全自動鋼筋切割加工生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)＊

于志宏

（衡水職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 衡水053000）

在橡膠止水條收卷機(jī)的硬件機(jī)構(gòu)研制過程中，涉及到鋼筋支撐架的研制，且在鋼筋加工過程中，產(chǎn)生以下待解決的問題。

在鋼筋切割加工過程中，通常需要使用機(jī)械對鋼筋進(jìn)行切割，得到不同長度的鋼筋。由于工藝特征和實(shí)際現(xiàn)場環(huán)境的特殊性，鋼筋定尺過程較為煩瑣，尤其在切割多根鋼筋時(shí)，將鋼筋整捆切割的過程控制不穩(wěn)定，造成鋼筋切割尺寸精度較差，切割的效果不理想，給生產(chǎn)企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。目前，由于國內(nèi)企業(yè)鋼筋切割加工生產(chǎn)線的自動化程度較低，設(shè)備操作基本依靠人工控制切割過程、人工檢測鋼筋長度。這種生產(chǎn)線控制方式的缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)費(fèi)力、廢品率高、生產(chǎn)效率低，倘若工人操作失誤，容易劃傷產(chǎn)品導(dǎo)致尺寸不達(dá)標(biāo)，影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種可以固定尺寸切割整捆鋼筋的全自動化生產(chǎn)線，具有操作簡單、可調(diào)節(jié)使用的優(yōu)點(diǎn)，可以對整捆鋼筋進(jìn)行切割，降低了工人的勞動強(qiáng)度，進(jìn)而能夠提高鋼筋生產(chǎn)加工效率。

1 總體設(shè)計(jì)方案

全自動鋼筋切割加工生產(chǎn)線包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)主要包括底座、切割架和活動架等主要結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)主要包括切割調(diào)速控制系統(tǒng)、切割位置控制系統(tǒng)、跟蹤定位控制系統(tǒng)3 個(gè)部分。

控制系統(tǒng)核心部分是由西門子S7-400 可編程控制器、西門子MM440 變頻器、WinCC 組態(tài)軟件包等組成的全數(shù)字化系統(tǒng)。為了滿足調(diào)速的需要，設(shè)計(jì)了電機(jī)傳動調(diào)速系統(tǒng)控制運(yùn)送鋼筋，并通過電機(jī)控制切割盤快速運(yùn)轉(zhuǎn)，并對鋼筋進(jìn)行切割，由PLC 控制升降液壓缸夾緊固定多根鋼筋，實(shí)現(xiàn)對整捆鋼筋的定尺切割。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全自動鋼筋切割加工生產(chǎn)線的硬件主要結(jié)構(gòu)包括底座、切割架和活動架等，結(jié)構(gòu)剖視示意圖如圖1 所示，局部放大圖如圖2 所示，結(jié)構(gòu)左視剖面圖如圖3所示，底座局部結(jié)構(gòu)立體示意圖如圖4 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)剖視示意圖

圖2 圖1 中A 處的局部放大圖

圖3 結(jié)構(gòu)左視剖面圖

圖4 底座局部結(jié)構(gòu)立體示意圖

2.1 底座

底座的頂部栓接有支撐板，支撐板位于軌道之間，且支撐板均勻排列，支撐板的頂部開設(shè)有托料槽，托料槽呈圓弧狀，且托料槽的內(nèi)部粘接有橡膠墊。支撐板的左側(cè)栓接有固定板，固定板為三角形斜板，且固定板呈對稱分布。通過設(shè)置支撐板和托料槽，可以起到支撐鋼筋的作用，為鋼筋的加工提供了便利。設(shè)置固定板可增加支撐板的穩(wěn)定性，防止支撐板傾倒影響鋼筋加工效率。

2.2 切割架

切割架和活動架位于底座的頂部，且切割架位于活動架之間，切割架頂部的中心處栓接有升降液壓缸，且升降液壓缸的活塞桿貫穿至切割架的底部，升降液壓缸的底部栓接有切割結(jié)構(gòu)。

