定尺剪雙軸差速傳動滾切軌跡優(yōu)化及高精度定尺機構(gòu)研究

摘要：本文首先介紹了國內(nèi)中厚板定尺剪技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及定尺剪機組在剪切和定尺方面存在的問題。結(jié)合現(xiàn)存問題分析了優(yōu)化思路，詳細(xì)展示了定尺剪雙軸差速傳動滾切軌跡優(yōu)化過程及成果，介紹了一種可配合交互動態(tài)排尺控制程序的新型高精度機械定尺機，說明了高精度定尺的原理，以及如何配合定尺剪完成準(zhǔn)確剪切定尺鋼板，實現(xiàn)全自動精確定尺。

關(guān)鍵詞：定尺剪;滾切軌跡優(yōu)化;定尺機;高精度定尺

0 引言

隨著中厚板控冷控軋、在線淬火等生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以及高強鋼板的生產(chǎn)供需關(guān)系的變化，市場對中厚板成品的質(zhì)量要求也越來越嚴(yán)格。比如定尺剪切，由最初的毛邊交貨到的定尺交貨，再到嚴(yán)格的長度精度要求;同時對切口種類和切口質(zhì)量等都提出了更加苛刻的要求。而傳統(tǒng)的斜刃剪切口不光潔（還帶有大量的毛刺），剪切能力?。羟泻穸茸畲蟮?0mm），定尺精度差（沒有配備機械式定尺機），已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要。為此，冶金行業(yè)極力推行對現(xiàn)有斜刃剪進行改造，同時大部分新建項目已經(jīng)禁止使用斜刃剪，推薦使用滾切式定尺剪機組。滾切式定尺剪是中厚板定尺剪設(shè)備中處于國際先進水平的技術(shù)，分為單軸雙偏心和雙軸雙偏心兩種機型，其中最先進的是雙軸雙偏心滾切式定尺剪。國內(nèi)最近幾年建設(shè)的中厚板生產(chǎn)線大多配置了滾切式定尺剪，滾切式定尺剪在剪切能力、剪切質(zhì)量、設(shè)備維護方面具有明顯的優(yōu)勢，而且適應(yīng)產(chǎn)品范圍寬，技術(shù)日趨完善。

同時，在定尺剪的中，普遍采用手工定尺、簡單的測長輥定尺，由于測長輥跳動、打滑、數(shù)據(jù)丟失，測長數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，經(jīng)常造成長尺、短尺，為避免報廢，實際操作中每塊板需要人工放尺25～30mm以上，造成極大浪費;此外由于測長輥輥徑小，使用稍長時間，由于磨損、污染也會產(chǎn)生二次誤差，為保證精度，每隔一兩周需重新校訂測長輥換算系數(shù)，操作維護繁瑣。

隨著鋼鐵行業(yè)對中厚板產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，要求中厚板產(chǎn)品的板形良好、尺寸精度高、表面光潔、性能良好。傳統(tǒng)的手工定尺、簡單的測長輥定尺精度和穩(wěn)定性已經(jīng)難以滿足要求。近年曾出現(xiàn)的激光測長儀，由于對環(huán)境光線、粉塵、振動、溫度、濕度以及信號干擾等較敏感，使用故障多，需專業(yè)人員維護且設(shè)備昂貴，也未得到推廣。

因此，對滾切式定尺剪及其定尺機構(gòu)提出了更高要求。

1、存在問題及優(yōu)化思路

定尺剪是用于鋼鐵行業(yè)中厚板、寬厚板生產(chǎn)線上的一種橫向剪切板材的關(guān)鍵設(shè)備。主要用于中厚板生產(chǎn)線上需要對所生產(chǎn)的鋼板進行定尺剪切的地方，如熱軋中厚板精整線、中厚板熱處理的精整線上，雙邊剪之后，成品收集區(qū)前[1]。

