冷軋圓盤剪的計算機仿真及其應用研究

查德根,孔強強

(1.上海寶菱冶金設備工程技術有限公司，上海 201900； 2.上海理工大學機械工程學院，上海 200093)

0 前言

冷軋圓盤剪是用于切除帶鋼邊部缺陷的冷軋處理線上的重要設備，不僅在連續高速運行中剪切較厚的帶鋼承受重載，而且為了保證機組連續運行需要能夠快速換刀。圓盤剪設備精度高、執行機構多、結構復雜布置緊湊，自動化程度高，需要采用先進的設計方法和技術手段。本文在分析圓盤剪基本組成及工作原理的基礎上，應用三維建模和計算仿真等技術，建立了包括刀軸等圓盤剪所有零部件的三維實體模型，完成了圓盤剪的虛擬樣機設計。通過虛擬樣機的裝配、拆卸、零部件間的干涉檢查、工作過程的仿真分析，特別是對圓盤剪刀軸的換刀過程的模擬仿真，優化換刀過程，減少換刀時間，解決圓盤剪研發階段在調試過程中，自動換刀時間較慢，不能滿足生產節奏需求等問題。

1 設備組成及工作原理

1.1 設備組成

圖1為國內某大型鋼廠開發的酸洗冷軋雙刀頭圓盤剪，產品品種定位于汽車和家電行業用熱軋酸洗鋼卷，剪切帶鋼厚度1.8～6.0 mm，機組運行速度最大250 m/min。設備由圓盤剪本體、開閉調整裝置、機架回轉裝置、固定底座以及輔助裝置等組成。其中，圓盤剪本體由本體機架、上下刀軸、側隙調整裝置、重疊量調整裝置以及側壓輥轉臂機構等組成。本體的兩組刀軸上下布置、成對使用，每根刀軸配置一片圓盤狀的剪切刀片，對應配置刀片間隙調整機構和一套刀片重疊量調整機構。機架開閉裝置通過開閉馬達驅動滾珠絲杠，帶動機架在導軌上滑動，調整刀軸的開口度，決定剪切后帶鋼的寬度。機架回轉裝置由回轉油缸推動齒條移動，帶動與齒輪一體的機架及刀軸180°回轉，實現刀軸的快速換刀。圓盤剪本體、機架開閉裝置、本體回轉裝置均布置在固定底座上。

圖1 圓盤剪基本組成

1.2 工作原理

圓盤剪正常剪切過程中，上下刀盤由帶鋼帶動著被動回轉。帶鋼從圓盤剪中間運行，其兩側有缺陷的邊部分別被左、右兩對刀盤切除。切除的廢邊絲通過圓盤剪出口的碎邊剪剪斷，由廢料收集裝置集中處理。帶鋼焊縫通過圓盤剪前需要經過月牙剪挖邊，焊縫到達圓盤剪時，帶鋼停止運行，控制系統根據來料信息自動調整移動機架的寬度、刀刃的側向間隙和刀刃的重疊量等參數。參數自動調整完成后，帶鋼繼續運行進行邊部剪切，直至一個鋼卷剪切周期完成。

由于刀片磨損等因素，圓盤剪刀片需要經常更換。圓盤剪換刀包括兩個階段，第一階段是刀架回轉快速換刀，即通過帶鋼停止運行、刀架打開、刀架回轉、刀架閉合等過程完成刀軸更換作業。為保證機組連續運行和提高生產效率，要求刀軸回轉換刀周期小于機組活套的充套時間。第二階段是指刀片更換，一對刀盤在線剪切作業時，另一對刀盤處于離線狀態，操作人員對回轉到非工作位置刀軸上的不合格刀片，借助換刀工具進行快速拆卸和更換刀片。在線刀軸回轉最小換刀時間是考核圓盤剪工作的重要保證值之一。換刀時間越短，越有利于縮短換刀周期，提高生產作業率。

2 三維建模和計算機仿真

圓盤剪的計算機仿真是指采用三維動畫技術將圓盤剪的外形、零部件結構和配合關系等物理模型，以及圓盤剪的設計原理、工作過程、使用方式等技術和工作特性以動態視頻的形式演示出來。計算機仿真可演示圓盤剪設備的全局運行狀態，觀察圓盤剪運行時的運動配合、功能實現和周邊工況關系等。圓盤剪的仿真設計包括零部件的三維實體建模、圓盤剪的裝配拆卸、工作過程以及機架開閉、回轉等快速換刀過程的模擬演示。

2.1 三維模型的建立

圓盤剪設備結構復雜，非標零件很多。本文應用三維特征建模軟件Solidworks完成了圓盤剪的三維建模。圖2～圖4分別為圓盤剪設備總體、圓盤剪本體總成和刀軸組件的三維實體模型。

圖2 圓盤剪設備總成的三維模型

圖3 圓盤剪本體的三維裝配體模型

圖4 刀軸總成的三維裝配體模型

3.2 圓盤剪的裝拆過程仿真

圓盤剪設備的裝拆過程仿真包括裝配順序規劃和干涉檢驗兩部分。裝配順序規劃決定了產品的最優裝配路徑、裝配質量和裝配成本等，也是檢測零部件之間是否存在靜態空間干涉的重要依據。

