電解鋁軟帶剪切機的研發及應用

覃有群

（十一建設集團有限責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渡件。來料主要是成卷提供，需要將其剪切成圖紙設計的尺寸后加工成束，再與硬性母線焊接達到導電、變位要求。鋁軟帶的加工是一道關鍵的工序，其加工質量直接影響電解槽的安裝質量，繼而影響到電解鋁生產的能耗。剪切是鋁軟帶加工的重要環節，單臺電解槽需要剪切上萬片，目前普遍以人工下料進行剪切為主要手段，加工效率和加工精度較低。研制高精度高效率自動軟帶剪切設備不僅是工程進度的需要，也是施工企業提高工作效率和施工質量的一種手段。

1 設備參數及性能

1.1 功能介紹及技術參數

本自動軟帶剪切機控制系統是基于單片機的交流伺服電機位置控制系統。利用單片機控制系統來實現自動控制目的，根據軟帶剪切工藝流程編寫程序，下載至單片機內，單片機通過接收、發送指令對外部設備（伺服驅動系統）進行控制。

（1）基于單片機的送料控制器。該系統采用某公司數控滾輪送料控制系統，其送料控制器，具有高清液晶LCD藍屏顯示、16個按鍵人機交互，使用時通過按鍵直接操作，方便的人機交互界面；高精度高速度、抗強干擾能力、功能強大、穩定可靠等特點，可控制20路I/O數字量信號，及1路步進/伺服電機高速高精度運動，輸出高速脈沖頻率最高達400kHz，送料控制精度高達0．01mm。可設定滾輪送料過程涉及的多種參數，包括多個送料段數、每個送料段數的送料長度，產量計數系統，正在運行的狀態（運行、停止、手動等），自動送料速度、手動送料速度、送料輪大小、每轉脈沖等。具有無料檢測、送完輸出檢測、系統急停/暫停/啟動、產品數量計數清零、產量計數到達或無料停機時有報警輸出功能。

（2）交流伺服電機。交流伺服電機是本自動控制系統的執行元件，通過接收送料控制器發出的電信號(脈沖)轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出，繼而控制機械元件運轉的發動機。伺服主要靠脈沖來定位，接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移。因為伺服電機本身具備發出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，實現閉環控制。驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環，這樣就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，可以達到0．001mm。

（3）技術性能參數。①適用于δ=1～3mm，寬度=80mm～500mm等各種規格的鋁軟帶；②剪切能力：24000片/臺班；③剪切精度：±0．5mm；④電壓等級：AC380V、AC220V、DC24V；⑤工作環境：溫度-20～+65℃；⑥工作濕度：5%～95%無凝結。

1.2 主要性能

（1）采用此設備進行加工的軟帶，能夠滿足安裝工藝及設計要求。

（2）設備投用后，能使生產效率大幅度的增高，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）可實現自動、手動操作方式，操作方便，遙控手柄，遠方進行操作。

（4）剪切長度精確，設備運行穩定可靠。

（5）自動剪切，降低了勞動強度，同時也提高了安全系數。

3 工作原理及結構組成

3.1 工作原理

基于單片機控制伺服電機，利用單片機發送脈沖數控制伺服電機轉動，經過減速機及聯軸器連接送料輥筒，驅動輥筒旋轉拖動以達到送料目的。剪切機主要核心部分為送料控制系統以及伺服驅動系統。通過送料控制器上的人機界面進行軟帶長度、數量、送料速度等參數設置，控制系統將數據傳送給伺服電機驅動器，伺服電機驅動器就給伺服電機發送脈沖信號，伺服電機根據所接收的脈沖信號來確定轉動的圈數，然后帶動送料滾筒輸送軟帶的長度，軟帶輸送到所需的長度后，控制系統就會給剪切機一個信號，剪切機就會完成剪切的動作。當剪切完所設定的一組軟帶后，控制系統又給輸送電機一個信號，帶動輸送帶將剪切好的軟帶向前輸送，以便于下一道工序的開展。這個動作完成后控制系統又會重復上述工作。在鋁軟帶下垂的位置裝了兩個傳感器，當鋁軟帶接近傳感器S1時，轉盤電機開始工作，帶動軟帶卷轉動，將軟帶放出來，當鋁軟帶接近傳感器S2時，轉盤電機停止工作，保證送料滾筒所需的軟帶長度。工作流程圖如圖1所示。

