全自動鋼筋切割加工生產線的設計＊

于志宏

（衡水職業技術學院，河北 衡水053000）

在橡膠止水條收卷機的硬件機構研制過程中，涉及到鋼筋支撐架的研制，且在鋼筋加工過程中，產生以下待解決的問題。

在鋼筋切割加工過程中，通常需要使用機械對鋼筋進行切割，得到不同長度的鋼筋。由于工藝特征和實際現場環境的特殊性，鋼筋定尺過程較為煩瑣，尤其在切割多根鋼筋時，將鋼筋整捆切割的過程控制不穩定，造成鋼筋切割尺寸精度較差，切割的效果不理想，給生產企業造成一定的經濟損失。目前，由于國內企業鋼筋切割加工生產線的自動化程度較低，設備操作基本依靠人工控制切割過程、人工檢測鋼筋長度。這種生產線控制方式的缺點是費時費力、廢品率高、生產效率低，倘若工人操作失誤，容易劃傷產品導致尺寸不達標，影響企業經濟效益。

為了解決上述問題，本文設計了一種可以固定尺寸切割整捆鋼筋的全自動化生產線，具有操作簡單、可調節使用的優點，可以對整捆鋼筋進行切割，降低了工人的勞動強度，進而能夠提高鋼筋生產加工效率。

1 總體設計方案

全自動鋼筋切割加工生產線包括硬件系統和軟件系統，硬件系統主要包括底座、切割架和活動架等主要結構，軟件系統主要包括切割調速控制系統、切割位置控制系統、跟蹤定位控制系統3 個部分。

控制系統核心部分是由西門子S7-400 可編程控制器、西門子MM440 變頻器、WinCC 組態軟件包等組成的全數字化系統。為了滿足調速的需要，設計了電機傳動調速系統控制運送鋼筋，并通過電機控制切割盤快速運轉，并對鋼筋進行切割，由PLC 控制升降液壓缸夾緊固定多根鋼筋，實現對整捆鋼筋的定尺切割。

2 硬件系統設計

全自動鋼筋切割加工生產線的硬件主要結構包括底座、切割架和活動架等，結構剖視示意圖如圖1 所示，局部放大圖如圖2 所示，結構左視剖面圖如圖3所示，底座局部結構立體示意圖如圖4 所示。

圖1 結構剖視示意圖

圖2 圖1 中A 處的局部放大圖

圖3 結構左視剖面圖

圖4 底座局部結構立體示意圖

2.1 底座

底座的頂部栓接有支撐板，支撐板位于軌道之間，且支撐板均勻排列，支撐板的頂部開設有托料槽，托料槽呈圓弧狀，且托料槽的內部粘接有橡膠墊。支撐板的左側栓接有固定板，固定板為三角形斜板，且固定板呈對稱分布。通過設置支撐板和托料槽，可以起到支撐鋼筋的作用，為鋼筋的加工提供了便利。設置固定板可增加支撐板的穩定性，防止支撐板傾倒影響鋼筋加工效率。

2.2 切割架

切割架和活動架位于底座的頂部，且切割架位于活動架之間，切割架頂部的中心處栓接有升降液壓缸，且升降液壓缸的活塞桿貫穿至切割架的底部，升降液壓缸的底部栓接有切割結構。

切割結構包括固定框、電機和切割盤，固定框與升降液壓缸之間栓接，電機固定安裝于固定框的內腔，切割盤與電機的輸出軸之間栓接。通過設置固定框、電機和切割盤，可以對鋼筋進行快速切割，進而提高鋼筋加工成型的生產效率。

2.3 活動架

活動架頂部的中心處栓接有第一夾緊液壓缸，且第一夾緊液壓缸貫穿至活動架的底部，第一夾緊液壓缸的底部栓接有定位座，活動架的前后兩側均栓接有第二夾緊液壓缸，第二夾緊液壓缸相向的一端均栓接有限位座，底座頂部的前后兩側均栓接有軌道，切割架和活動架的底部均栓接有滑動板，滑動板位于軌道的頂部并與軌道之間滑動連接?；瑒影宓牡撞克ń佑袧L輪，軌道的內部開設有導向槽，滾輪位于導向槽的內部并與導向槽的內壁滾動連接，軌道的表面貫穿設置有緊固螺栓，緊固螺栓與底座之間采用螺紋連接。通過設置滾輪、導向槽和緊固螺栓，便于調節切割架和活動架的位置，進而能夠提高鋼筋的加工精度。定位座和限位座的內壁均為圓弧狀，且限位座呈對稱分布，定位座和限位座的表面均粘接有夾緊橡膠板。通過設置夾緊橡膠板，可以加強鋼筋的夾緊效果，防止鋼筋在切割時出現偏移。

