校直切斷機(jī)是用于將建筑鋼筋校直并切斷成設(shè)定長度的加工設(shè)備。原設(shè)備的校直速度為30m/min, 最小切斷長度為2m , 生產(chǎn)效率和自動化程度較低。隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展, 對校直切斷機(jī)的性能、生產(chǎn)效率和自動化程度均提出了較高的要求。由上海交通大學(xué)和錫山市蕩口通用機(jī)械廠聯(lián)合研制的高速自動校直切斷機(jī)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(chǎn)效率和自動化程度較原有設(shè)備有大幅度的提高。
1 提高速度帶來的技術(shù)問題
圖1 是校直切斷機(jī)的工作簡圖。電機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)帶動校直輥將鋼筋校直, 當(dāng)校直長度達(dá)設(shè)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(zhuǎn)過一定角度實現(xiàn)落料, 原設(shè)備在切斷鋼筋后由重錘帶動小車使切斷缸復(fù)位。由于這種靠慣性復(fù)位方式速度慢, 在切短長度的鋼筋時, 切斷缸不能及時復(fù)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(guī)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(jī)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(biāo)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(nèi)切斷機(jī)要完成一個工作循環(huán)。因此, 提高系統(tǒng)快速性是設(shè)計高速自動校直切斷機(jī)的關(guān)鍵因素。
圖1 校直切斷機(jī)工作簡圖
2 系統(tǒng)組成及原理
2.1 液壓系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)原理如圖2 所示。圖中1、2 為雙聯(lián)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(fù)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(tǒng)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(jìn)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(tǒng)的相互干擾。節(jié)流閥14 用于調(diào)節(jié)落缸的工作速度。
圖2 液壓系統(tǒng)原理圖
2.2 電氣控制系統(tǒng)
電器控制原理如圖3 所示。由于校直用電機(jī)和用于切斷及跟切的液壓系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)功率較大,為了減小啟動過程中對電網(wǎng)的沖擊, 采用了SMC即電機(jī)軟啟動器進(jìn)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(tǒng)由PCC(Programming Computer Controller ) 進(jìn)行控制。PCC 是近年發(fā)展起來的一種新型可編程控制器,PCC 和傳統(tǒng)的PLC 的主要區(qū)別在于PCC 可以實現(xiàn)實時多任務(wù)處理, 即根據(jù)控制任務(wù)的實時性要求不同, 將任務(wù)的執(zhí)行時間設(shè)定在不同的級別, 以保證對實時性要求的任務(wù)模塊及時得到處理。本系統(tǒng)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(shù)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(jīng)光電轉(zhuǎn)換器放大整形后送入DI135 模塊, 對被校鋼筋長度進(jìn)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(xiàn)對3 臺電機(jī)的啟?？刂萍靶Ｖ彪姍C(jī)的高低速控制。DI439 是輸入模塊, 手動按鈕主要用于系統(tǒng)的調(diào)試。PaneIWare 是與PCC 配套的人機(jī)交互設(shè)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(shè)定被加工鋼筋的規(guī)格、切斷長度、切斷根數(shù)等。
1、2、3. 電機(jī) 4. 接觸器系統(tǒng) 5.SMC 6. 保護(hù)裝置 7. 隔離變壓器 8、9. 開關(guān)電源 10～ 14. 固態(tài)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(zhuǎn)換器
圖3 電氣控制系統(tǒng)原理圖
3 設(shè)計要點
液壓系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)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?jīng)Q定了剪切速度和剪切力。剪切力包括靜態(tài)力和動態(tài)力, 雖然增加剪切缸的直徑可以增大靜態(tài)剪切力, 但由于速度的降低而使動態(tài)剪切力減小、運動時間加長, 同時缸的直徑增大使響應(yīng)速度降低。若在增大靜態(tài)剪切力的同時不使動態(tài)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(qiáng)散熱等一系列設(shè)計、使用和維護(hù)問題。因此, 液壓系統(tǒng)的設(shè)計較為復(fù)雜, 將另文論述之。電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮校直電機(jī)、軟啟動器、中間繼電器等的合理選擇以及應(yīng)用軟件的編制。
3.1 校直電機(jī)和軟啟動器的選擇原則
電機(jī)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(zhuǎn)矩。因校直機(jī)的負(fù)載屬恒轉(zhuǎn)矩型, 軟啟動器的初始轉(zhuǎn)矩設(shè)定應(yīng)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩, 也就是說軟啟動器的初始相電壓應(yīng)大于某確定值。若設(shè)定其初始相電壓和全壓之比為0.5, 因電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩正比于下式, 即
式中 M i——電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩;U i——初始啟動電壓；U e——啟動結(jié)束時的相電壓(全壓)。
經(jīng)推導(dǎo), 電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩滿足下式:
M i > 0.25M L
式中 M L——負(fù)載轉(zhuǎn)矩
電機(jī)功率確定后, 考慮到負(fù)載特點和工作環(huán)境等因素, 軟啟動器應(yīng)按電機(jī)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(hù)電路不能采用RC 電路, 應(yīng)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(jī)械式繼電器通斷延時大, 應(yīng)選擇固態(tài)繼電器(通斷延時約2～ 3ms)。固態(tài)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(tǒng)軟件支持多任務(wù)處理, 本設(shè)計中按工藝流程應(yīng)實現(xiàn)的控制功能將整個控制過程劃分成14 個任務(wù)模塊(程序模塊) , 其中主要有參數(shù)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(xù)切控制模塊等。這14 個模塊根據(jù)實時性要求的不同, 又劃分為3 個任務(wù)級別。由于自動切模塊除了控制切刀的動作外,還負(fù)責(zé)接收計數(shù)器計數(shù)值, 將其設(shè)置為任務(wù)級別最高的任務(wù)模塊, 其執(zhí)行周期最短, 從而將計數(shù)誤差控制到最小限度。而讀取參數(shù)模塊是讀取操作人員輸入的加工參數(shù)設(shè)定值, 對實時性要求較低, 可以將其設(shè)定為低級別的任務(wù)模塊, 加大執(zhí)行周期, 以減輕對CPU 的壓力。CPU 是否過載應(yīng)按下式校核。
入﹦Ti/TT × 100%
式中 入——某任務(wù)對CPU 的負(fù)載度
Ti—— 該任務(wù)的執(zhí)行時間(ms) , 由Profiler軟件測定
TT ——該任務(wù)所處任務(wù)級別的周期(ms)
5 結(jié)束語
高速自動校直切斷機(jī)除液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計外, 電氣控制系統(tǒng)的合理設(shè)計也是提高切斷精度、響應(yīng)快速性和可靠性的重要措施。電機(jī)和軟啟動器的合理選型及配合可以在滿足啟動轉(zhuǎn)矩的同時, 減小對電網(wǎng)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(tǒng)快速響應(yīng)的主要途徑, PCC 的硬件模塊配置和軟件模塊編制及任務(wù)級別的劃分也是提高系統(tǒng)響應(yīng)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(jī)在性能、生產(chǎn)效率和人機(jī)界面的友好性上比原有設(shè)備有較大幅度的提高。
貝加萊（B&R）工業(yè)自動化是<
