楊家滿

寶武杰富意特殊鋼有限公司

摘要:指出特棒廠液壓剪原設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題及改進(jìn)方法。并介紹利用激光測(cè)速儀控制系統(tǒng)的非接觸式鋼坯自動(dòng)定尺剪切割系統(tǒng)組成、系統(tǒng)原理的成功應(yīng)用以及改造效果。

關(guān)鍵詞: 鋼坯；剪切系統(tǒng)；非接觸式；定尺精度

1  概述                                                           

大棒液壓剪是軋制生產(chǎn)線上用于軋件頭部剪切和定尺分?jǐn)嗟闹匾a(chǎn)設(shè)備,能否快速準(zhǔn)確地剪切是影響軋制生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、成材率等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)不可忽視的因素。本文以特棒廠液壓剪為實(shí)踐對(duì)象, 在剪切鋼坯的過(guò)程中造成定尺長(zhǎng)度波動(dòng)的原因進(jìn)行分析和研究，對(duì)液壓剪機(jī)的行走控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用了國(guó)內(nèi)先進(jìn)的非接觸式鋼坯自動(dòng)定尺剪切系統(tǒng),完善了設(shè)備性能，提高設(shè)備自動(dòng)化程度和經(jīng)濟(jì)效益。

2  剪切系統(tǒng)存在的問(wèn)題                                                                        

2.1棒材在軋制生產(chǎn)過(guò)程中,連鑄坯經(jīng)過(guò)開(kāi)坯機(jī)組開(kāi)坯軋制成方坯后,頭部常常出現(xiàn)舌頭形、魚尾形等現(xiàn)象缺陷,同時(shí)方坯在通過(guò)輥道運(yùn)輸進(jìn)入后序連軋機(jī)組過(guò)程中受到空氣和冷卻水的影響,坯料的頭部溫度往往都會(huì)偏低,所以根據(jù)工藝需求,連鑄坯在開(kāi)坯機(jī)軋制后要由設(shè)置在連軋機(jī)組前的液壓剪對(duì)其頭部進(jìn)行切除方能進(jìn)入連軋機(jī)組進(jìn)行軋制來(lái)保證成品的成材質(zhì)量和工序的穩(wěn)定性，但在液壓剪完成對(duì)坯料頭部剪切后,常常出現(xiàn)切頭坯料留在液壓剪的下刀座上,導(dǎo)致切后的鋼坯無(wú)法正常通過(guò)液壓剪進(jìn)入連軋機(jī)組,嚴(yán)重影響了軋制工序節(jié)奏。為此,生產(chǎn)企業(yè)只能配置專人采用人工方式利用鉤子將切頭鉤出刀座的方法，然后再讓鋼坯通過(guò)液壓剪進(jìn)入連軋工序。如圖1所示

圖1 液壓剪切頭后留下刀座上問(wèn)題圖

2.2根據(jù)生產(chǎn)工藝或客戶需求,連鑄坯經(jīng)過(guò)開(kāi)坯機(jī)組開(kāi)坯軋制成方鋼坯后,需要采用液壓剪機(jī)組進(jìn)行定尺分?jǐn)?但原液壓剪在定尺剪切系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用固定式升降擋板或移動(dòng)式定尺機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)剪切機(jī)組的定尺剪切功能。采用固式擋升降擋板只能定一種規(guī)格長(zhǎng)度,無(wú)法滿足生產(chǎn)需求,采用移動(dòng)式定尺機(jī)理論上可以定多種規(guī)格長(zhǎng)度,但由于在生產(chǎn)過(guò)程中因鋼坯和輸送輥道之間的出現(xiàn)上下跳動(dòng)的情況和鋼坯在輸送輥道上的速度無(wú)法相匹,造成鋼坯對(duì)定尺機(jī)沖擊相撞滑動(dòng)不可避免形成相對(duì)位移,這就造成測(cè)長(zhǎng)定尺的誤差較大,通常在分?jǐn)嗪笮枞藛T復(fù)查定尺長(zhǎng)度來(lái)重新設(shè)計(jì)輥道速度; 另外,當(dāng)鋼坯和輸送輥道上的速度控制不好時(shí),經(jīng)常撞壞定尺機(jī),導(dǎo)致定尺剪切機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法使用。這種采用人工進(jìn)行剔除坯料切頭和人工復(fù)查鋼坯定尺數(shù)據(jù)的工作方式一方面增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,存在安全生產(chǎn)的隱患,另一方面大大影響了生產(chǎn)節(jié)奏,直接影響整條產(chǎn)線的產(chǎn)能釋放。如圖2所示