1.1 存在問題

通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)中厚板定尺剪機組在剪切和定尺方面普遍存在以下問題：

定尺剪定尺精度低，生產(chǎn)節(jié)奏慢，鋼材損耗高。雙軸雙偏心滾切剪對應(yīng)不同厚度軌跡單一，調(diào)整不靈活;照搬國外設(shè)備滾切機構(gòu)，運動軌跡待優(yōu)化;定尺剪測長精度差，穩(wěn)定性差，靠現(xiàn)場人工定尺，定尺精度低。普通定尺機齒側(cè)間隙大，慣性、沖擊、磨損造成定尺精度差;定長送料定位誤差大，不穩(wěn)定，間接造成鋼板長尺、短尺。

中厚板生產(chǎn)線上通常使用的是雙軸傳動的雙偏心式滾切式定尺剪，剪切機經(jīng)過三級減速后，由偏心軸帶動連桿驅(qū)動上刀架運動，在導(dǎo)向桿約束下進行近似于純滾動的剪切動作。

目前滾切式定尺剪雙軸傳動采用的是機械同步傳動，沿著剪刃的長度方向，剪刃上的各部分（即上剪刃前部位置和后部位置）隨雙軸是同步移動的，雙軸傳動的剪切設(shè)備的剪切為近似于滾切運動的剪切，但還不是真正的滾切運動，這樣，會影響剪切斷面的質(zhì)量、剪切精度、剪切能力和效率。

滾切剪對鋼板進行剪切主要是通過慣性來實現(xiàn)的，不管鋼板的薄厚都采用相同的功率，剪切設(shè)備產(chǎn)品普遍都存在設(shè)備能力浪費、能耗高等現(xiàn)象?，F(xiàn)有的雙軸傳動的滾切剪對于不同型號、厚度、硬度的鋼材無法進行合理的調(diào)整，往往對于不同的中厚板都采用相同的剪切控制，這樣，也影響剪切能力和效率。

1.2 優(yōu)化思路

通過對目前國內(nèi)外中厚板生產(chǎn)線上的滾切式定尺剪進行分析比較，詳細(xì)總結(jié)了各類型定尺剪的性能及參數(shù)，比較各機型的優(yōu)缺點。通過多次實地調(diào)研了已投產(chǎn)的各定尺剪機組的使用情況，確定優(yōu)化分析思路。

進行剪切工藝參數(shù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)和力能參數(shù)的分析研究;對鋼板靠邊裝置、夾送輥、滾切機構(gòu)、剪刃間隙調(diào)整裝置、刀座鎖緊裝置、高精度機械定尺機等進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)分析研究;對自動調(diào)節(jié)剪刃水平間隙、自動定尺控制等內(nèi)容，進行系統(tǒng)的研究。

傳統(tǒng)的滾切式定尺剪的通過主傳動減速箱，機械同步傳動兩傳動軸，通過安裝雙軸的相位差是一個恒定值，在滾動剪切鋼板的過程中，受各機械結(jié)構(gòu)的限制，上下剪刃的重疊量雖然比斜刃剪有所減少，但這個重疊量仍然有較大的波動，無法根據(jù)實際需要進行優(yōu)化設(shè)計。

本次優(yōu)化升級改造，針對傳統(tǒng)的滾切式定尺剪的弊病，優(yōu)化設(shè)計了一種雙軸可差速傳動的滾切式定尺剪切設(shè)備，此新式滾切式定尺剪的兩主傳動軸之間不再通過減速箱齒輪進行機械同步，而是分別采用兩套獨立的減速齒輪傳動，兩軸可分別傳動。雙軸異步傳動的滾切式定尺剪設(shè)備的主傳動機構(gòu)包括：左右兩側(cè)的主電機、減速機、主傳動偏心軸。左側(cè)減速機與右側(cè)減速機并排而且獨立布置;左側(cè)傳動偏心軸，與左側(cè)減速機連接;右側(cè)傳動偏心軸，與右側(cè)減速機連接。滾切剪的上剪刃，同時與上述左側(cè)偏心軸和右側(cè)偏心軸連接。上剪刃上設(shè)置有左側(cè)鉸接軸承座和右側(cè)鉸接軸承座，左側(cè)鉸接軸承座與左側(cè)偏心軸連接，右側(cè)鉸接軸承座與右側(cè)偏心軸連接;左側(cè)偏心軸和右側(cè)偏心軸相互獨立傳動，可以通過主電機的同步控制，實現(xiàn)兩側(cè)偏心軸的異步動作或同步動作。