該生產線設置了升降液壓缸、切割結構、第一夾緊液壓缸、定位座、第二夾緊液壓缸、限位座和軌道，具有操作簡單、便于調節使用的特點，可以對整捆鋼筋進行切割。

3 軟件系統設計

軟件系統主要包括切割調速控制系統、切割位置控制系統和跟蹤定位控制系統。

3.1 切割調速控制系統

切割盤由1 臺315 kW 的直流電機驅動，直流電機由西門子MM440 變頻器控制，在切割周期內，切割盤由電動機控制其前后運動。在切割過程中，切割盤因不斷切割會使其有一定程度的磨損，其直徑會逐漸變小，因此，要定期更換切割盤。如果更換新的切割盤，操作人員必須根據切割盤直徑參數重新設置負責控制切割的電動機的轉動速度及切割盤的線速度[1]。

在每個切割周期結束后，全自動鋼筋切割加工生產線控制系統的傳感器會自動檢測切割盤的磨損程度，即切割盤的實際直徑。若切割盤直徑值發生變化，則由控制系統自動修改負責切割的電機速度值，以使切割盤線速度保持恒定值。

在鋼筋切割過程中，由變頻器控制電機傳動系統使切割架和活動架沿軌道運動，為了保證切割質量和切割效率，要求切割盤旋轉的線速度恒定。因受切割過程產生的溫度以及鋼筋切割面的形狀等多種因素的影響，造成生產線輸出負載變化較大，影響了切割盤運行速度的穩定性，從而對控制系統的調速功能提出了高標準要求，因而設計了電流轉速雙閉環直流高速系統。因為開環控制系統結構簡單，只能用于對調速精度要求不高的場合，要想實現高標準、高精度的調速控制，必須使用閉環調速控制系統。

因受電動機最大額定電流的限制，需將電動機的最大允許過載發揮出最大價值，使控制切割盤的電動機拖動系統盡量實現加速度運動，待電動機運行速度穩定后，再降低電動機的運行電流，使轉矩與負載達到平衡狀態，此時控制系統將進入穩定運行狀態。為了使電動機在允許的條件下實現最快起動，要設定一個使電動機電流保持為最大恒定值的過程，解決這個問題的辦法是需對電流與轉速進行獨立控制，即需要設計轉速、電流雙閉環調速系統。

在設計轉速、電流雙閉環直流調速系統過程中，為了解決上述問題，在調速控制系統中設置2 個調整器，分別實現對電機轉速的負反饋及對電機電流的負反饋，分別用于調節電流值和轉速值。該調速系統將轉速調整器的輸出信號作為電流調整器的輸入信號，再利用電流調整器的輸出信號作為晶閘管整流器觸發裝置的控制信號，這就形成了電機轉速、電機電流雙閉環調速控制系統，控制系統原理如圖5 所示。

圖5 轉速、電流雙閉環調速系統

3.2 切割位置控制系統

切割盤的前后運動通過電液比例閥控制液壓缸實現，位置通過一個線性位移裝置檢測。切割過程中的位置信號有鋼筋檢修位置、切割起點位置、切割等待位置、切割完成位置等。在每個切割周期中，切割盤需要頻繁切換至不同的位置，同時要求切割盤停止在某位置時要準確平穩。由于切割架的質量較大，繼而產生的運動慣性較大，這也為控制切割盤的精確位置造成一定難度。若切割盤在停止時不穩定，就會造成切割盤本體震動過大，從而影響機械設備的壽命。

本系統由比例放大器、液壓缸、位移檢測傳感器、模數轉換器等構成，由PLC 控制升降液壓缸緩慢下降，由液壓缸控制切割盤與鋼筋，接觸即可將鋼筋切斷。

控制系統利用位移傳感器檢測液壓缸的實際位置，并通過A/D 模數轉換模塊將該實際位置信號傳送給可編程控制器PLC，PLC 將該位置信號與給定的位置設定值進行比較，得出偏差值，轉換成電壓，再經過比例放大環節將其轉換為電流信號，再驅動比例閥的開口程度與開口方向，從而實現對切割盤精確位置的控制。