                                                   
圖2 人工復(fù)查鋼坯定尺數(shù)據(jù)圖

3. 改進(jìn)措施

3．1 方案選擇

針對(duì)上述問(wèn)題,特棒廠利用年修時(shí)段確定以技術(shù)先進(jìn)、投資少、見(jiàn)效快、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的激光測(cè)速/測(cè)長(zhǎng)儀的非接觸式鋼坯自動(dòng)定尺剪切系統(tǒng)替代原有鋼坯定尺剪切控制系統(tǒng),系統(tǒng)采用激光金屬檢測(cè)器和位移感應(yīng)器及激光測(cè)速儀對(duì)鋼坯切頭和自動(dòng)定尺控制系統(tǒng)及配套設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化改造。

3．2系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由三部分組成：測(cè)速部分、數(shù)據(jù)處理部分和輥道運(yùn)行控制系統(tǒng)部分液壓剪部分。如圖3所示

圖3 新型液壓剪剪切系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

1)測(cè)速部分包抬溦光多普勒檢測(cè)儀和激光金屬檢測(cè)。溦光多普勒檢測(cè)儀是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)通過(guò)檢測(cè)物體中跟隨物體一起運(yùn)動(dòng)的散射光對(duì)物體速度進(jìn)行測(cè)量的測(cè)速技術(shù)；激光金屬檢測(cè)激光式用于精確探測(cè)鋼坯頭尾的位置,當(dāng)激光式金屬檢測(cè)器檢測(cè)到鋼坯時(shí),將檢測(cè)信號(hào)反饋至定尺剪切控制系統(tǒng),剪切控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)金屬檢測(cè)器信號(hào)和激光測(cè)速儀的實(shí)時(shí)速度信號(hào)實(shí)現(xiàn)剪切區(qū)域內(nèi)鋼坯頭尾速度和位置的可靠跟蹤和修正；數(shù)據(jù)處理部分就是從激光傳感器出來(lái)的多普勒光譜信號(hào)擁有與被測(cè)鋼坯速度相對(duì)應(yīng)的頻率。

2)數(shù)據(jù)處理使用高性能的數(shù)據(jù)信號(hào)處理器,通過(guò)分解的方法來(lái)計(jì)算多普勒信號(hào),信號(hào)處理器能夠?qū)崟r(shí)撲捉到鋼坯表面的光束變化情況,在短時(shí)內(nèi)鎖定鋼坯表面速度,并將所有信號(hào)進(jìn)行有效地整合與處理，對(duì)鋼坯移動(dòng)速度進(jìn)行積分運(yùn)算,得出被測(cè)鋼坯的長(zhǎng)度值,并通過(guò)Profibus-DP直接將計(jì)算出的鋼坯長(zhǎng)度信息送入液壓剪控制系統(tǒng),以確保剪切精度滿足工藝要求。

3)輥道運(yùn)行控制系統(tǒng)部分通過(guò)熱金屬檢測(cè)器和激光金屬檢測(cè)器分別控制機(jī)后延伸輥道組、剪前和剪后輥道機(jī)組輸送鋼坯的運(yùn)行速度。

首先在液壓剪剪前輥道區(qū)域安裝一個(gè)激光金屬檢測(cè)器,然后在液壓剪機(jī)架上安裝了激光測(cè)速儀;接著液壓剪剪切行程的限位感應(yīng)裝置上增設(shè)中位限位感應(yīng)器,最后將液壓剪剪切控制系統(tǒng)和激光測(cè)速儀控制系統(tǒng)與軋鋼機(jī)組PLC控制系統(tǒng)整合并在同一網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架內(nèi),由PLC控制系統(tǒng)對(duì)剪切模式對(duì)液壓剪進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)鋼坯自動(dòng)測(cè)長(zhǎng),長(zhǎng)度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋,鋼坯自動(dòng)定位,最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剪切功能。                                                                           