圖1 工作流程圖

3.2 剪切機的結構組成

自動剪切機主要有放料系統、剪切系統、輸送系統三部分組成。

（1）放料系統。主要由調速電機帶動軟帶盤轉動進行自動放料，通過傳感器S1和S2控制放料的速度快慢。

（2）剪切系統。該系統是整個設備的核心部分，主要有矯直部件、送料滾筒、剪板機構成。

（3）輸送系統。由皮帶、輸送電機構成。

4 剪切機的設計與選型

4.1 剪板機選型

市場上有很多規格的剪板機，根據施工現場加工實際情況，考慮到加工產量和軟帶規格，根據產量要求，同時剪切多片軟帶時，可選擇長度比較長的剪切機，剪切厚度根據工藝上軟帶規格確定。本公司根據多年的現場施工經驗，選擇1．3×3規格的剪切機，其工作性能對現場的加工比較合適。

4.2 送料控制器選型

送料控制器是本設備的主要核心之一，其功能直接影響到產品加工的質量以及工作效率。選型時不僅考慮到產品工作性能，還要考慮到經濟問題。單片機又稱單片微控制器，把一個計算機系統集成到一個芯片上。一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、應用和開發非常便利，操作界面簡潔。根據施工現場使用環境的復雜性，單片機控制是目前最為經濟的選擇。本公司選用的控制器為某公司數控滾輪送料控制器，可根據需要對單片機進行開發編程，完成工作流程。

4.3 伺服電機選型

根據加工精度要求，步進電機與伺服電機相比較，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，實現位移。伺服電機本身具備發出脈沖的功能，每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，實現閉環控制。驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，運行平滑，控制性能可靠。伺服電機系統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，即在其額定轉速（一般為2000r/min或3000r/min）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上速度系響應：從靜止加速到其額定轉速3000r/min僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。伺服驅動系統工作可靠，定位準確，矩頻范圍大，能夠容易實現目標值。選擇伺服驅動電機還要考慮到期功率以及現場電壓等級，本設備依據輥筒的大小及運轉能力，選擇2．3kW、1000r/min、220V規格的伺服驅動系統。

4.4 儀表及控制元器件選型及設計布置

本設備主要儀表為接近開關以及中間繼電器、接觸器，選擇時考慮其穩定性以及抗干擾強的儀表。控制元器件主要是各類按鈕，選擇時保證質量過關，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 送料輥筒的設計

送料輥筒是自動剪切機傳遞軟帶的機械器件，是本設備最為關鍵的部件，其設計加工出的輥筒直接影響到軟帶的送料精度。根據鋁軟帶材質、加工工藝、施工現場情況確定輥筒材料、規格、尺寸。為了防止輥筒和鋁軟帶之間產生打滑現象，我們將兩個滾筒的其中一個外面包上一層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。一個主動輥與一個被動輥組成一組夾緊送料裝置，輥通過聯軸器以及減速機與伺服電機連接，由伺服電機驅動輥筒轉動，從動輥根據材料的厚度可以上下調整，使之與從動軸平行，而且預緊力可調整。輥筒前方位置安裝矯直輥，能夠使材料在運行中得到校平。輥筒的設計及加工圖如圖3、圖4所示。

圖3 從動橡膠輥筒

圖4 驅動輥筒

4.6 控制系統的設計

控制系統依據工藝流程進行程序編寫，然后下載至單片機控制器，控制系統程序框圖如圖5所示。

圖5 控制系統程序框圖

5 功能的實現

剪切機完成設計后，將電器、機械等各部件組裝成一體，通過反復進行試驗，該設備功能完全能滿足軟帶剪切加工工作需求，其產生的經濟效益非常可觀，以本公司某工程加工量為例子分析如下。

工作量：80臺電解槽；工人成本（綜合）為180元/天。

表1為傳統軟帶剪切設備和鋁軟帶自動剪切機工作效率的對比表如（單臺）。

由表1可以得出：

（1）傳統設備完成上述工作所需的費用：（83×7+49×7+116×7）×180=1736×180=312480 元≈ 31．2 萬元。

（2）鋁軟帶自動剪切機完成上述工作所需的費用：（24×4+17×3+39×4）×180=303×180=54540 元≈ 5．5 萬元；人工費節約：31．2-5．5=25．7 萬元。

（3）傳統鋁軟帶剪切機成本：10000元/臺；鋁軟帶自動剪切機成本：55000元/臺；設備投入增加：55000-10000=4．5 萬元。

（4）由此可計算出使用鋁軟帶自動剪切機比傳統軟帶剪切設備所節約的費用：25．7-4．5=21．2萬元。設備及剪切效果圖如圖6。

表1

圖6 設備及剪切效果圖

6 結語

該設備研制成功后，本公司批量生產了9臺鋁軟帶剪切機，分別在新疆、內蒙古、山東、云南、廣西等各大電解鋁項目投入使用。從現場使用情況看，此類設備運行穩定，安全可靠，工作效率高。該設備的投入使用，不僅高效的完成了施工計劃，極大的降低了施工中對勞動力的依賴，節約了施工成本，也改進了施工工藝，提高了本企業施工的自動化水平，實踐證明本設備是鋁軟帶加工的理想設備。