定尺裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王岳峰， 張江偉

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

在冶金、軋鋼、擠壓機(jī)械加工行業(yè)，定尺裝置被廣泛地應(yīng)用于型材、棒材及管材等不同形狀、不同規(guī)格的生產(chǎn)線，與定尺鋸、成品輸送輥道等相互配合，根據(jù)用戶要求可切割為指定長(zhǎng)度的成品料。定尺裝置是成品加工過程中非常重要的組成部分，它的優(yōu)劣直接影響到成品長(zhǎng)度的精度，因此近年來(lái)對(duì)定尺裝置的設(shè)計(jì)和研究也越來(lái)越多。經(jīng)過總結(jié)以往定尺裝置的類型和結(jié)構(gòu)形式，對(duì)常用幾種類型的定尺裝置進(jìn)行分類介紹，并對(duì)它們結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和闡述，針對(duì)定尺裝置在使用過程中出現(xiàn)的問題給出相應(yīng)的解決措施。

1 設(shè)備的組成及工藝要求

1.1 設(shè)備組成

定尺裝置大致包括驅(qū)動(dòng)裝置、行走機(jī)架、移動(dòng)擋板及鎖緊裝置等結(jié)構(gòu)［1］。不同類型的定尺裝置因工藝過程及用戶要求的產(chǎn)品類型不同，自身的結(jié)構(gòu)也存在著變化。

定尺裝置在工作過程中，通過移動(dòng)定尺擋板擋住將要切割的待加工坯料，根據(jù)用戶所需的成品料長(zhǎng)度進(jìn)行切割加工，對(duì)成品料集中收集管理，另外對(duì)切割掉的料頭進(jìn)行回收處理。

1.2 工藝流程

以擋板升降的定尺裝置為代表，典型的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 定尺流程圖

需要注意的是，在鋸切整長(zhǎng)的坯料前，需要將料頭鋸切并移除到指定的收集裝置，然后再對(duì)坯料進(jìn)行定尺鋸切。

2 常見定尺裝置的類別

按照切割加工的成品斷面形狀可分為型材［2－4］、管材［5］、棒材及板材［6－7］等定尺裝置。本文著重就型材和管材的定尺進(jìn)行介紹。

2.1 型材定尺裝置

2.1.1 雞啄米式定尺裝置

該類型的型材定尺裝置因工藝動(dòng)作類似雞啄米的動(dòng)作而得名，具體工藝過程為：

1）定尺。定尺裝置移動(dòng)至指定的定尺長(zhǎng)度時(shí)，移動(dòng)擋板的汽缸無(wú)桿腔進(jìn)氣，通過連桿結(jié)構(gòu)，活塞桿帶動(dòng)擋板放下，料頭頂在定尺裝置的定尺擋板上。定尺鋸?fù)瓿蓪?duì)料的切割，之后汽缸有桿腔進(jìn)氣，定尺擋板收回，運(yùn)輸輥道轉(zhuǎn)動(dòng)，將切割后的成品料向后運(yùn)輸。

2）更改定尺長(zhǎng)度。首先松開鎖緊裝置，再啟動(dòng)電機(jī)，通過螺旋傳動(dòng)裝置，將定尺擋板移動(dòng)至所要求的工位長(zhǎng)度，可滿足對(duì)不同要求長(zhǎng)度料的加工要求。

該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、自身空間小、成本較低及維修方便的優(yōu)點(diǎn)。但也存在工作過程中擋板的受力不穩(wěn)定，由于在定尺擋板接觸型材瞬間存在撞擊，定尺擋板受到?jīng)_擊力矩過大，在經(jīng)過一段時(shí)間的工作，定尺擋板易引變形彎曲，從而影響到定尺裝置的定尺精度。