3．3 激光測(cè)量原理系統(tǒng)原理

1)該系統(tǒng)采用先進(jìn)的激光多普勒法測(cè)速技術(shù)(非接觸式)在線識(shí)別鋼坯的長(zhǎng)度,自動(dòng)控制剪切機(jī)定尺剪切鋼坯,檢測(cè),顯示運(yùn)行狀態(tài)。熱金屬檢測(cè)器機(jī)固定在機(jī)后延申輥道組和剪前輥道組線側(cè)邊之間采集運(yùn)行鋼坯的圖像信息;激光金屬檢測(cè)器設(shè)置在剪前和剪后輥道組之間,用于精確探測(cè)鋼坯頭尾的位置,當(dāng)激光式金屬檢測(cè)器檢測(cè)到鋼坯時(shí),將檢測(cè)信號(hào)反饋至定尺剪切控制系統(tǒng),剪切控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)金屬檢測(cè)器信號(hào)和激光測(cè)速儀的實(shí)時(shí)速度信號(hào)實(shí)現(xiàn)剪切區(qū)域內(nèi)鋼坯頭尾速度和位置的可靠跟蹤和修正，控制鋼坯剪切過(guò)程運(yùn)行速度信息,信息進(jìn)入軋鋼P(yáng)LC控制系統(tǒng)自動(dòng)控制液壓剪定尺剪切鋼坯檢測(cè)、顯示運(yùn)行狀態(tài)和速度。

2)多普勒測(cè)速系統(tǒng)的原理可從激光的干涉效應(yīng)方面分析,根據(jù)光的干涉理論,在交角為2的2束激光交疊處將形成亮暗相間的疊柵條紋，條紋面與入射光所在平面垂直,干涉條紋的移動(dòng)速度和鋼坯通過(guò)2束激光交點(diǎn)的速度成正比,通過(guò)接收光譜,記錄干涉條紋的移動(dòng)速度,就可以精確地確定鋼坯的移動(dòng)速度。條紋間距為△s=λ/2sin?,是一個(gè)系統(tǒng)常數(shù)，該常數(shù)取決于波長(zhǎng)入和2條激光束的夾角2?。由于在配置LSV控制器時(shí),條紋間距△s=λ/2sin?將自動(dòng)存儲(chǔ)在處理器的內(nèi)存中作為標(biāo)準(zhǔn)常數(shù),因此它是計(jì)算測(cè)量值的基準(zhǔn)。如圖4所示

      
圖4激光測(cè)量原理圖        
?-激光束與中心線的夾角;V-鋼板運(yùn)動(dòng)速度;△s-激光干涉條紋間隔;ƒ-激光測(cè)速儀測(cè)量頻率;ƒЬ-激光測(cè)速儀測(cè)量頻率偏移量

4.自動(dòng)定尺工作原理

4.1在檢測(cè)器安裝完成后首先測(cè)量出剪刃和激光金屬檢測(cè)器之間的安裝距離L,當(dāng)激光金屬檢測(cè)器檢測(cè)到鋼坯時(shí),及時(shí)將檢測(cè)信號(hào)反饋至定尺剪切控制系統(tǒng)和激光測(cè)速儀,激光測(cè)速儀實(shí)測(cè)的長(zhǎng)度信號(hào)通過(guò)Profibus-DP通信將數(shù)據(jù)傳給定尺剪切控制系統(tǒng),定尺剪切控制系統(tǒng)根據(jù)所得數(shù)據(jù)計(jì)算出鋼坯頭部距定尺剪剪刃的距離。定尺剪控制系統(tǒng)將鋼坯的計(jì)劃長(zhǎng)度信息與反饋實(shí)時(shí)計(jì)算的鋼坯實(shí)際長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)比較,實(shí)現(xiàn)了送板輥道的自動(dòng)停止功能,當(dāng)鋼坯在輥道上自動(dòng)停穩(wěn)后,定尺剪控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)剪切功能,最終實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)剪切功能。如圖5所示。

如圖5自動(dòng)定尺工作原理

L-計(jì)劃設(shè)定定尺長(zhǎng);Lo-定尺剪中心線到激光金屬檢測(cè)器的距離;ΔP-到目標(biāo)長(zhǎng)度剩余距離;ΔL激光測(cè)速儀反饋鋼坯長(zhǎng)度度

