鋼格板制造排料系統研究

張永飛　楊大珊　賴堅仁　易斌　林旭肖

摘要：面對壓焊鋼格板越來越廣闊的市場前景，人工上料和排料顯然已不能滿足企業大量生產的要求，需要研發一種用于鋼格板制造自動追剪排料的系統。基于此，利用上位機—PLC—觸摸屏的硬件架構控制系統，開發了一套鋼格板數據自動識別、自動追剪和自動排料的控制系統，并且在車間進行試用。試用結果表明，扁鋼自動追剪排料控制系統替代人工上料，不僅降低了企業人力成本，而且提高了鋼格板的生產效率。

關鍵詞：鋼格板制造;自動追剪;自動排料;自動識別;自動下發

0 引言

鋼格板是一種由承載扁鋼與橫桿按照一定的間距正交組合，通過焊接或壓鎖加以固定的開敞板式鋼構件。鋼格板廣泛應用于石油、化工、冶金、輕工、造船、能源、市政等行業的工業建筑、公共設施、裝置框架、平臺、地板、走道、樓梯踏板、溝蓋、圍欄、吊頂等建造中。根據制作方法不同，可以將鋼格板分為壓焊鋼格板和壓鎖鋼格板。其中壓焊鋼格板是在承載扁鋼和橫桿的每個交點處通過壓力電阻焊固定的鋼格板，其橫桿通常采用扭絞方鋼，如圖1所示。

鋼格板的傳統生產方法包括統一調直裁剪、人工排料、自動壓焊、人工裁剪、后處理5個步驟，如圖2所示。首先由廠家訂購固定長度的直扁鋼，或者對卷扁鋼進行統一調直裁剪，然后由工人進行排料，接著由壓焊機進行壓焊，壓焊出來的產品只有一種規格，再根據訂單的需要對產品進行裁剪，最后進行熱浸鍍鋅等后處理。

傳統的人工排料方法，工人勞動強度大;生產出來的鋼格板規格是固定的，對于不同規格的訂單需求，必須進行后期人工裁剪，導致加工時間長，剪下來的邊角料會造成浪費。目前，國內關于壓焊設備的研究有很多，但幾乎沒有針對提高人工排料效率環節的改進研究，這主要是工廠年久、設備陳舊、場地限制、改造難等問題所致。為了進一步提高鋼格板的生產效率，鋼格板生產行業亟需一種可以實現鋼格板任務參數自動識別并下發、自動裁剪長度、自動排料的控制設備。

1 設計方案

針對鋼格板傳統生產方法的缺點，設計了一種新式生產方法，選擇卷扁鋼作為材料進行加工，生產過程分為開卷、調直、追剪、自動排料、推料、自動壓焊、后處理7個步驟，如圖3所示。與傳統方法相比，新方法最大的不同就是可以直接生產不同規格的鋼格板，不需要額外進行裁剪。

為了實現上面的生產流程，決定采用上位機—PLC—觸摸屏界面的形式，由上位機軟件自動識別U盤等存儲設備的文件數據，自動下發給PLC系統，聯網追剪、排料和壓焊3臺機器按照訂單的要求生產各種規格的鋼格板。由上位機、追剪調直機系統和扁鋼排料機控制系統組成的自動排料系統，可以實現卷鋼自動拉直截斷、自動排料功能。

2 任務單下發

利用上位機讀取U盤內存儲好的任務單文件，然后在合適的時候將任務單信息下發到追剪、排料和壓焊3臺機器上，可以實現參數從U盤到PLC的自動通信傳送，不需要操作工在這3臺機器上手動輸入參數，減少了生產時間，同時直接下發任務單可以避免參數誤輸入造成的經濟損失。

任務單的內容主要是不同規格鋼格板的具體參數，其格式為“生產序號—成品數量—扁鋼長度—扁鋼數量—留頭長度—絞鋼數量—送料位置”。自動上料機控制系統界面如圖4所示。

上位機識別的任務單文件各參數含義如下：

（1）生產序號，是將任務按照一定順序排列之后得到的，PLC完成當前任務之后會請求上位機按照序號下發下一條任務。

（2）成品數量，就是這一批次產品中相同規格鋼格板的生產數量。將同一規格的鋼格板合并進一個序號內，可以避免規格參數頻繁變化。生產現場經驗表明，對比參數經常變化的情況，生產同規格鋼格板的機器表現更穩定。

