定尺剪雙軸差速傳動(dòng)滾切軌跡優(yōu)化及高精度定尺機(jī)構(gòu)研究

摘要：本文首先介紹了國(guó)內(nèi)中厚板定尺剪技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及定尺剪機(jī)組在剪切和定尺方面存在的問(wèn)題。結(jié)合現(xiàn)存問(wèn)題分析了優(yōu)化思路，詳細(xì)展示了定尺剪雙軸差速傳動(dòng)滾切軌跡優(yōu)化過(guò)程及成果，介紹了一種可配合交互動(dòng)態(tài)排尺控制程序的新型高精度機(jī)械定尺機(jī)，說(shuō)明了高精度定尺的原理，以及如何配合定尺剪完成準(zhǔn)確剪切定尺鋼板，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)精確定尺。

關(guān)鍵詞：定尺剪;滾切軌跡優(yōu)化;定尺機(jī);高精度定尺

0 引言

隨著中厚板控冷控軋、在線淬火等生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以及高強(qiáng)鋼板的生產(chǎn)供需關(guān)系的變化，市場(chǎng)對(duì)中厚板成品的質(zhì)量要求也越來(lái)越嚴(yán)格。比如定尺剪切，由最初的毛邊交貨到的定尺交貨，再到嚴(yán)格的長(zhǎng)度精度要求;同時(shí)對(duì)切口種類和切口質(zhì)量等都提出了更加苛刻的要求。而傳統(tǒng)的斜刃剪切口不光潔（還帶有大量的毛刺），剪切能力小（剪切厚度最大到30mm），定尺精度差（沒(méi)有配備機(jī)械式定尺機(jī)），已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要。為此，冶金行業(yè)極力推行對(duì)現(xiàn)有斜刃剪進(jìn)行改造，同時(shí)大部分新建項(xiàng)目已經(jīng)禁止使用斜刃剪，推薦使用滾切式定尺剪機(jī)組。滾切式定尺剪是中厚板定尺剪設(shè)備中處于國(guó)際先進(jìn)水平的技術(shù)，分為單軸雙偏心和雙軸雙偏心兩種機(jī)型，其中最先進(jìn)的是雙軸雙偏心滾切式定尺剪。國(guó)內(nèi)最近幾年建設(shè)的中厚板生產(chǎn)線大多配置了滾切式定尺剪，滾切式定尺剪在剪切能力、剪切質(zhì)量、設(shè)備維護(hù)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且適應(yīng)產(chǎn)品范圍寬，技術(shù)日趨完善。

同時(shí)，在定尺剪的中，普遍采用手工定尺、簡(jiǎn)單的測(cè)長(zhǎng)輥定尺，由于測(cè)長(zhǎng)輥跳動(dòng)、打滑、數(shù)據(jù)丟失，測(cè)長(zhǎng)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，經(jīng)常造成長(zhǎng)尺、短尺，為避免報(bào)廢，實(shí)際操作中每塊板需要人工放尺25～30mm以上，造成極大浪費(fèi);此外由于測(cè)長(zhǎng)輥輥徑小，使用稍長(zhǎng)時(shí)間，由于磨損、污染也會(huì)產(chǎn)生二次誤差，為保證精度，每隔一兩周需重新校訂測(cè)長(zhǎng)輥換算系數(shù)，操作維護(hù)繁瑣。

隨著鋼鐵行業(yè)對(duì)中厚板產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，要求中厚板產(chǎn)品的板形良好、尺寸精度高、表面光潔、性能良好。傳統(tǒng)的手工定尺、簡(jiǎn)單的測(cè)長(zhǎng)輥定尺精度和穩(wěn)定性已經(jīng)難以滿足要求。近年曾出現(xiàn)的激光測(cè)長(zhǎng)儀，由于對(duì)環(huán)境光線、粉塵、振動(dòng)、溫度、濕度以及信號(hào)干擾等較敏感，使用故障多，需專業(yè)人員維護(hù)且設(shè)備昂貴，也未得到推廣。

因此，對(duì)滾切式定尺剪及其定尺機(jī)構(gòu)提出了更高要求。

1、存在問(wèn)題及優(yōu)化思路

定尺剪是用于鋼鐵行業(yè)中厚板、寬厚板生產(chǎn)線上的一種橫向剪切板材的關(guān)鍵設(shè)備。主要用于中厚板生產(chǎn)線上需要對(duì)所生產(chǎn)的鋼板進(jìn)行定尺剪切的地方，如熱軋中厚板精整線、中厚板熱處理的精整線上，雙邊剪之后，成品收集區(qū)前[1]。

