激光測長在切頭剪的應(yīng)用及影響

苗建新,丁海紹

(寶山鋼鐵股份有限公司厚板部,上海 200941)

1 概述

寶鋼股份公司寶山基地5 m厚板產(chǎn)線于2005年投產(chǎn),是國內(nèi)第一家寬厚板產(chǎn)線,電氣設(shè)備及控制是由西門子設(shè)計和調(diào)試,一期設(shè)計產(chǎn)能150萬t。

切頭剪是剪切線的第一道工序,采用滾切式設(shè)計,弧形上刀刃沿著直線型下刀刃滾動實現(xiàn)剪切,設(shè)置在UST的下游,主要負(fù)責(zé)來料鋼板的切頭切尾和母板粗切工作。切頭剪來料鋼板的長度測量主要是依靠操作側(cè)剪刃前的測長輥測量計算,這種接觸式測量方式受摩擦力、鋼板板形影響較大,測量越長誤差越大,而且經(jīng)常發(fā)生測量輥被鋼板撞壞無法使用,必須停機搶修。如果要保證鋼板的定位精度,就必須要保證切頭剪測長輥的測量精度。因此必須定期進(jìn)行標(biāo)定,以保證鋼板的剪切精度。

測長輥目前的精度標(biāo)定是先人工測量測長輥的外徑,然后計算出測長輥的周長,再將計算出的周長數(shù)據(jù)寫入程序進(jìn)行標(biāo)定[1]。由于是人工測量的外徑數(shù)據(jù),在測量工具與測量方法上難免會存在誤差,因此每次測長輥的標(biāo)定都要反復(fù)進(jìn)行多次,耗時較長,影響剪切線的正常生產(chǎn)節(jié)奏,而且每次標(biāo)定的過程中都會導(dǎo)致成品鋼板的長尺與短尺現(xiàn)象,造成成品鋼板的降級或報廢。

鋼板經(jīng)過切頭剪后,切除頭部的“舌形”部分,并視板形情況進(jìn)行分段處理,當(dāng)鋼板出現(xiàn)“鐮刀彎”時可用此剪機在適當(dāng)位置進(jìn)行分段,以減少鋼板的切邊量,為后續(xù)的邊部剪切做好準(zhǔn)備。適當(dāng)?shù)拇智幸部梢詼p輕定尺剪的工作負(fù)荷,如圖1所示。合理安排切頭剪的剪切計劃,直接關(guān)系到雙邊剪和定尺剪的剪切計劃,若切頭長度大于設(shè)備允許的最大廢料剪切長度,則需要兩次或更多次的剪切。測長輥的測量對象是母板,頭部和尾部是無法使用測長輥的,對于頭尾鐮刀彎的情況,還需要多次單一剪切來滿足母板的剪切條件。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃

在鋼板測量和定位方面,國內(nèi)很多鋼廠采用的是接觸式測量和定位方法[2-3],如在切頭過程中,采用手工劃線測量、人工對線剪切的方法。接觸式測量投入成本低廉,但安裝麻煩,占地大,最大的缺點是測量和定位不準(zhǔn),嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的剪切精度,制約了產(chǎn)品的成材率。

為此,2014年年底,厚板部利用年修期間對切頭剪系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造,在切頭剪前設(shè)置1套高清工業(yè)相機檢測裝置,在鋼板運行過程中對鋼板的頭部輪廓進(jìn)行識別,通過對比度的比較及相關(guān)算法,自動或手動確定出鋼板的最佳切頭距離,并可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送;在切頭剪本體主電動機平臺下部距離剪切零位1 200 mm位置安裝1套激光測長儀,實現(xiàn)對母板長度的非接觸式測量。

3 測長儀工作原理

安裝在主電動機平臺下部的激光測長儀采用激光多普勒測速原理[4-6],對長度和速度進(jìn)行精確測量,是一種非接觸式測量技術(shù),如圖2所示。激光測長儀利用激光發(fā)射裝置產(chǎn)生兩束干涉光束,形成干涉條紋,來測量鋼板運行的速度,再通過速度與時間的積分來計算鋼板通過的距離。

計算過程如下。

光斑間距是干涉光束波長與入射角的函數(shù),見式(1):

(1)

式中:d為光斑間距;λ為波長;α為入射角。

激光非接觸式的測量方法簡單易行,同時精度非常高,與接觸式的測量方法相比,減少很多干擾,同時又不影響生產(chǎn)節(jié)奏。

4 控制關(guān)鍵技術(shù)

安裝在切頭剪主電動機平臺下部零位后方1 200 mm的測長儀,從上到下進(jìn)行工作,從激光測長儀測量出的信號經(jīng)過內(nèi)部處理和整合后得出鋼板長度值,通過新建立的通訊接口,發(fā)送給切頭剪控制系統(tǒng)中。在自動方式下,在切頭剪PLC控制輥道的速度值,接收來自測長儀檢測的鋼板長度反饋信號,加上與定位零位的固定距離,形成位置閉環(huán)控制,以提供鋼板長度方向上的準(zhǔn)確定位。

