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飞剪的原理
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&&飞​剪​安​装​在​连​续​作​业​机​组​及​轧​制​线​上​,​横​向​剪​切​运​动​轧​件​(​切​头​、​切​尾​、​切​定​尺​)​。
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轧钢厂飞剪系统研究
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曲柄飞剪机构运动和控制原理分析
    
&&& 摘& 要：某钢厂曲柄飞剪机构结构不公道，存在工作不可靠、事故频繁等题目。运用机构运动学和自动控制原理进行分析研究，找到了原设计缺陷，并拟定了改进措施。改进后的曲柄飞剪机构工作性能和可靠性达到较理想的水平。&&& 关键词：飞剪；轨迹；速比；定位控制；缺陷；改进&&& 中图分类号：TG333.2&&& 文献标识码：B&&&&飞剪是棒线材连轧生产线的重要辅助设备，用于切头、切尾、事故碎断及成品倍尺分断剪切。由于飞剪是在棒材运行中剪切的，故必须满足剪刃在水平方向上的分速度与轧件的运动速度同步的要求。&&&&某钢厂连轧生产线粗轧机后的一台曲柄式飞剪存在以下题目。&&&&l．剪切速降大，被迫采用1.07~1.15大过速因子，才能确保切头和事故碎断，但造成机械振动大且安全联轴器销子频繁破断，曲柄连杆机构严重磨损；&&& 2．时有切头、切尾失效，切尾不断，甚至偶有反剪现象。&&& 一、曲柄式飞剪机构的运动学分析&&& 1.剪刃运行轨迹&&& 电机的转动力矩经行星减速箱传递给一对装在曲轴上的同步齿轮，使得曲柄式飞剪的下曲柄和上曲柄分别作顺时针和逆时针运动。在飞剪即将对轧件剪切时，把剪刃的所在位置记为s0，接着按上、下曲柄每转动5°为变量，分别将剪刃的相应位置依次记为s1、s2、s3……S72，直至上、下曲柄转完36°为止。最后将它们连接起来，得到两条封闭的近似椭圆的飞剪剪刃运行轨迹，如图1所示。&&& 2.剪切段剪刃的水平位移及其速度的变化&&& 曲柄式飞剪的曲柄静止时在固定位置，即在原始位置HP（见图1）。剪切时，曲柄从原始位置HP处以最大加速度加速，由定位控制系统控制运行至剪切位置CP，此时飞剪剪刃水平线速度υx即是轧件速度υm。正确的设计应使剪刃在剪切段作水平平移和垂直切进的叠加运动时，剪切无摆动。即剪刃的倾斜角β近似为零，同时飞剪剪刃以υp作恒速剪切至剪切完成位（CRDY），然后开始减速，由定位控制系统控制曲柄停止在HP位，等待下一次剪切。在实际剪切时，为弥补瞬间剪切速度降，通常需一过速因子，即υx=(1~1.05) υm。&&& 由于曲柄在剪切段是作恒速转动，故可用坐标法作出飞剪在剪切段的剪刃水平位移（six）一时间(t)表；列出剪刃在剪切段随时间变化的水平位移值six和剪刃在各时间段的水平均匀速度υix。剪刃倾斜角β值可以通过作图法实测得到。由此可知：&&&&(1)β角数据表明，从开始剪切的s0位到剪切结束的s10位（CP至CRDY之间），剪刃基本处于垂直位置，其最大偏摆角为0.959°，即剪刃倾斜度接近于零。因此，图1中υx也近似于υx′。&&&&(2)飞剪曲柄在剪切段作恒速运动时，飞剪刀刃在单位时间内的水平位移量是逐步递增的，即刀刃是在作加速运动，这对弥补或抵消剪切而产生的速度降是有益的。&&& 值得留意的是，过大的加速度会在剪切瞬间产生较大冲击，并在轧件内部产生过大的拉应力而影响轧件内在质量。生产过程中需要采用1.07~1.15大过速因子方能保证切头和碎断。说明飞剪在剪切期间存在非常大的速度降，因此有必要对电气控制原理和机构力能参数进行分析。