激光測長在切頭剪的應用及影響

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厚板產線于2005年投產,是國內第一家寬厚板產線,電氣設備及控制是由西門子設計和調試,一期設計產能150萬t。

切頭剪是剪切線的第一道工序,采用滾切式設計,弧形上刀刃沿著直線型下刀刃滾動實現剪切,設置在UST的下游,主要負責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,而且經常發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。因此必須定期進行標定,以保證鋼板的剪切精度。

測長輥目前的精度標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據寫入程序進行標定[1]。由于是人工測量的外徑數據,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定都要反復進行多次,耗時較長,影響剪切線的正常生產節奏,而且每次標定的過程中都會導致成品鋼板的長尺與短尺現象,造成成品鋼板的降級或報廢。

鋼板經過切頭剪后,切除頭部的“舌形”部分,并視板形情況進行分段處理,當鋼板出現“鐮刀彎”時可用此剪機在適當位置進行分段,以減少鋼板的切邊量,為后續的邊部剪切做好準備。適當的粗切也可以減輕定尺剪的工作負荷,如圖1所示。合理安排切頭剪的剪切計劃,直接關系到雙邊剪和定尺剪的剪切計劃,若切頭長度大于設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 系統結構規劃

在鋼板測量和定位方面,國內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,嚴重影響了產品的剪切精度,制約了產品的成材率。

為此,2014年年底,厚板部利用年修期間對切頭剪系統進行了優化改造,在切頭剪前設置1套高清工業相機檢測裝置,在鋼板運行過程中對鋼板的頭部輪廓進行識別,通過對比度的比較及相關算法,自動或手動確定出鋼板的最佳切頭距離,并可實現數據的接收和發送;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],對長度和速度進行精確測量,是一種非接觸式測量技術,如圖2所示。激光測長儀利用激光發射裝置產生兩束干涉光束,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,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,同時又不影響生產節奏。

4 控制關鍵技術

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,從上到下進行工作,從激光測長儀測量出的信號經過內部處理和整合后得出鋼板長度值,通過新建立的通訊接口,發送給切頭剪控制系統中。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,形成位置閉環控制,以提供鋼板長度方向上的準確定位。

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設定位置的準確性。從定位來講,控制系統以切頭剪下剪刃刃口為零點,入口是負值,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來進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的,輥道是由數目一定的電動機來形成組數,然后統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根據位置控制的要求來決定的。當建立了位置跟蹤后,定位控制及精度就由功能集成塊來實現[8],見圖4。

當鋼板定位完成,接收到“完成”脈沖信號后,生成一個350 mm的脈沖命令,進行選擇判斷,給相應的輥道一個反向低速,進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域,此時的測量和定位工作已經完成。當剪切鋼板發生時,擺動輥道下降和抬升動作都會使鋼板發生上下的位置變化,雖然鋼板整體定位位置并沒有發生位移,但是此時激光器測量的數據由于這種干擾發生了變化,而信息上傳實績是根據當時激光測長的數據為依據,導致剪切完成后實績上傳數據發生了較大的偏差。解決方法是當鋼板定位完成,還沒有剪切之前就發送實績[10],不要等待剪切完成后再發送實績,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

該系統自2014年12月投入至今,系統功能完善,性能穩定可靠,完全能滿足工藝要求,人機界面友好,便于操作維護和控制。原有測長輥模式繼續保留,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,左側紅框內為激光測長儀投入畫面,當“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,測長輥測量數據在畫面中部紅框內顯示。這種二選一模式可以減少由于測量異常導致的停機時間,切換到另一個正常模式繼續生產,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,其長度值不穩定,不利于精確控制鋼板的分段。

表1 測量數據比較Table 1 Comparison of measured data mm

6 結論

厚板部切頭剪機組在使用激光測長儀器進行鋼板長度測量過程中,不斷完善各種參數配置、優化程序等,使激光測長方式在實際生產中得到很好的應用。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。在鋼板定位系統方面,對輥道控制的優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,便于實現生產線的自動控制功能,提高了生產效率和鋼板成材率,具有較大的經濟價值和推廣價值,只是激光測長儀維護要求高,且費用昂貴,備件和修復費用較高。