1.1 存在問(wèn)題

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)中厚板定尺剪機(jī)組在剪切和定尺方面普遍存在以下問(wèn)題：

定尺剪定尺精度低，生產(chǎn)節(jié)奏慢，鋼材損耗高。雙軸雙偏心滾切剪對(duì)應(yīng)不同厚度軌跡單一，調(diào)整不靈活;照搬國(guó)外設(shè)備滾切機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)軌跡待優(yōu)化;定尺剪測(cè)長(zhǎng)精度差，穩(wěn)定性差，靠現(xiàn)場(chǎng)人工定尺，定尺精度低。普通定尺機(jī)齒側(cè)間隙大，慣性、沖擊、磨損造成定尺精度差;定長(zhǎng)送料定位誤差大，不穩(wěn)定，間接造成鋼板長(zhǎng)尺、短尺。

中厚板生產(chǎn)線上通常使用的是雙軸傳動(dòng)的雙偏心式滾切式定尺剪，剪切機(jī)經(jīng)過(guò)三級(jí)減速后，由偏心軸帶動(dòng)連桿驅(qū)動(dòng)上刀架運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)向桿約束下進(jìn)行近似于純滾動(dòng)的剪切動(dòng)作。

目前滾切式定尺剪雙軸傳動(dòng)采用的是機(jī)械同步傳動(dòng)，沿著剪刃的長(zhǎng)度方向，剪刃上的各部分（即上剪刃前部位置和后部位置）隨雙軸是同步移動(dòng)的，雙軸傳動(dòng)的剪切設(shè)備的剪切為近似于滾切運(yùn)動(dòng)的剪切，但還不是真正的滾切運(yùn)動(dòng)，這樣，會(huì)影響剪切斷面的質(zhì)量、剪切精度、剪切能力和效率。

滾切剪對(duì)鋼板進(jìn)行剪切主要是通過(guò)慣性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不管鋼板的薄厚都采用相同的功率，剪切設(shè)備產(chǎn)品普遍都存在設(shè)備能力浪費(fèi)、能耗高等現(xiàn)象。現(xiàn)有的雙軸傳動(dòng)的滾切剪對(duì)于不同型號(hào)、厚度、硬度的鋼材無(wú)法進(jìn)行合理的調(diào)整，往往對(duì)于不同的中厚板都采用相同的剪切控制，這樣，也影響剪切能力和效率。

1.2 優(yōu)化思路

通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外中厚板生產(chǎn)線上的滾切式定尺剪進(jìn)行分析比較，詳細(xì)總結(jié)了各類型定尺剪的性能及參數(shù)，比較各機(jī)型的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)多次實(shí)地調(diào)研了已投產(chǎn)的各定尺剪機(jī)組的使用情況，確定優(yōu)化分析思路。

進(jìn)行剪切工藝參數(shù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)和力能參數(shù)的分析研究;對(duì)鋼板靠邊裝置、夾送輥、滾切機(jī)構(gòu)、剪刃間隙調(diào)整裝置、刀座鎖緊裝置、高精度機(jī)械定尺機(jī)等進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)分析研究;對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)剪刃水平間隙、自動(dòng)定尺控制等內(nèi)容，進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