切割結(jié)構(gòu)包括固定框、電機(jī)和切割盤，固定框與升降液壓缸之間栓接，電機(jī)固定安裝于固定框的內(nèi)腔，切割盤與電機(jī)的輸出軸之間栓接。通過設(shè)置固定框、電機(jī)和切割盤，可以對鋼筋進(jìn)行快速切割，進(jìn)而提高鋼筋加工成型的生產(chǎn)效率。

2.3 活動架

活動架頂部的中心處栓接有第一夾緊液壓缸，且第一夾緊液壓缸貫穿至活動架的底部，第一夾緊液壓缸的底部栓接有定位座，活動架的前后兩側(cè)均栓接有第二夾緊液壓缸，第二夾緊液壓缸相向的一端均栓接有限位座，底座頂部的前后兩側(cè)均栓接有軌道，切割架和活動架的底部均栓接有滑動板，滑動板位于軌道的頂部并與軌道之間滑動連接。滑動板的底部栓接有滾輪，軌道的內(nèi)部開設(shè)有導(dǎo)向槽，滾輪位于導(dǎo)向槽的內(nèi)部并與導(dǎo)向槽的內(nèi)壁滾動連接，軌道的表面貫穿設(shè)置有緊固螺栓，緊固螺栓與底座之間采用螺紋連接。通過設(shè)置滾輪、導(dǎo)向槽和緊固螺栓，便于調(diào)節(jié)切割架和活動架的位置，進(jìn)而能夠提高鋼筋的加工精度。定位座和限位座的內(nèi)壁均為圓弧狀，且限位座呈對稱分布，定位座和限位座的表面均粘接有夾緊橡膠板。通過設(shè)置夾緊橡膠板，可以加強(qiáng)鋼筋的夾緊效果，防止鋼筋在切割時(shí)出現(xiàn)偏移。

該生產(chǎn)線設(shè)置了升降液壓缸、切割結(jié)構(gòu)、第一夾緊液壓缸、定位座、第二夾緊液壓缸、限位座和軌道，具有操作簡單、便于調(diào)節(jié)使用的特點(diǎn)，可以對整捆鋼筋進(jìn)行切割。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括切割調(diào)速控制系統(tǒng)、切割位置控制系統(tǒng)和跟蹤定位控制系統(tǒng)。

3.1 切割調(diào)速控制系統(tǒng)

切割盤由1 臺315 kW 的直流電機(jī)驅(qū)動，直流電機(jī)由西門子MM440 變頻器控制，在切割周期內(nèi)，切割盤由電動機(jī)控制其前后運(yùn)動。在切割過程中，切割盤因不斷切割會使其有一定程度的磨損，其直徑會逐漸變小，因此，要定期更換切割盤。如果更換新的切割盤，操作人員必須根據(jù)切割盤直徑參數(shù)重新設(shè)置負(fù)責(zé)控制切割的電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度及切割盤的線速度[1]。

在每個(gè)切割周期結(jié)束后，全自動鋼筋切割加工生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的傳感器會自動檢測切割盤的磨損程度，即切割盤的實(shí)際直徑。若切割盤直徑值發(fā)生變化，則由控制系統(tǒng)自動修改負(fù)責(zé)切割的電機(jī)速度值，以使切割盤線速度保持恒定值。

在鋼筋切割過程中，由變頻器控制電機(jī)傳動系統(tǒng)使切割架和活動架沿軌道運(yùn)動，為了保證切割質(zhì)量和切割效率，要求切割盤旋轉(zhuǎn)的線速度恒定。因受切割過程產(chǎn)生的溫度以及鋼筋切割面的形狀等多種因素的影響，造成生產(chǎn)線輸出負(fù)載變化較大，影響了切割盤運(yùn)行速度的穩(wěn)定性，從而對控制系統(tǒng)的調(diào)速功能提出了高標(biāo)準(zhǔn)要求，因而設(shè)計(jì)了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流高速系統(tǒng)。因?yàn)殚_環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只能用于對調(diào)速精度要求不高的場合，要想實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)、高精度的調(diào)速控制，必須使用閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。

