一種高速棒材倍尺剪轉轍器的應用公關及技術研究

李曉曉 王 岸

(1.甘肅鋼鐵職業技術學院，嘉峪關 735100；2.酒泉鋼鐵（集團）有限責任公司，嘉峪關 735100）

隨著全球工業化水平的提高，金屬加工行業面臨著巨大的機遇和挑戰。高速棒材倍尺剪轉轍器作為提高效率和保證質量的關鍵設備成為研究熱點。此設備能加快生產速度，縮短生產周期，減少浪費，增強企業競爭力[1]。剪切技術發展是科技進步的縮影，已實現從手工到高速自動化的轉變。相關學者深入研究剪切機械的力學特性[2]和控制系統優化[3]等技術問題，為設備優化升級奠定了基礎。國際上，制造業發達的國家運用新型合金材料、集成智能傳感器和數控系統，使得設備具有較高性能[4]，為全球制造業注入了新活力。我國研究人員關注國際技術的同時，注重成本控制和工藝流程適應性改進，降低成本，提高效益，滿足市場需求和適應生產環境變化。

當前的高速棒材倍尺剪轉轍器存在三大問題：一是停機或更換后，位置匹配難；二是動作速度不可控，影響生產；三是快速動作時，出現過轉矩問題。針對高速棒材倍尺剪轉轍器存在的問題：首先采用高精度高轉矩伺服變頻電機，提升轉轍器的控制精度；其次通過采用轉轍器獨立控制方式，提升控制程序的智能化水平；最后對生產線中的機械結構進行優化，降低生產線的故障率，以期為相關領域的技術進步和產業升級提供理論支撐和實踐指導。

1 高速棒材倍尺剪轉轍器介紹

1.1 設備定義與工作原理

高速棒材倍尺剪轉轍器是一種用于金屬加工行業的高科技裝置，能快速、精確地剪切和換向棒材，如圖1 所示。高速棒材倍尺剪轉轍器的主要功能是提高生產效率和材料利用率。通過精密機械結構和控制系統，設備能連續送料、定尺剪切，并根據后續加工需求快速轉轍。伺服電機驅動滾筒送料，數控系統控制液壓或氣動切割裝置進行高精度剪切。剪切好的棒材段通過轉轍機械手或轉向軌道移送至下一工序或收集區域。操作界面采用觸摸屏，實現參數設定、狀態監測和故障診斷等功能。現代高速棒材倍尺剪轉轍器還集成了智能傳感器和反饋調節機制，可保障設備在高速運行中的穩定性與剪切精度，滿足大規模工業生產對效率和質量的雙重要求。

圖1 高速棒材倍尺剪轉轍器

1.2 項目研究目標

本項目旨在解決高速棒材生產線上的關鍵技術瓶頸——高速轉轍器的控制及匹配問題。結合機電一體化技術和高速棒材生產工藝要求，實現轉轍器與剪刃時間和剪切長度的精確匹配，從而提高生產效率和創效能力。轉轍器的動作和剪切控制速度要求嚴格，同時需要與倍尺剪保持良好的位置匹配，如圖2 所示。通過運用棒材倍尺剪切工藝控制模型、驅動控制模型及剪切與位置控制算法，結合實際測量的棒材速度和倍尺剪剪切位置跟隨功能，優化控制運算程序，提高剪切精度并降低故障率。

圖2 轉轍器與倍尺剪匹配原理

2 項目存在的問題

在現代工業生產中，控制模型及其算法對識別和解決問題起到關鍵作用。但是，在處理非常規異常時，完善外部模型的加載是一項挑戰。轉轍器的位置校正涉及控制程序的調試，需不斷校正，并結合伺服裝置的參數和控制元素調整。這種方法存在兩大問題：一是技術人員需具備高技能和經驗；二是校正匹配耗時且不可控。在生產線上，轉轍器的控制是關鍵，但僅優化轉轍器并不足以確保整線順暢。轉轍器的穩定性受關聯設備影響，涉及速度、力矩和張力等參數。這些因素相互影響，增加了全面分析的難度。因此，對復雜關系的分析和優化尤為關鍵，也是技術轉化難題。為了實現生產線順利運行，需深入考慮轉轍器與關聯設備的相互作用，優化相關參數。