本次優(yōu)化設(shè)計，通過獨立的傳動機構(gòu)擺脫了以往的機械同步，可通過電氣調(diào)整更容易實現(xiàn)真正意義上的“純滾動”剪切效果，通過調(diào)整剪切過程中兩偏心軸相位差的變化，使上下剪刃的重疊量在整個剪切全過程中基本保持恒定，更有利于鋼板的剪切以及保證鋼板的剪切質(zhì)量。

2、雙軸差速傳動滾切軌跡優(yōu)化

首先，對不同類型滾切式定尺剪的剪切原理、運動參數(shù)、力能參數(shù)進行了分析研究;通過三維建模，校核了各運動部件的相對運動規(guī)律，并通過數(shù)值法、解析法和有限元分析，對滾切式剪切機構(gòu)的六連桿三級機構(gòu)的位移、速度、加速度、剪切力和剪切力矩進行詳細(xì)的分析計算。

2.1 剪切力與剪切功的分析計算：

由于剪切過程中所產(chǎn)生的變形抗力與滾切剪上剪刃切入鋼板下的陰影面積、被剪切鋼板的冷態(tài)屈服強度成正比;因此，在上剪刃的剪切角不變的條件下，被剪切鋼板的最大厚度的平方與鋼板冷態(tài)屈服強度成反比關(guān)系。

在滾切式剪切機剪切功相同條件下，被剪切鋼板的冷態(tài)屈服強度越高，剪切機能剪切的鋼板厚度就越小;而鋼板剪切時的冷態(tài)屈服強度越低，剪切機允許剪切的鋼板厚度就越大。

2.2 雙軸雙偏心滾切軌跡優(yōu)化：

通過系統(tǒng)研究3500、3800、4300、5000系列機型六連桿系運動軌跡，優(yōu)化各桿布置、桿長、剪刃重疊量、運動受力拐點，優(yōu)化桿系結(jié)構(gòu)及滾切軌跡。滾切式定尺剪剪切機構(gòu)尺寸是否合理的一個重要參數(shù)是上下剪刃的重疊量，如果重疊量變化較大，在剪切矩及摩擦力矩共同作用下將導(dǎo)致鋼板斷面發(fā)生彎曲變形，使得成品鋼板的剪切質(zhì)量大大降低[2]。

不同系列定尺剪的滾切運動機構(gòu)具有不同的結(jié)構(gòu)尺寸，通過運動軌跡詳細(xì)計算，將剪切過程優(yōu)化后的結(jié)果提供給電氣系統(tǒng)用于剪切過程控制，最大程度減小單次剪切周期，優(yōu)化電機過載倍數(shù)。達到了節(jié)能、環(huán)保效果，剪切周期縮小，大大優(yōu)化了整個剪切過程。

優(yōu)化結(jié)果：

由以上計算得出，剪機在極限規(guī)格鋼板剪切過程中，電機啟動1.23s（偏心軸轉(zhuǎn)角90.7°）時接觸鋼板;至2.03s時（偏心軸轉(zhuǎn)角205.9°）鋼板完全切斷;到2.46s時（偏心軸轉(zhuǎn)角267.8°）剪刃完全脫離鋼板。