2.1.2 螺旋傳動(dòng)定尺裝置

帶導(dǎo)向桿的螺旋傳動(dòng)定尺裝置工藝過程同樣為氣缸帶動(dòng)定尺擋板擋住及放行型材，整體定尺裝置的平移通過螺旋傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為平移運(yùn)動(dòng)，來(lái)滿足對(duì)不同定尺的要求。螺旋傳動(dòng)定尺裝置優(yōu)點(diǎn)為由于在平移過程中有兩根平行導(dǎo)向桿，螺桿不承受型材沖擊所帶來(lái)的彎曲應(yīng)力。與雞啄米式定尺裝置相比較，該結(jié)構(gòu)在受力方面要更合理。不足之處是只在支撐輥道一側(cè)有連接桿，在工作過程中擋板一側(cè)受力，擋板會(huì)因型材的長(zhǎng)期碰撞而出現(xiàn)框架彎曲變形，與連接桿不垂直的現(xiàn)象，因此導(dǎo)致連接桿的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載增大，嚴(yán)重變形時(shí)甚至?xí)锌ㄋ垃F(xiàn)象發(fā)生，使得定尺精度無(wú)法保證。并且在該裝置中，沒有設(shè)計(jì)擋板緩沖裝置，使得設(shè)備在經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后出現(xiàn)裝置易損壞的現(xiàn)狀，從而增大維修工作量。

2.1.3 框架式型材定尺裝置

近年來(lái)研制的新型框架式定尺裝置，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

工藝過程為：電動(dòng)機(jī)通過減速器帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，之后再通過絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)裝有螺母的移動(dòng)框架移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)定尺，在移動(dòng)框架上安裝有擋板，擋板和定尺鋸之間的距離就是定尺長(zhǎng)度。擋板的提升降落依靠氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。氣缸倒裝在移動(dòng)框架上，當(dāng)有桿腔進(jìn)氣，擋板上升；當(dāng)無(wú)桿腔進(jìn)氣，擋板下降。

該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：通過上下共四根導(dǎo)向桿把左右兩個(gè)框架組成三維框架，該框架具有很強(qiáng)剛度，其中導(dǎo)向桿兩側(cè)有鎖緊螺母固定導(dǎo)向桿。型材沖擊擋板所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力主要由框架承受，另外移動(dòng)框架上安裝有緩沖裝置，能夠緩解絲桿所承受的軸向負(fù)荷，受力狀態(tài)較好。

圖2 框架定尺裝置示意圖

在緩沖裝置上的選型上優(yōu)先選擇板簧緩沖，因?yàn)榘寤山Y(jié)構(gòu)緊湊，因此對(duì)于移動(dòng)框架的厚度也相應(yīng)減小，使得整個(gè)定尺裝置更緊湊，運(yùn)動(dòng)過程中更快速、準(zhǔn)確。在使用的過程中，也曾試過使用蝶形彈簧、圓柱形彈簧或塔形彈簧，但是它們使得移動(dòng)框架在不同程度上加厚增大安裝難度及增大氣缸等動(dòng)力源，因此逐漸被板簧所取代。

但是在移動(dòng)框架的運(yùn)行方面來(lái)說(shuō)，絲桿的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性不及直線導(dǎo)軌副。因?yàn)樵趯?shí)際的工作過程中，直線導(dǎo)軌有著承載能力強(qiáng)、磨損小、精度好、運(yùn)動(dòng)靈活、安裝維修潤(rùn)滑方便等優(yōu)點(diǎn)，已被歐美國(guó)家數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)向裝置廣泛應(yīng)用。

2.2 管材定尺裝置

該定尺裝置包括固定架、定尺小車、線性導(dǎo)軌滑塊等裝置。線性導(dǎo)軌通過螺釘連接在固定架上，而定尺小車連接在線性導(dǎo)軌的滑塊上，通過安裝在定尺小車上的伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條實(shí)現(xiàn)定尺小車在固定機(jī)架上往復(fù)移動(dòng)，如下頁(yè)圖3－1所示。在定尺鋸切過程中，通過液壓夾緊裝置將定尺小車夾緊在機(jī)架的指定位置上，確保小車在承受管坯沖擊時(shí)位置不發(fā)生變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定尺小車的定位。在實(shí)際工藝過程中，通過支架上油缸伸出桿長(zhǎng)度的變化和位置傳感器的檢測(cè)控制，能夠完成對(duì)成品料的過料、吸料頭和擋料的三個(gè)工位的動(dòng)作，如下頁(yè)圖3－2所示。在吸料工位，通過電磁鐵讓吸料頭產(chǎn)生吸力，再通過油缸帶動(dòng)連桿動(dòng)作，將廢料頭吸到傾翻輥道上移除。