3 技術方案

3.1 控制轉轍器伺服裝置的過程轉矩補償

提升高速棒材倍尺剪轉轍器性能的關鍵措施之一是精確控制伺服裝置的過程轉矩。為了實現高精度剪切，需要實時調節伺服電機，以抵消由機械摩擦、材料變形抗力及系統慣性等產生的轉矩波動。采用閉環控制系統和高精度轉矩傳感器、編碼器，可精確監測和控制轉轍器運行狀態。然而，僅依賴電機模型控制不夠精確，可以引入過程轉矩補償算法，如比例-積分-微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制或自適應控制策略，以補償非線性因素。為獲得最佳補償效果，開展實驗測定系統摩擦、慣量等參數，優化控制模型。將這些補償轉矩值整合到伺服控制中，可實現更平滑、精確的驅動力輸出。

3.2 設計智能控制系統

在高速棒材倍尺剪轉轍器中，設計一個高度智能化的控制系統是實現自動化和提升剪切精度的關鍵。該系統不僅需要將過程控制計算機作為其核心，還要配備高效的調速傳動裝置以及精確的速度和轉矩檢測部分。這些元素共同構成一個完整的控制單元，如圖3 所示。

圖3 智能控制系統

過程控制計算機是系統的“大腦”，負責接收傳感器實時數據，根據預設程序和算法執行相關操作。過程控制計算機還可以調整操作參數，確保設備穩定高效運行。過程控制計算機由伺服電機等組成，將指令轉化為精確機械運動。裝置根據負載變化自動調節速度和轉矩，適應不同加工條件和材料特性。速度和轉矩檢測器是系統“感覺器官”，包括編碼器等元件，監測設備實際狀態，提供速度、加速度、轉矩等數據供分析決策。智能控制系統能全面監測調控高速棒材倍尺剪轉轍器，通過閉環反饋控制校正，提高控制精度和穩定性。系統還能預測適應生產過程變化趨勢，提高設備的自適應能力和生產效率。

3.3 提高系統的自動適應能力

在高速棒材倍尺剪轉轍器的控制系統中，提升異常控制的自適應能力是關鍵。這需要系統能夠實時監測關鍵性能指標，并運用數據分析技術準確識別異常事件[5]。同時，系統需具備迅速反應的能力，調整工作參數或啟動備用程序。此外，系統應具備學習能力，記錄并應用異常事件的解決方案。為了增強健壯性，需設計冗余機制，確保出現主組件或路徑故障時生產不受影響。通過集成這些先進技術，高速棒材倍尺剪轉轍器的自適應能力得到顯著提升，保障了設備的穩定性和生產效率，降低了維護成本。

4 項目貢獻

4.1 降低工人勞動強度

轉轍器位置校正功能的實現，主要是讓操作者通過控制模擬操作界面，將實際位置按照工藝位置調整后，根據現場試驗實際值，直接將實際值設置為默認值，并將調整過的相應模型輸入系統，測試后使系統能自動匹配。集成試驗數據及增加控制功能后，操作人僅需在操作臺按下調整按鈕后驅動系統即可自動進行精確的位置校正，最終實現一鍵式調整，極大地降低了工人的勞動強度。

4.2 延長正常運轉壽命

對機械機構的運轉導軸、潤滑點進行合理布置，實現運轉阻力及磨損較小，并能夠實現適量及時的自動潤滑功能，延長轉轍器的在線使用壽命，給企業帶來直接的經濟效益。優化后效益如表1 所示。

表1 優化前后效益對比

4.3 突破生產難點問題

該項目主要是立足鋼鐵行業高速棒材生產線，通過機電一體化技術，結合高速棒材生產工藝要求，著力研究及解決高速倍尺剪切的關鍵環節——高速轉轍器的控制及匹配難題，突破長期影響生產的關鍵技術瓶頸問題，可為后續行業生產提供有效借鑒，從而大幅提升產能及效益。

5 結語

針對高速棒材倍尺剪轉轍器的應用公關及技術研究做了全面的梳理和深入的探討，期望提出的技術策略能夠有效促進高速棒材倍尺剪轉轍器的技術進步，幫助制造商提升核心競爭力，同時推動整個金屬加工行業朝著更高效、更精準、更智能的方向發展。正是通過對這類關鍵設備不斷創新和改進，才能在追求卓越的產品質量和生產效率的道路上不斷前行，著力推動產學研用深度融合，提升企業科技創新能力和核心競爭力。

該項目不僅突破了小規格螺紋精品棒材的生產難題，也為我國制造業提供了新的發展方向。項目的實施不僅體現了我國制造業的技術實力，也展示了我國在高端制造業的領先地位。這將有助于提升我國在全球制造業的影響力，為推動我國制造業的持續發展做出貢獻。