南钢宽厚板滚切剪步长剪切自动控制系统的研究论文

　　摘要：本文以南钢滚切剪为例，详细介绍ACS800在滚切剪变步长剪切制系统的应用，FM458-1DP和PLC416-2PN/DP对滚切剪步长控制系统的控制。

 

　　关键词：变步长；FM458；PLC416

 

　　南钢宽厚板4700mm滚切剪步长剪切系统包含：WINCC操作系统，伺服液压控制系统、PCS7控制系统和变频器控制系统。步长剪切要求液压传动紧密配合，并且要求整个系统能可承受大载荷冲击、能频繁起制动、加减速，具备快速跟随特性及高控制精度，因此南钢4700mm滚切剪机械采用西马克机械设备，三电系统传动采用ABB ACS800变频器，PLC采用458高速运算模块和416逻辑控制模块，流体采用MOOG伺服液压系统。

 

 

　　1.1剪机结构

 

　　南钢4700mm双边剪使用滚切方式进行剪切，本方式剪切重叠量与切口平行于剪刃方向，切边量小，被切板材边部形变小，切口整齐，机械使用多偏心轴连接设计：①主驱动采用三轴三偏心，两个偏心轴驱动主刀，一个偏心轴驱动碎刀；②刀缝调节机构，主刀和碎刀刀缝分别采用一个偏心轴进行调节；③退刀装置，采用三根偏心轴配合进行调节；④压板驱动装置，采用凸轮结构。如此多的偏心装置装配在一起，动作配合流畅，对加工精度、装配精度、控制精度等要求极高。电气、机械、伺服液压完美配合，实现滚切剪厚度自动检测、刀缝自动调整、自动送料、自动剪切等。

 

 

　　1.2剪机参数性能

 

　　板材两边切除废边相同，一般切除1倍~2倍钢板厚度，切边宽度可在20mm~150mm灵活调整，可切割厚度8mm~50mm，宽度1900m~4850mm，长度≥6.0m，钢板温度≤150℃所有钢板，切割速度可在16次/min~32次/min中随意设置。

 

　　当钢板厚度≤40mm时，每步进给量可达到1300mm，当钢板厚度>40mm，系统自动切换进给量将其调整到1050mm，入口夹送辊到主刀起始端860mm，到碎刀起始端3270mm，出入口夹送辊间距离4650。

 

　　1.3压板驱动装置

 

　　压板驱动装置以规定的力将钢板压在底部刀架上，可以有效防止切割时钢板弯曲变形，所有滚切式双边剪都配有一对压板装置，其形状像滑雪板，长度约等于底刀长度，它平行于板面上下运动。压板装置通过机械耦合方式与主刀进行连接，机械设计复杂，包含偏心轮、拉杆、螺纹轴、杠杆和弹簧。当主刀向下运动时，弹簧被压缩、产生向下压力，为了保持压力不变，压板装置自动根据钢板厚度进行移动。拉杆和螺纹长度，由带抱闸的压板电机进行调整，在调整位置时，抱闸打开，电机通过齿轮箱将横动转成丝杆上下运动，其位置计算高度与钢板厚度成正比。压紧装置配备两套测量系统，即螺旋千斤顶系统和压紧装置升降系统，螺旋千斤顶通过电机驱动，电机上安装增量速度编码器，实现精准速度控制，来控制压板打开间隙。压板装置的实际位置测量通过一个连接在拉杆/螺纹轴上的磁尺进行测量，该测量采用位置闭环实现运动控制，并且配备最小/最大评估值，差异在整个厚度上约46mm，并且剪机的切割工作范围8mm~50mm，但为了安全压板默认最小值为15mm。

 

　　想要对压板位置进行精准控制，必须定期对压板进行标定，当对压板装置进行标定时，将双边剪上剪刃完全打开，将板厚和压板装置参考值设置为5mm，然后手动测量压板和底刀的实际间隙，测量值与标校值35mm进行比较，将差异值补偿进PLC控制系统中，这样就可以保证控制系统自动设置压紧位置时，保证压板始终位于板面上方30mm处。

 

　　1.4偏心轴剪切时序

 