（3）扁鋼長度，就是根據產品長度計算得到的參數，決定了追剪調直機剪切的長度。

（4）扁鋼數量，就是根據產品寬度計算得到的參數，決定了追剪調直機剪切和排料機排料的次數。

（5）留頭長度，是鋼格板焊接的第一根絞鋼到鋼格板邊緣的距離，實際上就是排料機推料的距離。

（6）絞鋼數量，是根據產品長度及壓焊機壓焊間距計算得到的參數。由于壓焊機采用一次壓焊兩根絞鋼的加工形式，所以絞鋼數量總是偶數。在長度方向上，絞鋼數量、留頭長度、扁鋼長度和產品長度有這樣的關系式：

扁鋼長度L=留頭長度+（絞鋼數量-1）×

絞鋼間隔+末端長度

產品長度=扁鋼長度+包邊料寬度×2（2）

（7）送料位置，是機械手取第一根扁鋼放置的位置。由于需要加工不同寬度的鋼格板，扁鋼數量不一定是34根，為了保證壓焊時均勻受力，需要扁鋼盡量放在料盤中心位置，所以需要根據扁鋼數量計算出送料位置，計算公式如下：

送料位置=roundup[（34-扁鋼數量）/2]（3）

其中roundup是Excel中自帶的向上取整函數，這里計算出來的結果是放下第一根扁鋼的槽位，對應到機械手伺服電機的絕對坐標，計算還要用到第4節的公式（4）。

3 追剪調直機

追剪調直機負責的是生產流程的前3個步驟：開卷、調直和追剪。其中，開卷、調直就是負責將車間得到的卷鋼通過拉伸壓的方法調整成可用的直扁鋼。然后根據任務單要求剪切出長度合適的扁鋼。采用追剪的剪切方式的特點就是剪切的時候，切刀與送料機構同步運動，平穩剪切。由于追剪過程中送料機構不停機，追剪的生產效率比一般生產效率高。

追剪過程應用了臺達的伺服電機，該款電機自帶電子凸輪功能，使用的時候只要PLC下達嚙合指令，就能自動完成預設長度扁鋼的追剪動作，在同步區發回信號后，PLC控制液壓刀進行剪切。追剪速度曲線如圖5所示。

4 扁鋼排料機系統

扁鋼排料機是實現自動化上料不可或缺的一部分，主要排料流程如圖6所示。

扁鋼排料機的觸摸屏包括狀態顯示、必要的參數顯示以及手動控制按鈕，可以幫助操作工觀察機器工作狀態，確認鋼格板的參數和必要時對機器進行調整，如圖7所示。

鋼格板排料時的關鍵就是將料盤上的槽位和機械手伺服電機的絕對位置進行對應，所以設計了槽位手動示教程序，示教之后自動計算從原點到接貨位方向34個槽位對應的伺服電機絕對位置坐標。鋼格板排料各位置絕對位置坐標計算公式如下：

式中：x0和x33為手動示教時標定的第1格和第34格槽位的絕對位置坐標;xn為要求的第n+1格絕對位置坐標，n取0到33之間的整數。

由于西門子斷電保護存儲有限，實際上是將示教的絕對位置坐標存入PLC斷電保護區，每次上電時自動計算出34個位置對應的脈沖數，一臺機器只需要進行一次示教，操作工使用時即可直接調用示教結果，簡化了操作。

5 結語

本次設計的扁鋼自動追剪排料控制系統已經應用于車間現場，可以替代人工排料過程，不但極大地降低了工人的勞動強度，而且能直接生產不同規格的鋼格板，不需要后期人工裁剪，簡化了工藝流程，生產效率得到了明顯提高。這套系統不僅實現了鋼格板壓焊機自動化追剪排料，開發的上位機還能自動識別數據和下發任務單，后期可以拓展為整個車間總的生產控制中心，為實現車間信息化提供基礎。

[參考文獻]

[1] 顧純谷.電機及拖動基礎[M].2版.北京：機械工業出版社，1982.

[2] 李金城，付明忠.三菱FX系列PLC定位控制應用技術[M].北京：電子工業出版社，2014.

[3] 謝志萍.電機與設備電氣控制[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4] 楊琦.鋼格板制造執行系統的設計與開發[D].北京：北京工業大學，2016.

[5] 王長波，蘇東玉，李月.自動化系統在扁鋼生產線上的應用[J].中國科技投資，2014（5）：257.

收稿日期：2021-02-22

作者簡介：張永飛（1979—），男，浙江象山人，工程師，研究方向：電氣工程及自動化。