裝配順序規劃方法有：拆卸法、割集法、優先約束法、基于層次識別法的裝配順序求解方法、基于組件識別的求解方法和基于知識的求解方法等。圓盤剪的裝配順序規劃參考現有的裝配工藝，采用拆卸法演示設備和部件的裝配順序。圖5a為刀軸裝配總成中用到的零部件，其裝配順序為：刀軸-導向鍵-螺釘-活塞組件-碟簧-保持蓋-螺釘組-鎖緊螺母-止動擋塊-刀片-導向環-壓環。

為了更清楚地表達裝配體的內部結構，圖5b采用了半剖圖的表現形式。完成裝配體后，可以對該模型進行相關評估分析，如干涉檢查、間隙驗證、質量統計以及有限元分析等。

3.3 圓盤剪工作過程運動仿真

圓盤剪的仿真包括圓盤剪剪切過程模擬、刀片重疊量調整和間隙調整前后的狀態模擬和干涉檢查，以及換刀過程中的本體開閉、刀架回轉、換刀等輔助過程仿真。本文應用Solidworks的運動仿真模塊Motion完成了上述仿真。以圓盤剪工作過程仿真為例，仿真內容主要包含以下幾個動作：本體機架的開閉、旋轉和鎖緊，側壓輥擺動，上下刀軸旋轉，刀軸軸向移動，上下刀座升降等。各動作的輸入形式選用馬達這一動力源形式，各動作的實際設備動力源與運動仿真動力源形式的對應關系如表1所示。

圖5 刀軸總成的裝配

圓盤剪工作過程中的各項動作動作目的設備實際動力源動畫仿真動力源形式本體機架開閉調整帶鋼剪切寬度以及實現換刀寬度調整電機線性馬達本體機架旋轉在線和離線刀具的工位互換機架回轉液壓缸旋轉馬達機架鎖緊鎖緊本體機架機架鎖緊缸引力側壓輥擺動壓緊帶鋼擺臂液壓缸旋轉馬達刀軸旋轉剪切帶鋼帶鋼張力帶動旋轉馬達刀軸軸向移動調整刀片側向間隙側隙調整電機線性馬達刀座升降調整刀片重疊量重疊量調整電機線性馬達

應用Motion Manager工具欄完成各動力源相關參數設置后，應用Motion計算功能完成仿真計算，保存仿真運動算例并導出AVI視頻文件。圖6為圓盤剪剪切鋼板過程及其后續碎邊處理的工作瞬間圖。

圖7為換刀過程仿真時三種狀態的位置截圖。圖中的橢圓框表示換刀過程中刀架的當前位置。圖7a為刀架打開位置、圖7b為刀架回轉過程中刀架旋轉約45°時的位置，圖7c為換刀完成時刀架閉合位置。通過仿真，全面檢查換刀過程中的空間干涉，模擬各種工況下的換刀周期。

圖6 剪邊過程及后續設備運動仿真

圖7 換刀過程計算機仿真

4 仿真在換刀時間優化配置中的應用

在本套圓盤剪調試過程中，針對自動換刀時間長不能滿足生產節奏需求這一問題，應用圓盤剪虛擬樣機和機械仿真，結合現場實際情況和設計經驗，尋找到了換刀時與碎邊剪不干涉的機架最小開度，縮短了換刀時間，減少了設備的輔助工時，提高了作業效率。

圓盤剪的換刀步驟如8所示。圓盤剪調試初期的換刀總時間約為120 s，其中本體機架打開和閉合各占用40 s，旋轉鎖緊缸松開和鎖緊各用5 s，本體機架旋轉用時30 s。這與其它機組中同類圓盤剪換刀時間90 s左右的數值相比明顯偏長。

圖8 圓盤剪換刀步驟

通過分析和模擬圓盤剪虛擬樣機的工作狀況，制定出了三方面措施來縮短換刀時間。

(1)盡可能減小本體機架的開閉距離。本套圓盤剪的配套碎邊剪是兩機三工位型式，換刀圓盤剪本體機架旋轉時，需保證圓盤剪的旋轉動作與附近的碎邊剪不發生位置干涉。通過工作過程模擬仿真發現，優化前機架從在線工作位置行走到機架回轉位置的距離為650 mm，而機架行走到大于300 mm后，機架回轉時與附近碎邊剪已不會發生碰撞和干涉。因此，機架打開的行程可縮短一半，同理，機架閉合行程也可相應縮短一半。通過對這兩個設備的工作狀態模擬，找出了圓盤剪的最佳回轉位置，使得機架開閉距離更合理。

(2)通過提高機架調寬電機的變頻調速能力，加快機架開閉速度，縮短開閉時間。最后，利用機架回轉缸和回轉鎖緊缸的緩沖特性，加快了這兩個液壓缸的動作速度，進一步縮短了機架回轉以及鎖緊等動作的所用時間。通過動畫模擬分析和現場調試，最終將圓盤剪的換刀時間由原來的120 s減少到50 s。表2為圓盤剪換刀時間優化前后的對比情況。

表2 換刀時間優化配置 s

6 結束語

本文建立了酸洗冷軋雙刀頭重型圓盤剪及其輔助設備的虛擬樣機，完成了其工作過程的模擬仿真，利用上述結果對圓盤剪換刀時間進行了優化配置。圓盤剪虛擬樣機和計算機仿真結果不僅解決了實際生產中存在的問題，也為圓盤剪的快速設計和維修維護等提供指導和借鑒。