因此，實際純剪切鋼板時間段為1.23～2.46s，時長為1.23s。電機在加速段時間可以控制在1.23s以內(nèi)，而電機減速時間可以在2.46s以后至3.7s之間。據(jù)此數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確合理的對剪切模式進行優(yōu)化設(shè)置，根據(jù)現(xiàn)場需要來進行剪切時間的優(yōu)化，對于控制電機驅(qū)動有很大幫助。

純剪切過程發(fā)生在偏心軸轉(zhuǎn)角267.8°-90.7°=177.1°范圍內(nèi)。

電機在偏心軸轉(zhuǎn)動到267.8°時，電氣就可以提前減速，輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩。這樣就可以減小電機的過載倍數(shù)，以達到節(jié)能減排的效果。根據(jù)模擬優(yōu)化結(jié)果，節(jié)能達到11.2%。

同時，優(yōu)化后的剪切效果，沿剪切的全長重疊量很小，避免了斜刃剪剪切鋼板斷面壓彎的缺陷，剪切鋼板的質(zhì)量好、剪切精度更高，產(chǎn)能更大。

3、高精度定尺機構(gòu)

定尺裝置是應(yīng)用于軋鋼廠對中厚板長度進行定位剪切的定尺設(shè)備，其定尺精度是影響成材率、廢鋼率的關(guān)鍵因素。隨著精細(xì)化生產(chǎn)和對控制成本的要求不斷提高，各大鋼廠對提高定尺精度和成材率的要求越來越高。因此，高性能、高精度定尺設(shè)備具有降低投資成本，提高成材率，廢鋼率等實用性意義。機械式定尺機是現(xiàn)代寬厚板剪切線上與滾切式定尺剪配套使用的，用于鋼板長度精確定尺的設(shè)備。定尺機布置在定尺剪輸出輥道上方，位于在定尺剪的擺動輥道之后。

3.1定尺機齒側(cè)隙自補償機構(gòu)

機械定尺機由軌道架、定尺小車、傳動系統(tǒng)、擋板升降裝置、預(yù)緊裝置五部分組成，通過車體兩側(cè)的行走齒輪與軌道架兩側(cè)的齒條嚙合傳動而使車體帶動擋板裝置移動。安裝齒條時，通過專用工具測量，實現(xiàn)兩排齒條對稱布置;通過扭轉(zhuǎn)預(yù)緊方式，消除定尺機雙側(cè)行走齒輪與齒條雙向間隙，保證齒輪齒條長期精確嚙合，并自動補償齒間磨損間隙，保證精確定位，并長期免維護;通過車體絕對值傳感器下方同步旋轉(zhuǎn)的精密齒輪與軌道架外側(cè)精密齒條嚙合傳動，精確記錄擋頭的位置，即通過精密測長齒輪、齒條和絕對值編碼器的定位，精確測量鋼板長度，配合定尺剪實現(xiàn)準(zhǔn)確剪切定尺鋼板的功能[3]。

3.2定尺機功能描述

主電機驅(qū)動定尺小車在軌道上移動，車體外編碼器檢測小車移動的位移，編碼器發(fā)信號，電機停止轉(zhuǎn)動，小車停止移動時擋板距離下剪刃的距離即為鋼板的定尺長度。定尺小車移動的前、后極限位置有接近開關(guān)檢測，擋板提升及下降的極限位置均由接近開關(guān)檢測。

定尺小車接近停車位置時，需提前將傳動電機減速，移動速度降為0.115m/s。鋼板接近定尺機的升降擋板時，需提前將輸送輥道的電機減速，輥面速度降為0.1m/s。

該機械式定尺機能具有快速送板功能，實現(xiàn)快速定位的同時減少對設(shè)備的沖擊;定尺控制精度高，實現(xiàn)精確送料，保證剪切精度，提高生產(chǎn)效率。

