校直切斷機是用于將建筑鋼筋校直并切斷成設定長度的加工設備。原設備的校直速度為30m/min, 最小切斷長度為2m , 生產效率和自動化程度較低。隨著建筑業的不斷發展, 對校直切斷機的性能、生產效率和自動化程度均提出了較高的要求。由上海交通大學和錫山市蕩口通用機械廠聯合研制的高速自動校直切斷機的校直速度為60m/min, 最小切斷長度為0.8m , 切斷誤差為±5mm。其性能、生產效率和自動化程度較原有設備有大幅度的提高。
1 提高速度帶來的技術問題
圖1 是校直切斷機的工作簡圖。電機通過傳動機構帶動校直輥將鋼筋校直, 當校直長度達設定長度時, 剪切缸帶動切刀下行將鋼筋切斷, 然后, 落料缸帶動落料架轉過一定角度實現落料, 原設備在切斷鋼筋后由重錘帶動小車使切斷缸復位。由于這種靠慣性復位方式速度慢, 在切短長度的鋼筋時, 切斷缸不能及時復位。這是影響提高校直速度和降低切斷長度的主要原因。另外, 由于在切斷瞬間鋼筋推動切刀水平移動, 這使得切斷小規格鋼筋時易造成鋼筋彎曲, 影響加工精度。新研制的校直切斷機采用了跟切缸跟切, 也即在切斷后的瞬間, 跟切缸帶動切斷缸水平右移, 以使切刀脫離運動著的鋼筋, 切斷缸再快速升起, 之后, 跟切缸將切斷缸拉回原位。在校直速度和切斷長度的指標要求中, 最苛刻的工況是以60m/min 的校直速度加工0.8m 的鋼筋時的工況,此時, 每切斷一根鋼筋需0.8s, 這意味著在0.8s 內切斷機要完成一個工作循環。因此, 提高系統快速性是設計高速自動校直切斷機的關鍵因素。
圖1 校直切斷機工作簡圖
2 系統組成及原理
2.1 液壓系統
液壓系統原理如圖2 所示。圖中1、2 為雙聯液壓泵。切斷缸9 下行時, 電磁鐵8 斷電, 高壓小流量泵1 和低壓大流量泵2 同時對切斷缸供油, 使其快速下行。切斷鋼筋時負載壓力升高, 單向閥6 閉合,僅由高壓小流量泵供油。切斷后, 泵2 為跟切缸10供油, 使跟切缸快速跟切及返回。閥4 用于系統短時不工作時對大流量泵卸荷。由于跟切和落料動作幾乎同時進行, 高速切斷時兩缸所需流量均較大, 故此, 落料缸12 采用液壓泵獨立供油, 以避免泵的流量過大和兩個液壓系統的相互干擾。節流閥14 用于調節落缸的工作速度。
圖2 液壓系統原理圖
2.2 電氣控制系統
電器控制原理如圖3 所示。由于校直用電機和用于切斷及跟切的液壓系統的驅動電機功率較大,為了減小啟動過程中對電網的沖擊, 采用了SMC即電機軟啟動器進行軟啟動。隔離變壓器用于對SMC 提供控制電壓。整個電氣系統由PCC(Programming Computer Controller ) 進行控制。PCC 是近年發展起來的一種新型可編程控制器,PCC 和傳統的PLC 的主要區別在于PCC 可以實現實時多任務處理, 即根據控制任務的實時性要求不同, 將任務的執行時間設定在不同的級別, 以保證對實時性要求的任務模塊及時得到處理。本系統中PCC 模塊配置如圖。CP774 是CPU 模塊, 也是PCC的核心模塊。DI135 是高速計數模塊。校直輥在校直鋼筋的同時, 帶動光電型位置傳感器, 位置傳感器的信號經光電轉換器放大整形后送入DI135 模塊, 對被校鋼筋長度進行檢測。DO435 是直流輸出模塊,其輸出觸點控制中間繼電器, 中間繼電器輸出觸點控制電磁閥的動作。DO720 是交流輸出模塊, 其輸出觸點控制交流接觸器的控制線圈, 通過交流接觸器實現對3 臺電機的啟?？刂萍靶Ｖ彪姍C的高低速控制。DI439 是輸入模塊, 手動按鈕主要用于系統的調試。PaneIWare 是與PCC 配套的人機交互設備,通過RS232 通訊電纜與PCC 交互信息。通過PaneIWare 的面板鍵和顯示屏可設定被加工鋼筋的規格、切斷長度、切斷根數等。