在提高了鋼板測量精度的同時,為了提高鋼板自動控制的定位精確度,需要盡量控制鋼板位置到達(dá)設(shè)定位置的準(zhǔn)確性。從定位來講,控制系統(tǒng)以切頭剪下剪刃刃口為零點,入口是負(fù)值,出口是正值,從入口第四個光柵開始建立鋼板的跟蹤[7],另外,入口和出口還有光電開關(guān)來進(jìn)行跟蹤位置的同步修正,如圖3。

鋼板輸送是通過輥道來實現(xiàn)的,輥道是由數(shù)目一定的電動機來形成組數(shù),然后統(tǒng)一由變頻器輸出控制,而分合閘及速度控制、斜坡控制等都是通過切頭剪PLC根據(jù)位置控制的要求來決定的。當(dāng)建立了位置跟蹤后,定位控制及精度就由功能集成塊來實現(xiàn)[8],見圖4。

當(dāng)鋼板定位完成,接收到“完成”脈沖信號后,生成一個350 mm的脈沖命令,進(jìn)行選擇判斷,給相應(yīng)的輥道一個反向低速,進(jìn)而抵消鋼板慣性帶來的多余行程,最終提高了鋼板的定位精度[9]。

新功能投入后,又產(chǎn)生了一個新問題:剪切鋼板測量和定位精度有了提高,但是剪切上傳實績和設(shè)定值比較偏差較大,基本偏差在200～300 mm間。采用激光測長儀提高了鋼板測量精度,通過輥道控制優(yōu)化提高了鋼板定位精度,但是由于激光測長儀測量位置是在零位后部1 200 mm處,母板尾部還未離開測量區(qū)域,此時的測量和定位工作已經(jīng)完成。當(dāng)剪切鋼板發(fā)生時,擺動輥道下降和抬升動作都會使鋼板發(fā)生上下的位置變化,雖然鋼板整體定位位置并沒有發(fā)生位移,但是此時激光器測量的數(shù)據(jù)由于這種干擾發(fā)生了變化,而信息上傳實績是根據(jù)當(dāng)時激光測長的數(shù)據(jù)為依據(jù),導(dǎo)致剪切完成后實績上傳數(shù)據(jù)發(fā)生了較大的偏差。解決方法是當(dāng)鋼板定位完成,還沒有剪切之前就發(fā)送實績[10],不要等待剪切完成后再發(fā)送實績,這樣就避免了實績受干擾的情況了,如圖5所示。

5 效果分析

該系統(tǒng)自2014年12月投入至今,系統(tǒng)功能完善,性能穩(wěn)定可靠,完全能滿足工藝要求,人機界面友好,便于操作維護(hù)和控制。原有測長輥模式繼續(xù)保留,可以在操作畫面一鍵式切換,兩種測量方法都可以使用。如圖6所示,左側(cè)紅框內(nèi)為激光測長儀投入畫面,當(dāng)“enable”為灰色時表明投入激光測長儀檢測鋼板,反之采用測長輥測量鋼板,測長輥測量數(shù)據(jù)在畫面中部紅框內(nèi)顯示。這種二選一模式可以減少由于測量異常導(dǎo)致的停機時間,切換到另一個正常模式繼續(xù)生產(chǎn),待停機時處理。

由表1可知,采樣長度為10～20 m左右的鋼板,激光測長儀所測量的值與實測值比較誤差均控制在5 mm左右,其長度測量精度達(dá)0.025%;而測長輥測量值與實測值比較誤差較大且波動大,其長度值不穩(wěn)定,不利于精確控制鋼板的分段。

表1 測量數(shù)據(jù)比較Table 1 Comparison of measured data mm

6 結(jié)論

厚板部切頭剪機組在使用激光測長儀器進(jìn)行鋼板長度測量過程中,不斷完善各種參數(shù)配置、優(yōu)化程序等,使激光測長方式在實際生產(chǎn)中得到很好的應(yīng)用。采用激光測長儀的非接觸式測量方法完全可以取代測長輥的接觸式測量方法,且精度得到很大的改善。在鋼板定位系統(tǒng)方面,對輥道控制的優(yōu)化有效降低了鋼板慣性對鋼板定位精度的影響,并確定了最佳剪切位置,剪切實績的生成和上傳功能優(yōu)化也保證了信息跟蹤與實物的有效一致。切頭剪這些新功能得到整體應(yīng)用,提高了鋼板的定位精度,提高了鋼板的剪切精度,減少了尺寸異議差錯,便于實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動控制功能,提高了生產(chǎn)效率和鋼板成材率,具有較大的經(jīng)濟(jì)價值和推廣價值,只是激光測長儀維護(hù)要求高,且費用昂貴,備件和修復(fù)費用較高。