3.3 高精度自動控制機械定尺機

若采用測長輥、夾送輥、輥道跟蹤等冗余方式粗定位提前減速控制，精度為0～+30～+50mm，不穩(wěn)定。而高精度機械定尺機精確控制，配合交互動態(tài)排尺控制程序，實現(xiàn)全自動精確定尺，目標(biāo)精度0～+5mm（實施精度高達0～+2mm）。

4、優(yōu)化后特點

通過高精度的機械式定尺機精確定位，利用雙軸傳動的雙偏心軸的傳動相位差，帶動上剪股在平面空間做模擬滾動，與固定的下剪股形成滾動剪切動作，完成定尺剪切目的。我們將此原理應(yīng)用到設(shè)備上，對已有設(shè)備的設(shè)計缺陷和現(xiàn)場反應(yīng)比較強烈的問題統(tǒng)一改進，推陳出新。

優(yōu)化后，將高效剪切與高精度定尺融合交互式動態(tài)采樣、自動工藝排尺控制進行一體化控制編程。具有剪切質(zhì)量好、剪切次數(shù)高、剪切力矩小、剪切能力強、定尺精度高、定尺范圍廣、自動程度高、產(chǎn)品可靠性高等優(yōu)點，其主要特點有：

1）優(yōu)化滾切運動軌跡，減少剪刃重疊量，提高剪切質(zhì)量;

2）優(yōu)化上剪刃圓弧半徑，剪切過程中剪刃重疊量4～7mm，上刀刃行程小，剪切力矩小;

3）被剪鋼板壓彎變形小，剪切鋼板板型好，切口斷面光潔平整，剪切質(zhì)量好;

4）采用啟動工作制，通過控制加速曲線，提高剪切效率;理論剪切次數(shù)高達24次/分;

5）上、下整體剪刃快速更換，換刀時間小于30分鐘;

6）自動調(diào)節(jié)剪刃水平間隙，精度高、速度快;

7）改進設(shè)備潤滑結(jié)構(gòu)，密封嚴(yán)密可靠，效果好，易損件更換周期長，維護方便;

8）機械定尺精度高、節(jié)能、抗沖擊，定尺精度不受環(huán)境影響和信號干擾，定尺行走機構(gòu)能自動校正磨損，運動平穩(wěn)、節(jié)奏快;

9）全部剪切和定尺過程均由PLC自動監(jiān)控，自動化程度高，操作簡單可靠;定尺精度高達0～+5mm;

10）機組設(shè)備易檢修維護，定尺精度高，故障率低、生產(chǎn)率高。

5、結(jié)語

本文通過仿真計算了定尺剪雙軸差速傳動滾切機構(gòu)運動，記錄了定尺剪處于剪刃開始切入鋼板狀態(tài)、剪刃切斷鋼板狀態(tài)、剪刃脫離鋼板三個關(guān)鍵運動狀態(tài)時對應(yīng)的偏心軸轉(zhuǎn)動角度和時間。由以上計算得出，剪機在極限規(guī)格鋼板剪切過程中實際純剪切鋼板的時間段以及時長。據(jù)此控制電機在加速段時間的運行時間，以及確定電機減速運行的時間段。最后，據(jù)此數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確合理的對剪切模式進行優(yōu)化設(shè)置，根據(jù)現(xiàn)場需要來進行剪切時間的優(yōu)化，進而精準(zhǔn)控制電機驅(qū)動，完成高質(zhì)高效剪切，達到節(jié)能減排的效果。

參考文獻：

[1]楊固川.《滾切剪在中厚板軋鋼廠的應(yīng)用》.軋鋼，1995（03）：46-50.

[2]郝建偉，馬曉明，胡典章，李光華.《雙軸雙偏心滾切剪運動軌跡求解及機構(gòu)優(yōu)化》.軋鋼，2011（04）第28卷 第2期：42-48.

[3]岳杰，馬曉明，張禮明.《新型機械式定尺機》.冶金設(shè)備，2012（08）第4期：18-21.