　　双边剪采用三轴三偏心方式进行剪切，两个偏心驱动主刀，一个偏心轴驱动碎刀，为达到最终成品宽度，板材两边各切除1倍~2倍板厚的废边，并且两个偏心轴驱动的主剪刃带有上剪刃和下剪刃，剪切时上剪刃垂直于钢板搬运方向进行周期剪切。主剪刃下游带有碎边刀，由一个偏心轴驱动，将主刀切开的废边长条切成小块。主刀和碎刀下剪刃及其刀架固定在机架下方，刀架的外边缘决定了钢板的切割线位置，上剪刃及刀架固定在固定在可移动的导向滑板上，并且导向滑板具备自动缩回装置，上剪刃固定在下剪刃外侧，因此其内边缘决定切割线位置。上剪刃由齿轮箱、曲轴、偏心轴和连杆从运动位置的一端连接到另一端，剪刃刀架通过T形碟簧锁紧在导向单元上，主刀和碎刀间隙都可以调节。剪机采用滚切原理，上剪刃垂直下剪刃向下移动(主刀上剪刃弧形半径为9500m)，上剪刃出口先切割钢板，然后上剪刃进一步向下切割，直至切割完成。带有偏心轴的减速机运转时刀刃前侧和后侧运动角度不同，通过配合弧形刀刃，实现刀片沿刀刃方向进行滚动。

 

　　碎边刀位于主刀后部，其下剪刃水平固定在下框架内，上剪刃固定在下剪刃上方可移动的滑板上，其前边缘定义切割线，其运动原理和主刀相同。碎边切割依据横切原理，上剪刃以3.5°倾斜角度向下剪刃移动，剪刃先切割钢板上表面，随着剪刃进一步向下移动，开始切断废边，直至切割完成。

 

　　1.5刀缝调整机构

 

　　双边剪剪刃间隙是控制钢板切割质量最重要的性能参数，当剪刃间隙调节过大时，剪切力矩会变大，会导致钢板边部和头部弯曲变形量加大，导致钢板边部出现塌边和毛刺增多等缺陷。当剪刃间隙调节过小时，钢板边部会出现二次剪切，交刀点会出现剪切刀台现象，当前步剪切完成上抬上剪刃时，上剪刃会磨蹭到钢板边缘，严重磨损刀具。

 

　　剪刃间隙与钢板厚度、钢种、钢板屈服强度、压板距离有关，为此为了剪刃间隙精整调整，设备安装剪刃间隙自动调整机构，为此为了达到板材最佳的切割效果和提高剪刃使用寿命，需要剪刃间隙调整机构自动根据钢板厚度对主刀和碎刀剪刃间隙进行实时调整。剪刃间隙是通过间隙调整机构调整上剪刃间隙来实现，上剪刃间隙调整机构是通过电机驱动与偏心轮相连接的涡轮来实现，驱动电机带有抱闸，当在调整间隙前先打开抱闸，然后控制电机运转，剪刃间隙调整采用非线性位置拟合的方式进行控制，实际间隙位置通过偏心轴上的绝对值位置编码器进行测量，该测量值用于位置控制，横向运动的间隙位置与偏心旋转运动成比例关系，碎边剪剪刃间隙调整机构和主剪刃间隙调整机构原理相同。

 

　　剪刃间隙的精准控制需要定期对间隙进行标定。偏心轴剪刃间隙标定方式，首先通过手动测量10个不同厚度的间隙实际值，覆盖间隙调整最大和最小范围即0.5mm~5.0mm，然后将该值与控制系统中实际数据进行配对拟合成对应的间隙调整曲线，然后将补偿值导入到控制系统中，修正拟合曲线重新测量即可，碎边剪剪刃间隙调标定和主剪刃间隙调标定方式相同。

 

　　1.6偏心轴驱动方式

 

