)緊力可調(diào)整。輥筒前方位置安裝矯直輥，能夠使材料在運(yùn)行中得到校平。輥筒的設(shè)計(jì)及加工圖如圖3、圖4所示。

圖3 從動(dòng)橡膠輥筒

圖4 驅(qū)動(dòng)輥筒

4.6 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)依據(jù)工藝流程進(jìn)行程序編寫(xiě)，然后下載至單片機(jī)控制器，控制系統(tǒng)程序框圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)程序框圖

5 功能的實(shí)現(xiàn)

剪切機(jī)完成設(shè)計(jì)后，將電器、機(jī)械等各部件組裝成一體，通過(guò)反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，該設(shè)備功能完全能滿(mǎn)足軟帶剪切加工工作需求，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^(guān)，以本公司某工程加工量為例子分析如下。

工作量：80臺(tái)電解槽；工人成本（綜合）為180元/天。

表1為傳統(tǒng)軟帶剪切設(shè)備和鋁軟帶自動(dòng)剪切機(jī)工作效率的對(duì)比表如（單臺(tái)）。

由表1可以得出：

（1）傳統(tǒng)設(shè)備完成上述工作所需的費(fèi)用：（83×7+49×7+116×7）×180=1736×180=312480 元≈ 31．2 萬(wàn)元。

（2）鋁軟帶自動(dòng)剪切機(jī)完成上述工作所需的費(fèi)用：（24×4+17×3+39×4）×180=303×180=54540 元≈ 5．5 萬(wàn)元；人工費(fèi)節(jié)約：31．2-5．5=25．7 萬(wàn)元。

（3）傳統(tǒng)鋁軟帶剪切機(jī)成本：10000元/臺(tái)；鋁軟帶自動(dòng)剪切機(jī)成本：55000元/臺(tái)；設(shè)備投入增加：55000-10000=4．5 萬(wàn)元。

（4）由此可計(jì)算出使用鋁軟帶自動(dòng)剪切機(jī)比傳統(tǒng)軟帶剪切設(shè)備所節(jié)約的費(fèi)用：25．7-4．5=21．2萬(wàn)元。設(shè)備及剪切效果圖如圖6。

表1

圖6 設(shè)備及剪切效果圖

6 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)備研制成功后，本公司批量生產(chǎn)了9臺(tái)鋁軟帶剪切機(jī)，分別在新疆、內(nèi)蒙古、山東、云南、廣西等各大電解鋁項(xiàng)目投入使用。從現(xiàn)場(chǎng)使用情況看，此類(lèi)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，工作效率高。該設(shè)備的投入使用，不僅高效的完成了施工計(jì)劃，極大的降低了施工中對(duì)勞動(dòng)力的依賴(lài)，節(jié)約了施工成本，也改進(jìn)了施工工藝，提高了本企業(yè)施工的自動(dòng)化水平，實(shí)踐證明本設(shè)備是鋁軟帶加工的理想設(shè)備。