1、2、3. 電機 4. 接觸器系統 5.SMC 6. 保護裝置 7. 隔離變壓器 8、9. 開關電源 10～ 14. 固態繼電器 15～ 20. 電磁鐵 21～ 29. 接觸器控制線圈 30.CPU模塊 31.DI135 32.DI439 33.DO435 34.DO720 35. 手動按鈕 36. 光電轉換器
圖3 電氣控制系統原理圖
3 設計要點
液壓系統設計的關鍵是選取剪切缸的直徑, 因為在泵流量一定的條件下, 剪切缸的直徑決定了剪切速度和剪切力。剪切力包括靜態力和動態力, 雖然增加剪切缸的直徑可以增大靜態剪切力, 但由于速度的降低而使動態剪切力減小、運動時間加長, 同時缸的直徑增大使響應速度降低。若在增大靜態剪切力的同時不使動態剪切力減小、不使運動時間加長,勢必要增大泵的流量, 泵流量的增大使得功率增大,從而又會要求油箱的體積增大、加強散熱等一系列設計、使用和維護問題。因此, 液壓系統的設計較為復雜, 將另文論述之。電氣控制系統的設計主要考慮校直電機、軟啟動器、中間繼電器等的合理選擇以及應用軟件的編制。
3.1 校直電機和軟啟動器的選擇原則
電機的選擇除考慮功率因素外, 還要考慮和軟啟動器配合時的啟動轉矩。因校直機的負載屬恒轉矩型, 軟啟動器的初始轉矩設定應大于負載轉矩, 也就是說軟啟動器的初始相電壓應大于某確定值。若設定其初始相電壓和全壓之比為0.5, 因電機的啟動轉矩正比于下式, 即
式中 M i——電機啟動轉矩;U i——初始啟動電壓；U e——啟動結束時的相電壓(全壓)。
經推導, 電機的啟動轉矩滿足下式:
M i > 0.25M L
式中 M L——負載轉矩
電機功率確定后, 考慮到負載特點和工作環境等因素, 軟啟動器應按電機功率上浮一檔選取。
3.2 中間繼電器和加速二極管的選擇
電磁鐵是感性元件, 通斷延時和回路的阻抗成反比, 因此, 其保護電路不能采用RC 電路, 應并接加速二極管(參見圖3)。和二極管串接的電阻是用于減小斷電延時的, 但使斷電時電磁鐵的最大反電勢有所增加。二極管的反向耐壓要大于umax
式中 R 2——二極管支路串接電阻； R 1——電磁鐵線圈電阻；U ——供電電源電壓
由于機械式繼電器通斷延時大, 應選擇固態繼電器(通斷延時約2～ 3ms)。固態繼電器的選擇要考慮吸收浪涌電壓的能力, 繼電器允許的浪涌電壓要大于電磁鐵通斷過程中的最大反電勢umax。
4 編程要點
由于PCC 的系統軟件支持多任務處理, 本設計中按工藝流程應實現的控制功能將整個控制過程劃分成14 個任務模塊(程序模塊) , 其中主要有參數讀取模塊、自動切模塊、自動跟切模塊、自動落料模塊、自動停車模塊、速度控制模塊、連續切控制模塊等。這14 個模塊根據實時性要求的不同, 又劃分為3 個任務級別。由于自動切模塊除了控制切刀的動作外,還負責接收計數器計數值, 將其設置為任務級別最高的任務模塊, 其執行周期最短, 從而將計數誤差控制到最小限度。而讀取參數模塊是讀取操作人員輸入的加工參數設定值, 對實時性要求較低, 可以將其設定為低級別的任務模塊, 加大執行周期, 以減輕對CPU 的壓力。CPU 是否過載應按下式校核。
入﹦Ti/TT × 100%
式中 入——某任務對CPU 的負載度
Ti—— 該任務的執行時間(ms) , 由Profiler軟件測定
TT ——該任務所處任務級別的周期(ms)
5 結束語
高速自動校直切斷機除液壓系統的合理設計外, 電氣控制系統的合理設計也是提高切斷精度、響應快速性和可靠性的重要措施。電機和軟啟動器的合理選型及配合可以在滿足啟動轉矩的同時, 減小對電網的沖擊; 中間繼電器及電磁鐵加速元件的合理選取是保證系統快速響應的主要途徑, PCC 的硬件模塊配置和軟件模塊編制及任務級別的劃分也是提高系統響應速度和控制精度不可忽視的主要因素。高速自動校直切斷機在性能、生產效率和人機界面的友好性上比原有設備有較大幅度的提高。
貝加萊（B&R）工業自動化是<