　　主刀和碎刀上剪刃由复杂的齿轮箱、偏心轴和连杆共同驱动，初级侧齿轮箱有两个共同作用的传动轴，齿轮箱的驱动由每个驱动轴上的电机进行驱动，其采用ABB ACS800变频器进行驱动，其励磁及速度控制信号有控制系统给出并反馈给各个变频控制器，并且变频器的状态反馈给控制系统。两侧剪刃传动采用速度和位置控制方式，并且剪机移动侧和固定侧每侧两个电机全部采用负荷分配控制，保证同一个齿轮箱上连接的两个电机扭矩相同，为了更加精准的进行负荷速度控制，每一台电机上都装载一个增量速度控制的编码器，并且每台电机都配有一个盘式制动器，当不剪切时保持制动状态，保证剪刃角度不变，并且其制动方式采用弹簧驱动，通过液压油来驱动打开和关闭驱动器。移动侧和固定侧两个制动器分别由两个并联电磁阀共同作用，当两个电磁阀同时得电时，液压油供应，打开制动器，当两个电磁阀都断电时，液压压力关闭和释放，制动器激活。供油回路安装两个压力检测开关，用来判断油压是否正常以判断抱闸是否打开，电机动作前提条件是抱闸打开，在特殊紧急停车时，制动器立即启动来实现快速减速停车。

 

　　移动侧和固定侧齿轮箱的输出轴上各安装一个绝对值编码器和接近开关，用来检测两侧实际角度，用来实现两侧传动的同步控制，限位开关也与输出轴进行结合，并且剪切两台驱动控制器采用主从控制，通过负荷平衡，主驱动器给其从驱动器提供额外的速度参考值。负荷平衡永久监控两个驱动器的扭矩差异信号，函数输出如下：当平衡系数大于0时表示当前驱动器实际扭矩值小于平均值；当平衡系数等于0时表示当前驱动器实际扭矩值与平均值匹配；当平衡系数小于0时表示当前驱动器实际扭矩值大于平均值。

 

　　移动侧和固定侧同时切边是一个平行操作，需要电气同步控制，电气实时监控两侧角度差异，如果出现差异将降低较快一侧的驱动速度以实现两侧传动再次同步，当两侧角度差值较大偏差5°以上时，立即停止送料。

 

　　1.7退刀平衡装置

 

　　主刀和碎刀上刀通过T型碟簧锁紧在滑动导向刀架上，在剪机工作时，当上刀向下运动切完钢板上抬时，为了避免上刀上抬时将钢板带起了，上刀侧边安装退刀机构，即当剪刃上抬时，退刀机构拉动上刀使上刀剪刃后退2mm，即主刀剪切一次，退刀机构动作一次，如此循环往复进行切割，退刀机构主要由偏心轴、连杆、滑座、拉紧缸组成。

 

 

　　步长剪切控制主要包括剪机辊道、出入口夹送辊、剪机本体，三者相互配合，由电气协调控制，当剪前辊道搬运钢板到达剪机入口夹送辊前第一个定位光栅前自动停止，操作人员启动对中，将钢板根据激光对中系统摆到夹送辊对中位置，然后启动定位剪切，钢板被剪前辊道低速搬运到第二个光栅位置停下来，当钢板停稳后且入口夹送辊压下光栅检测到钢板到位信号后，入口夹送辊自动压下，固定侧上夹送辊厚度检测磁尺计算出钢板厚度，PLC控制系统根据压力厚度模型自动计算出夹送辊需要提供的送料压力。

 

　　双边剪出入口4对加送辊各有一个液压缸和比例阀控制其上升下降，每对夹送辊上方安装一个接近开关用来检测夹送辊是否抬起到位，每个夹送辊液压管路上安装一个油压检测传感器用来检测夹送辊压下到位信号，同时每个夹送辊油压管路上安装一个溢流阀，防止压力过大，同时每个液压缸管路上配置一个储能罐子，减少压力波动对夹送棍压力系统影响。

 