3.3 跟蹤定位控制系統

實現鋼筋切割生產線自動化的重要環節是跟蹤及定位鋼筋物料。跟蹤鋼筋物料的目的是確定鋼筋所在的具體位置與狀態，然后依靠PLC 控制設備的運行與停止。

雖然本系統由PLC 聯合變頻器控制電機使切割架和活動架沿軌道運動，滾輪和導向槽能夠防止切割架和活動架的位置偏移，固定鋼筋切割尺寸，但是如果鋼筋定位控制設計不合理，會對切割架本體造成一定沖擊，損壞機械設備，同時若切割架因沖擊而產生移位，會造成鋼筋定尺不準確。因此，快速準確地定位切割鋼筋尺寸，可很大程度上提高生產效率以及設備安全性[2]。

如果鋼筋所處的實際位置與PLC 檢測的位置有誤差，系統會通過檢測元件對誤差進行自動修正，從而滿足產品質量要求。為了精確跟蹤定位鋼筋物料，負責檢測鋼筋物料位置的元器件的可靠性極為重要，由它來更新鋼筋物料的位置信號。在選擇檢測元件參數時，重點考慮其溫度參數、安裝位置要求及防護措施，最好具備檢測距離可調節的特點，以便于可用于狹小的空間，最大程度地避免位置誤差信號的產生。根據上述情況的要求，本控制系統選用SICK 公司生產的WT24 耐高溫光電管，它具有檢測距離可調節的特點，最遠可調至2 m。

如果切割區域的環境比較復雜，不適宜安裝檢測元件，也可以通過設計軟檢測器，實現與檢測位置元件相同的功能，也即利用物理檢測元件代替實際檢測元件觸發系統開始工作，再利用生產線輥道的運行速度或編碼器計算輸出檢測位置信號。該系統在每個支撐板上均布置一個檢測元件，用于檢測鋼筋。對每根鋼筋的跟蹤從每個支撐板上的檢測元件或者軟檢測元件觸發開始，直到所有檢測元件或軟檢測元件信號均復位清零，本次對鋼筋物料的跟蹤定位才算結束。支撐板上的每個檢測元件的位置均經過嚴格測量標注，用于精確標記鋼筋的位置，同時用于軟檢測元件計算位置數據的校正。

由PLC 聯合變頻器對切割架和活動架進行控制，通過安裝在切割架上的檢測元件對鋼筋進行位置跟蹤，并及時將跟蹤信號反饋給PLC。為了對鋼筋物料實現精確的跟蹤定位，首先對指定位置是否有鋼筋進行初始化定義。只要鋼筋位于跟蹤區域內，就可認為跟蹤區域內有鋼筋[3]。

4 實施過程

在使用該生產線時，首先將鋼筋放置在托料槽的內部，支撐板可以對鋼筋進行有效支撐，方便對鋼筋進行切割，由PLC 與變頻器聯合控制電機使切割架和活動架沿軌道運動，滾輪和導向槽能夠防止切割架和活動架的位置偏移，從而便于得到所需長度的鋼筋。當鋼筋的數量較多，需要對成捆的鋼筋進行切割時，控制第一夾緊液壓缸伸長，此時定位座向下移動與鋼筋接觸，進而能夠通過夾緊橡膠板對鋼筋進行夾緊固定，隨后啟動電機，電機由變頻器控制轉速，電機帶動切割盤快速運轉，由PLC 控制升降液壓缸緩慢下降，切割盤與鋼筋接觸即可將鋼筋切斷，當鋼筋的數量為幾根時，控制第二夾緊液壓缸伸長，此時限位座相向運動，限位座可以將鋼筋夾緊固定在限位座之間，同理可以通過切割盤對鋼筋進行切割，進而提高鋼筋切割的加工效率。

綜上所述，本文對全自動鋼筋切割加工生產線的整體設計進行了介紹，實現了精準跟蹤定位、定尺切割鋼筋等功能，并且可以對多根鋼筋進行切割，大幅減少了生產成本，同時降低了工人的勞動強度，實現了對鋼筋的高效切割。