因受電動機(jī)最大額定電流的限制，需將電動機(jī)的最大允許過載發(fā)揮出最大價(jià)值，使控制切割盤的電動機(jī)拖動系統(tǒng)盡量實(shí)現(xiàn)加速度運(yùn)動，待電動機(jī)運(yùn)行速度穩(wěn)定后，再降低電動機(jī)的運(yùn)行電流，使轉(zhuǎn)矩與負(fù)載達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)控制系統(tǒng)將進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。為了使電動機(jī)在允許的條件下實(shí)現(xiàn)最快起動，要設(shè)定一個(gè)使電動機(jī)電流保持為最大恒定值的過程，解決這個(gè)問題的辦法是需對電流與轉(zhuǎn)速進(jìn)行獨(dú)立控制，即需要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)過程中，為了解決上述問題，在調(diào)速控制系統(tǒng)中設(shè)置2 個(gè)調(diào)整器，分別實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的負(fù)反饋及對電機(jī)電流的負(fù)反饋，分別用于調(diào)節(jié)電流值和轉(zhuǎn)速值。該調(diào)速系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速調(diào)整器的輸出信號作為電流調(diào)整器的輸入信號，再利用電流調(diào)整器的輸出信號作為晶閘管整流器觸發(fā)裝置的控制信號，這就形成了電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)原理如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

3.2 切割位置控制系統(tǒng)

切割盤的前后運(yùn)動通過電液比例閥控制液壓缸實(shí)現(xiàn)，位置通過一個(gè)線性位移裝置檢測。切割過程中的位置信號有鋼筋檢修位置、切割起點(diǎn)位置、切割等待位置、切割完成位置等。在每個(gè)切割周期中，切割盤需要頻繁切換至不同的位置，同時(shí)要求切割盤停止在某位置時(shí)要準(zhǔn)確平穩(wěn)。由于切割架的質(zhì)量較大，繼而產(chǎn)生的運(yùn)動慣性較大，這也為控制切割盤的精確位置造成一定難度。若切割盤在停止時(shí)不穩(wěn)定，就會造成切割盤本體震動過大，從而影響機(jī)械設(shè)備的壽命。

本系統(tǒng)由比例放大器、液壓缸、位移檢測傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成，由PLC 控制升降液壓缸緩慢下降，由液壓缸控制切割盤與鋼筋，接觸即可將鋼筋切斷。

控制系統(tǒng)利用位移傳感器檢測液壓缸的實(shí)際位置，并通過A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將該實(shí)際位置信號傳送給可編程控制器PLC，PLC 將該位置信號與給定的位置設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差值，轉(zhuǎn)換成電壓，再經(jīng)過比例放大環(huán)節(jié)將其轉(zhuǎn)換為電流信號，再驅(qū)動比例閥的開口程度與開口方向，從而實(shí)現(xiàn)對切割盤精確位置的控制。

3.3 跟蹤定位控制系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)鋼筋切割生產(chǎn)線自動化的重要環(huán)節(jié)是跟蹤及定位鋼筋物料。跟蹤鋼筋物料的目的是確定鋼筋所在的具體位置與狀態(tài)，然后依靠PLC 控制設(shè)備的運(yùn)行與停止。

雖然本系統(tǒng)由PLC 聯(lián)合變頻器控制電機(jī)使切割架和活動架沿軌道運(yùn)動，滾輪和導(dǎo)向槽能夠防止切割架和活動架的位置偏移，固定鋼筋切割尺寸，但是如果鋼筋定位控制設(shè)計(jì)不合理，會對切割架本體造成一定沖擊，損壞機(jī)械設(shè)備，同時(shí)若切割架因沖擊而產(chǎn)生移位，會造成鋼筋定尺不準(zhǔn)確。因此，快速準(zhǔn)確地定位切割鋼筋尺寸，可很大程度上提高生產(chǎn)效率以及設(shè)備安全性[2]。