傳統(tǒng)的滾切式定尺剪的通過(guò)主傳動(dòng)減速箱，機(jī)械同步傳動(dòng)兩傳動(dòng)軸，通過(guò)安裝雙軸的相位差是一個(gè)恒定值，在滾動(dòng)剪切鋼板的過(guò)程中，受各機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，上下剪刃的重疊量雖然比斜刃剪有所減少，但這個(gè)重疊量仍然有較大的波動(dòng)，無(wú)法根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本次優(yōu)化升級(jí)改造，針對(duì)傳統(tǒng)的滾切式定尺剪的弊病，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種雙軸可差速傳動(dòng)的滾切式定尺剪切設(shè)備，此新式滾切式定尺剪的兩主傳動(dòng)軸之間不再通過(guò)減速箱齒輪進(jìn)行機(jī)械同步，而是分別采用兩套獨(dú)立的減速齒輪傳動(dòng)，兩軸可分別傳動(dòng)。雙軸異步傳動(dòng)的滾切式定尺剪設(shè)備的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：左右兩側(cè)的主電機(jī)、減速機(jī)、主傳動(dòng)偏心軸。左側(cè)減速機(jī)與右側(cè)減速機(jī)并排而且獨(dú)立布置;左側(cè)傳動(dòng)偏心軸，與左側(cè)減速機(jī)連接;右側(cè)傳動(dòng)偏心軸，與右側(cè)減速機(jī)連接。滾切剪的上剪刃，同時(shí)與上述左側(cè)偏心軸和右側(cè)偏心軸連接。上剪刃上設(shè)置有左側(cè)鉸接軸承座和右側(cè)鉸接軸承座，左側(cè)鉸接軸承座與左側(cè)偏心軸連接，右側(cè)鉸接軸承座與右側(cè)偏心軸連接;左側(cè)偏心軸和右側(cè)偏心軸相互獨(dú)立傳動(dòng)，可以通過(guò)主電機(jī)的同步控制，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)偏心軸的異步動(dòng)作或同步動(dòng)作。

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)獨(dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)擺脫了以往的機(jī)械同步，可通過(guò)電氣調(diào)整更容易實(shí)現(xiàn)真正意義上的“純滾動(dòng)”剪切效果，通過(guò)調(diào)整剪切過(guò)程中兩偏心軸相位差的變化，使上下剪刃的重疊量在整個(gè)剪切全過(guò)程中基本保持恒定，更有利于鋼板的剪切以及保證鋼板的剪切質(zhì)量。

2、雙軸差速傳動(dòng)滾切軌跡優(yōu)化

首先，對(duì)不同類型滾切式定尺剪的剪切原理、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、力能參數(shù)進(jìn)行了分析研究;通過(guò)三維建模，校核了各運(yùn)動(dòng)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并通過(guò)數(shù)值法、解析法和有限元分析，對(duì)滾切式剪切機(jī)構(gòu)的六連桿三級(jí)機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度、剪切力和剪切力矩進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算。

2.1 剪切力與剪切功的分析計(jì)算：

由于剪切過(guò)程中所產(chǎn)生的變形抗力與滾切剪上剪刃切入鋼板下的陰影面積、被剪切鋼板的冷態(tài)屈服強(qiáng)度成正比;因此，在上剪刃的剪切角不變的條件下，被剪切鋼板的最大厚度的平方與鋼板冷態(tài)屈服強(qiáng)度成反比關(guān)系。

在滾切式剪切機(jī)剪切功相同條件下，被剪切鋼板的冷態(tài)屈服強(qiáng)度越高，剪切機(jī)能剪切的鋼板厚度就越小;而鋼板剪切時(shí)的冷態(tài)屈服強(qiáng)度越低，剪切機(jī)允許剪切的鋼板厚度就越大。

2.2 雙軸雙偏心滾切軌跡優(yōu)化：

通過(guò)系統(tǒng)研究3500、3800、4300、5000系列機(jī)型六連桿系運(yùn)動(dòng)軌跡，優(yōu)化各桿布置、桿長(zhǎng)、剪刃重疊量、運(yùn)動(dòng)受力拐點(diǎn)，優(yōu)化桿系結(jié)構(gòu)及滾切軌跡。滾切式定尺剪剪切機(jī)構(gòu)尺寸是否合理的一個(gè)重要參數(shù)是上下剪刃的重疊量，如果重疊量變化較大，在剪切矩及摩擦力矩共同作用下將導(dǎo)致鋼板斷面發(fā)生彎曲變形，使得成品鋼板的剪切質(zhì)量大大降低[2]。

不同系列定尺剪的滾切運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有不同的結(jié)構(gòu)尺寸，通過(guò)運(yùn)動(dòng)軌跡詳細(xì)計(jì)算，將剪切過(guò)程優(yōu)化后的結(jié)果提供給電氣系統(tǒng)用于剪切過(guò)程控制，最大程度減小單次剪切周期，優(yōu)化電機(jī)過(guò)載倍數(shù)。達(dá)到了節(jié)能、環(huán)保效果，剪切周期縮小，大大優(yōu)化了整個(gè)剪切過(guò)程。