4.2剪切方式

當(dāng)軋制鋼坯經(jīng)過(guò)開(kāi)坯機(jī)粗軋后經(jīng)延伸輥道輸送到剪前輥道組時(shí)，設(shè)置在剪前輥道組側(cè)邊的金屬檢測(cè)器將檢測(cè)到的軋件信號(hào)發(fā)送給軋鋼P(yáng)LC控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)序瞬時(shí)啟動(dòng)剪前輥道組的運(yùn)行同時(shí)調(diào)整延伸輥道組的速度與其同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)軋件部進(jìn)入到液壓剪通道即將到達(dá)剪位置時(shí)，由設(shè)置在液壓剪上的激檢測(cè)速儀根據(jù)設(shè)定剪切長(zhǎng)度將檢測(cè)到的鋼坯運(yùn)行長(zhǎng)度數(shù)據(jù)傳到軋鋼P(yáng)LC控制系統(tǒng)發(fā)給剪切控制系統(tǒng),剪切控制系統(tǒng)對(duì)剪前輥道組發(fā)出停止輥道運(yùn)行立即啟動(dòng)液壓剪對(duì)軋件剪切。

當(dāng)液壓剪按照軋鋼P(yáng)LC控制系統(tǒng)完成對(duì)坯料切斷后，設(shè)置在下刀座上的移動(dòng)感應(yīng)裝置與控制液壓剪下刀座行程的高位傳感器將產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)并將信號(hào)返饋給液壓系統(tǒng)控制模塊，液壓系統(tǒng)控制模塊就會(huì)向液壓控制系統(tǒng)發(fā)出停止刀座運(yùn)行并同時(shí)啟動(dòng)退回刀座的指令。在液壓剪下刀座按照設(shè)置的指令下降退回過(guò)程中，當(dāng)其上設(shè)置的移動(dòng)傳感裝置與設(shè)置在限位感應(yīng)裝置上的中位感應(yīng)器產(chǎn)生信號(hào)時(shí),移動(dòng)傳感裝置瞬時(shí)將信號(hào)反饋給液壓控制系統(tǒng)發(fā)出停止液壓剪運(yùn)行指令并將信息發(fā)送給軋鋼P(yáng)LC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)接到信息后立即對(duì)輥道控制系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)剪前和剪后輥道組運(yùn)行的指令。在剪前輥道將軋件傳遞到剪后輥道通過(guò)液壓剪時(shí)，軋件頭部正好將留在下刀座上的切頭坯料推倒并順著運(yùn)行方向落入到收集槽，軋件就通過(guò)液壓剪繼續(xù)向連軋機(jī)組運(yùn)行直至尾部離開(kāi)剪切位置。

當(dāng)軋件尾部離開(kāi)剪前輥道組位置時(shí),金屬檢測(cè)器將信號(hào)發(fā)送到軋鋼P(yáng)LC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)立即向液壓控制系統(tǒng)發(fā)出繼續(xù)退回刀座的指令,直至位移感應(yīng)裝置與低位感應(yīng)器產(chǎn)生信號(hào)并將信息返饋給軋鋼P(yáng)LC控制系統(tǒng)，軋鋼P(yáng)LC控制系統(tǒng)重新啟動(dòng)程序等待下一件軋件的到來(lái)。

5  使用效果 

改造后的液壓剪剪切控制系統(tǒng)順利實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)剔除切頭坯料和自動(dòng)測(cè)量鋼坯長(zhǎng)度的定尺剪切功能,系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)自動(dòng)處理和自動(dòng)控制等技術(shù),大大提高了液壓剪定尺的效率,其設(shè)計(jì)合理,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,便于操作維護(hù)和控制,徹底解決了原定尺控制剪切系統(tǒng)精度低問(wèn)題;同時(shí)采用自動(dòng)測(cè)量反饋技術(shù)后,減少了人工剔除切頭和測(cè)量成本,避免了人工出錯(cuò)因素,減少了質(zhì)量異議,具有安全和減輕了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。另外,改進(jìn)后簡(jiǎn)化了操作工序和減少人力資源的配置成本低等優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果,為制造企在棒材生產(chǎn)中充分挖掘機(jī)組潛能,進(jìn)一步提高軋制品種成材率提供了有效的技術(shù)手段。

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