如果鋼筋所處的實(shí)際位置與PLC 檢測的位置有誤差，系統(tǒng)會通過檢測元件對誤差進(jìn)行自動修正，從而滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。為了精確跟蹤定位鋼筋物料，負(fù)責(zé)檢測鋼筋物料位置的元器件的可靠性極為重要，由它來更新鋼筋物料的位置信號。在選擇檢測元件參數(shù)時(shí)，重點(diǎn)考慮其溫度參數(shù)、安裝位置要求及防護(hù)措施，最好具備檢測距離可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，以便于可用于狹小的空間，最大程度地避免位置誤差信號的產(chǎn)生。根據(jù)上述情況的要求，本控制系統(tǒng)選用SICK 公司生產(chǎn)的WT24 耐高溫光電管，它具有檢測距離可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，最遠(yuǎn)可調(diào)至2 m。

如果切割區(qū)域的環(huán)境比較復(fù)雜，不適宜安裝檢測元件，也可以通過設(shè)計(jì)軟檢測器，實(shí)現(xiàn)與檢測位置元件相同的功能，也即利用物理檢測元件代替實(shí)際檢測元件觸發(fā)系統(tǒng)開始工作，再利用生產(chǎn)線輥道的運(yùn)行速度或編碼器計(jì)算輸出檢測位置信號。該系統(tǒng)在每個(gè)支撐板上均布置一個(gè)檢測元件，用于檢測鋼筋。對每根鋼筋的跟蹤從每個(gè)支撐板上的檢測元件或者軟檢測元件觸發(fā)開始，直到所有檢測元件或軟檢測元件信號均復(fù)位清零，本次對鋼筋物料的跟蹤定位才算結(jié)束。支撐板上的每個(gè)檢測元件的位置均經(jīng)過嚴(yán)格測量標(biāo)注，用于精確標(biāo)記鋼筋的位置，同時(shí)用于軟檢測元件計(jì)算位置數(shù)據(jù)的校正。

由PLC 聯(lián)合變頻器對切割架和活動架進(jìn)行控制，通過安裝在切割架上的檢測元件對鋼筋進(jìn)行位置跟蹤，并及時(shí)將跟蹤信號反饋給PLC。為了對鋼筋物料實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤定位，首先對指定位置是否有鋼筋進(jìn)行初始化定義。只要鋼筋位于跟蹤區(qū)域內(nèi)，就可認(rèn)為跟蹤區(qū)域內(nèi)有鋼筋[3]。

4 實(shí)施過程

在使用該生產(chǎn)線時(shí)，首先將鋼筋放置在托料槽的內(nèi)部，支撐板可以對鋼筋進(jìn)行有效支撐，方便對鋼筋進(jìn)行切割，由PLC 與變頻器聯(lián)合控制電機(jī)使切割架和活動架沿軌道運(yùn)動，滾輪和導(dǎo)向槽能夠防止切割架和活動架的位置偏移，從而便于得到所需長度的鋼筋。當(dāng)鋼筋的數(shù)量較多，需要對成捆的鋼筋進(jìn)行切割時(shí)，控制第一夾緊液壓缸伸長，此時(shí)定位座向下移動與鋼筋接觸，進(jìn)而能夠通過夾緊橡膠板對鋼筋進(jìn)行夾緊固定，隨后啟動電機(jī)，電機(jī)由變頻器控制轉(zhuǎn)速，電機(jī)帶動切割盤快速運(yùn)轉(zhuǎn)，由PLC 控制升降液壓缸緩慢下降，切割盤與鋼筋接觸即可將鋼筋切斷，當(dāng)鋼筋的數(shù)量為幾根時(shí)，控制第二夾緊液壓缸伸長，此時(shí)限位座相向運(yùn)動，限位座可以將鋼筋夾緊固定在限位座之間，同理可以通過切割盤對鋼筋進(jìn)行切割，進(jìn)而提高鋼筋切割的加工效率。

綜上所述，本文對全自動鋼筋切割加工生產(chǎn)線的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)跟蹤定位、定尺切割鋼筋等功能，并且可以對多根鋼筋進(jìn)行切割，大幅減少了生產(chǎn)成本，同時(shí)降低了工人的勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了對鋼筋的高效切割。