優(yōu)化結(jié)果：

由以上計(jì)算得出，剪機(jī)在極限規(guī)格鋼板剪切過(guò)程中，電機(jī)啟動(dòng)1.23s（偏心軸轉(zhuǎn)角90.7°）時(shí)接觸鋼板;至2.03s時(shí)（偏心軸轉(zhuǎn)角205.9°）鋼板完全切斷;到2.46s時(shí)（偏心軸轉(zhuǎn)角267.8°）剪刃完全脫離鋼板。

因此，實(shí)際純剪切鋼板時(shí)間段為1.23～2.46s，時(shí)長(zhǎng)為1.23s。電機(jī)在加速段時(shí)間可以控制在1.23s以內(nèi)，而電機(jī)減速時(shí)間可以在2.46s以后至3.7s之間。據(jù)此數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確合理的對(duì)剪切模式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要來(lái)進(jìn)行剪切時(shí)間的優(yōu)化，對(duì)于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)有很大幫助。

純剪切過(guò)程發(fā)生在偏心軸轉(zhuǎn)角267.8°-90.7°=177.1°范圍內(nèi)。

電機(jī)在偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)到267.8°時(shí)，電氣就可以提前減速，輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩。這樣就可以減小電機(jī)的過(guò)載倍數(shù)，以達(dá)到節(jié)能減排的效果。根據(jù)模擬優(yōu)化結(jié)果，節(jié)能達(dá)到11.2%。

同時(shí)，優(yōu)化后的剪切效果，沿剪切的全長(zhǎng)重疊量很小，避免了斜刃剪剪切鋼板斷面壓彎的缺陷，剪切鋼板的質(zhì)量好、剪切精度更高，產(chǎn)能更大。

3、高精度定尺機(jī)構(gòu)

定尺裝置是應(yīng)用于軋鋼廠對(duì)中厚板長(zhǎng)度進(jìn)行定位剪切的定尺設(shè)備，其定尺精度是影響成材率、廢鋼率的關(guān)鍵因素。隨著精細(xì)化生產(chǎn)和對(duì)控制成本的要求不斷提高，各大鋼廠對(duì)提高定尺精度和成材率的要求越來(lái)越高。因此，高性能、高精度定尺設(shè)備具有降低投資成本，提高成材率，廢鋼率等實(shí)用性意義。機(jī)械式定尺機(jī)是現(xiàn)代寬厚板剪切線上與滾切式定尺剪配套使用的，用于鋼板長(zhǎng)度精確定尺的設(shè)備。定尺機(jī)布置在定尺剪輸出輥道上方，位于在定尺剪的擺動(dòng)輥道之后。

3.1定尺機(jī)齒側(cè)隙自補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

機(jī)械定尺機(jī)由軌道架、定尺小車、傳動(dòng)系統(tǒng)、擋板升降裝置、預(yù)緊裝置五部分組成，通過(guò)車體兩側(cè)的行走齒輪與軌道架兩側(cè)的齒條嚙合傳動(dòng)而使車體帶動(dòng)擋板裝置移動(dòng)。安裝齒條時(shí)，通過(guò)專用工具測(cè)量，實(shí)現(xiàn)兩排齒條對(duì)稱布置;通過(guò)扭轉(zhuǎn)預(yù)緊方式，消除定尺機(jī)雙側(cè)行走齒輪與齒條雙向間隙，保證齒輪齒條長(zhǎng)期精確嚙合，并自動(dòng)補(bǔ)償齒間磨損間隙，保證精確定位，并長(zhǎng)期免維護(hù);通過(guò)車體絕對(duì)值傳感器下方同步旋轉(zhuǎn)的精密齒輪與軌道架外側(cè)精密齒條嚙合傳動(dòng)，精確記錄擋頭的位置，即通過(guò)精密測(cè)長(zhǎng)齒輪、齒條和絕對(duì)值編碼器的定位，精確測(cè)量鋼板長(zhǎng)度，配合定尺剪實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確剪切定尺鋼板的功能[3]。

3.2定尺機(jī)功能描述

主電機(jī)驅(qū)動(dòng)定尺小車在軌道上移動(dòng)，車體外編碼器檢測(cè)小車移動(dòng)的位移，編碼器發(fā)信號(hào)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，小車停止移動(dòng)時(shí)擋板距離下剪刃的距離即為鋼板的定尺長(zhǎng)度。定尺小車移動(dòng)的前、后極限位置有接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)，擋板提升及下降的極限位置均由接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)。