圖3 定尺裝置示意圖

在定尺過程工藝中，依據(jù)成型管坯料長(zhǎng)度實(shí)際測(cè)量數(shù)量，根據(jù)該數(shù)據(jù)確定定尺小車的精確定尺位置。

該結(jié)構(gòu)在鋸切、去除料頭及擋料等多工位有著自身的結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小的優(yōu)點(diǎn)。但由于輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)的局限，該結(jié)構(gòu)的定尺裝置僅適合于單根管材定尺，若設(shè)計(jì)為圓柱形輥?zhàn)?，增大擋料擋板尺寸及吸料頭尺寸，性能會(huì)更加完善。

3 定尺精度控制分析

定尺裝置的定尺控制集機(jī)械、液壓、電氣及計(jì)算機(jī)編程為一體，因此每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)定尺精度的控制都非常重要。根據(jù)以往的實(shí)際工程數(shù)據(jù)，影響定尺精度的方面主要是定尺鋸、定尺裝置和測(cè)長(zhǎng)輥等多種相關(guān)因素的綜合影響［8］。比如寶鋼某定尺裝置的剪切長(zhǎng)度精度為0.3%，其中剪切長(zhǎng)度偏短的次數(shù)占總數(shù)的26%。

3.1 存在定尺不準(zhǔn)的因素

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)總結(jié)得出，容易出現(xiàn)造成定尺精度降低的機(jī)械現(xiàn)象可能存在的方面有：

1）成品料與定尺擋板撞擊后，兩者之間容易產(chǎn)生微小間隙造成定尺長(zhǎng)度偏短。

2）在鋸切前成品料存在回縮現(xiàn)象，使得料頭不能靠近定尺擋板。

3）成品料還沒有完全接觸擋板而鋸切，造成定尺長(zhǎng)度偏短。

4）在工藝要求的定尺長(zhǎng)度位置，定尺裝置擋板定位不準(zhǔn)。

5）在初始測(cè)長(zhǎng)時(shí)，由于測(cè)長(zhǎng)輥磨損、輥?zhàn)颖砻嬲成涎趸铮ɑ蚱渌镔|(zhì)）等原因造成測(cè)長(zhǎng)輥輕微上下彈跳或是外徑增大微變形而定尺不精確。

6）定尺裝置附近相關(guān)設(shè)備在工作過程中存在影響測(cè)定尺長(zhǎng)度等相關(guān)因素，比如某定尺鋸附近有光柵存在，在鋸切5～6m長(zhǎng)的成品料時(shí)會(huì)造成定尺不準(zhǔn)。

7）造成影響定尺精度降低的相關(guān)電氣編譯程序［9］。

3.2 解決措施

為解決以上在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在的問題，相應(yīng)的提出了對(duì)應(yīng)改進(jìn)措施。比如對(duì)于成品料回縮、不能靠緊擋板問題，采用了定尺裝置與測(cè)長(zhǎng)輥聯(lián)合的使用方式。具體為先將定尺擋板精確定位，在測(cè)長(zhǎng)輥道檢測(cè)到成品料即將到達(dá)擋板時(shí)候，輥道采用非常低的速度送料，盡量減小料頭對(duì)擋板的剛性沖擊和反彈，在料頭已經(jīng)解除擋板后，仍是輥道已極低速度運(yùn)行數(shù)秒后再發(fā)出剪切指令，以確保鋸切精度。雖然這樣能夠提高定尺精度，但是在鋸切效率方面卻有所降低。

另外一方面就是優(yōu)化電氣控制程序，縮短定尺和鋸切的空閑時(shí)間，比如修正成品料在解除擋板前的速度和在鋸切連鎖條件中的輥道停止條件等因素，增加在定尺精度方面的校對(duì)程序，滿足工藝要求。

4 結(jié)語(yǔ)

定尺裝置在定尺鋸切過程中起著重要作用，通過分析不同類型的定尺裝置的組成結(jié)構(gòu)及工藝過程，研究適合不同規(guī)格成品料的定尺裝置，為以后定尺裝置的設(shè)計(jì)和使用實(shí)踐起到參考作用。

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