　　PLC控制系统根据计算出的压力，自动调节夹送辊压下液压缸比例阀开口度，以实现夹送辊压力达到模型计算压力，当夹送辊压力达到系统设定压力后，剪刃刀缝调节机构根据夹送辊测量后的钢板度值以及钢种强度自动对刀缝进行位置闭环调节，同时入口夹送辊OS侧和DS侧各安装两个漫反射光栅实时检测最大最小切边宽度，剪切时钢板边部必须在两个最大最小检测光栅之间，如不满足要求，剪切系统立即报警提醒操作人员重新调整剪机宽度或者重新定位，如果切边宽度满足剪切要求，则触发允许剪切信号，剪机启动，剪机运行后主传动电机带动机械偏心轴运转。偏心轴与剪刃送料角度存在对应逻辑关系，当偏心轴带着剪刃转过SE-VA安全区域，开始进入VA送料区域时，PLC控制控制剪前辊道及剪机夹送辊启动搬运钢板，当偏心轴带动剪刃进入VE-SB下一个安全区域时，立刻停止送料，当偏心轴带动剪刃进入剪切区即SB点时开始剪切钢板，当偏心轴带动剪刃转过SE点时剪切结束，压板跟随偏心轴自动抬起，当偏心轴带动剪刃再次转过SE-VA安全区域时，本周期剪切结束，然后循环往复周期剪切，当钢板头部到达出口夹送辊压下抬起光栅下方延迟一个步长后，出口夹送辊自动压下，同时剪后辊道跟随剪前辊道、夹送辊同步送料，当钢板尾部离开入口夹送辊辊前抬起光栅时，PLC控制入口夹送辊自动抬起，当钢板尾部离开入口夹送辊后压下光栅时，剪机废边导卫自动打开，最后一块边丝从切边剪处落下，剪前辊道和入口夹送辊自动停止，此时钢板由出口夹送辊及剪后辊道单独搬运，当钢板尾部离开出口夹送辊前光栅时，PLC控制出口夹送辊自动抬起并停止运转，钢板剪切结束，剪后辊道自动将剪切完成的钢板搬运到下一个工序。

 

 

　　3.1剪切角度划分

 

　　滚切剪采用周期步长剪切，一个剪切周期为360度，SB为剪切的起点，并定为步长剪切零点；SE为剪切终点；VA为步长送料起点；VE为步长送料终点；D为剪刃极限开口度，即为剪刃停止位置；OW为上水平位，即为主剪刃更换位置；UW为下水平位，即为碎边剪刃更换位置。

 

　　3.2三角形和梯形步长控制原理

 

　　滚切式双边剪剪切速度N为16-32刀/min，剪切周期T=60/N为1.875s~2.92s，送料周期T1=60/N*(220/360)为1.140s~2.292s，剪切步长1050mm~1300mm，Vmax=2m/s是，送料长度S=2(Vmax*T1+1/2*a*T2)。依据双边剪三角梯形波送料控制原理，以32刀/min、30刀/min、16刀/min为例，当不同剪切速度，不同送料步长，加速度不同，其送料波形不同，当采用32刀极限剪切速度时，加速度4m/s2，为三角波加减速送料，当采用30刀剪切速度时，加速度3.5m/s2，不同步长可以为三角波加减速送料，也可以采用梯形波加速匀速减速送料，为此滚切式双边剪步长控制系统要求能频繁起制动、加减速，能承受大负载冲击，并且主从跟随特性。

 

 

　　为了满足对步长剪切的精准控制，需要步长传动系统具有高可效性和实时性，为此步长剪切自动控制系统选用FM458-1DP和CPU416-2DP两个独立运行的PLC。CPU416负责步长逻辑控制，FM458负责步长速度控制，两个PLC通过LE背板总线实现实时通讯。EX438通过输入输出扩展端口，读写实时性较高的速度等相关信号，同时为了保证传动响应速度，变频器通过Bus和simolink组合方式进行控制，Bus总线用于连接FM458，步长速度闭环控制算法在FM458中运算，其控制信号通过Bus读取，变频器与变频器之间通过simolink进行通讯。

 

　　CPU416和FM458是独立并行运行的PLC，FM458需要通过NOP、CRV、CPB、CTV指令去读写相关指令，FM458通过SFC59来给CPU416写命令，通过SFC58来读CPU416命令。两个PLC并行运行，满足步长控制系统快速响应的要求。

 

 

　　滚切式双边剪通过PCS7过程控制系统对剪切步长精确控制，保证钢板能沿直线送料切边，消除钢板镰刀弯，保证板材切边质量，为企业创造了较大的社会经济效益。