定尺小車接近停車位置時(shí)，需提前將傳動(dòng)電機(jī)減速，移動(dòng)速度降為0.115m/s。鋼板接近定尺機(jī)的升降擋板時(shí)，需提前將輸送輥道的電機(jī)減速，輥面速度降為0.1m/s。

該機(jī)械式定尺機(jī)能具有快速送板功能，實(shí)現(xiàn)快速定位的同時(shí)減少對(duì)設(shè)備的沖擊;定尺控制精度高，實(shí)現(xiàn)精確送料，保證剪切精度，提高生產(chǎn)效率。

3.3 高精度自動(dòng)控制機(jī)械定尺機(jī)

若采用測(cè)長(zhǎng)輥、夾送輥、輥道跟蹤等冗余方式粗定位提前減速控制，精度為0～+30～+50mm，不穩(wěn)定。而高精度機(jī)械定尺機(jī)精確控制，配合交互動(dòng)態(tài)排尺控制程序，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)精確定尺，目標(biāo)精度0～+5mm（實(shí)施精度高達(dá)0～+2mm）。

4、優(yōu)化后特點(diǎn)

通過(guò)高精度的機(jī)械式定尺機(jī)精確定位，利用雙軸傳動(dòng)的雙偏心軸的傳動(dòng)相位差，帶動(dòng)上剪股在平面空間做模擬滾動(dòng)，與固定的下剪股形成滾動(dòng)剪切動(dòng)作，完成定尺剪切目的。我們將此原理應(yīng)用到設(shè)備上，對(duì)已有設(shè)備的設(shè)計(jì)缺陷和現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)比較強(qiáng)烈的問(wèn)題統(tǒng)一改進(jìn)，推陳出新。

優(yōu)化后，將高效剪切與高精度定尺融合交互式動(dòng)態(tài)采樣、自動(dòng)工藝排尺控制進(jìn)行一體化控制編程。具有剪切質(zhì)量好、剪切次數(shù)高、剪切力矩小、剪切能力強(qiáng)、定尺精度高、定尺范圍廣、自動(dòng)程度高、產(chǎn)品可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其主要特點(diǎn)有：

1）優(yōu)化滾切運(yùn)動(dòng)軌跡，減少剪刃重疊量，提高剪切質(zhì)量;

2）優(yōu)化上剪刃圓弧半徑，剪切過(guò)程中剪刃重疊量4～7mm，上刀刃行程小，剪切力矩小;

3）被剪鋼板壓彎變形小，剪切鋼板板型好，切口斷面光潔平整，剪切質(zhì)量好;

4）采用啟動(dòng)工作制，通過(guò)控制加速曲線，提高剪切效率;理論剪切次數(shù)高達(dá)24次/分;

5）上、下整體剪刃快速更換，換刀時(shí)間小于30分鐘;

6）自動(dòng)調(diào)節(jié)剪刃水平間隙，精度高、速度快;

7）改進(jìn)設(shè)備潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，密封嚴(yán)密可靠，效果好，易損件更換周期長(zhǎng)，維護(hù)方便;

8）機(jī)械定尺精度高、節(jié)能、抗沖擊，定尺精度不受環(huán)境影響和信號(hào)干擾，定尺行走機(jī)構(gòu)能自動(dòng)校正磨損，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、節(jié)奏快;

9）全部剪切和定尺過(guò)程均由PLC自動(dòng)監(jiān)控，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單可靠;定尺精度高達(dá)0～+5mm;

10）機(jī)組設(shè)備易檢修維護(hù)，定尺精度高，故障率低、生產(chǎn)率高。

5、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)仿真計(jì)算了定尺剪雙軸差速傳動(dòng)滾切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，記錄了定尺剪處于剪刃開(kāi)始切入鋼板狀態(tài)、剪刃切斷鋼板狀態(tài)、剪刃脫離鋼板三個(gè)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度和時(shí)間。由以上計(jì)算得出，剪機(jī)在極限規(guī)格鋼板剪切過(guò)程中實(shí)際純剪切鋼板的時(shí)間段以及時(shí)長(zhǎng)。據(jù)此控制電機(jī)在加速段時(shí)間的運(yùn)行時(shí)間，以及確定電機(jī)減速運(yùn)行的時(shí)間段。最后，據(jù)此數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確合理的對(duì)剪切模式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要來(lái)進(jìn)行剪切時(shí)間的優(yōu)化，進(jìn)而精準(zhǔn)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，完成高質(zhì)高效剪切，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

參考文獻(xiàn)：

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