&&&&二、电气控制原理和力能参数分析&&& 1．电气控制原理分析&&& 飞剪是通过电流、速度、位置环由内到外进行三环闭环控制的（见图2）。为了让飞剪剪刃在最短时间内从零加速到所需速度，在HP至CP剪切阶段电流调节器LT饱和，飞剪电机以电枢电流Idmax加速，在剪切位达到υp值，并以此速度进行剪切至剪切完成位；从CRDY到HP阶段以电流主回路反向的方式用－Idmax电流值进行减速制动，直至回回到HP位。每次剪切，圆周上各点位置及速度分别反馈给位置环和速度环。电流、速度调节器的控制过程由直流调速系统DCV700中的DDC（直接数字控制系统）完成，位置调节器在PLC260系统中由带微处理器的DS-DP140板通过POSR-H1和POSW-H1专用程序模块进行位置读写操纵，然后直接以模拟信号通过屏蔽双绞线传送到DCV700中的APC接口板进行速度分配，整个过程符合快速定位闭环最优控制的要求。下面仍借助图1以典型的切头、切尾动作来叙述飞剪控制原理。
&&& 飞剪切头、切尾动作的控制由长度时间预置、触发启动、剪切控制三大功能组成，其头、尾部剪切时间th、tt为：&&& 式中：L―HMD至剪切位CP的间隔m；&&&&&&&&&&&Lh―设定切头长度m；&&&&&&&&&& Lt―设定切尾长度m；&&&&&&&&&&&R―飞剪曲柄半径m；&&&&&&&&&& D―轧件直径m；&&&&&&&&&& S―上、下剪刃重叠长度m；&&&&&&&&&& υm―轧件速度m/s&&&&&&&&&&&Tf―飞剪从启动至CP位所需时间s。&&& 然而，预置时间的计算是不够精确的，由于MP260控制程序扫描至HMD信号变化距HMD检测到红钢后信号发生变化的具体时间有误差。这个误差是由PLC控制程序的执行时间引起的，如ABB系统中此值为200ms。为此，精确的头、尾剪切预置时间为&&&&&&& th′=th-△tl-△t2&&&&&&& tt′= tt-△tl-△t2&&& 式中：△tl―系统对HMD信号变化的采样时刻与HMD实际检测信号变化的时间差；&&&&&&&&&&△t2―飞剪启动时刻的滞后时间，一般为2~4ms。&&&&PLC260系统由START-H1专用程序模块对DSDP150计时板按th′ 和tt′ 的预置时间进行计数，到达预定时间后由DSDP150中的DO信号给DS-DP140板发出剪切启动命令进行剪切，运行过程中DSDP140通过POSW-H1专用程序模块给定位置，由POSR-H1获取飞剪位置反馈。电流反馈和速度反馈分别通过SCR桥中电枢电流互感器和安装在电机输出轴上的光电脉冲发生器获取。分析结果表明，电气控制正确可靠。&&&&2．力能参数分析&&&&在排除了飞剪电气控制上可能存在的题目后，再来分析机械与电气力能参数的匹配有无题目。&&&&通常情况下，飞剪在剪切一定断面的棒材时需要的剪切力矩M剪切是恒定的，剪切通过电机作功来完成。因此，在轧制速度一定的情况下，根据直流电机的基速以下恒力矩运行的特性，进步减速箱速比I值可以增大飞剪的剪切力矩，当然电机的转速也需成比例地进步。可以看出，钢厂现有的飞剪实际电机转速220r/min与电机基速780r/min差距非常大，从而极大地制约了该电性能力的发挥，造成飞剪剪切力矩不足，产生速降。正确的曲柄飞剪设计应使直流电机在恒力矩区域中靠近基速区域运行。&&&&三、改进措施&&& 1．进步减速箱速比，增大飞剪剪切力矩&&& 由于飞剪设计采用行星齿轮减速箱，受原减速箱机座号的限制，在不改造设备基础的条件下，将减速箱的速比由3.15进步到4.5，从而使剪切力矩相应进步了43%，电机在剪切段的实际转速达到314r/min。假如结合设备基础改造，减速箱速比可选取10，此时电机在剪切段的实际转速可达到700r/min左右，达到飞剪电机在恒力矩区域中靠近基速区域运行的要求，并使剪切力矩相应进步两倍以上。&&& 2．调整速度设置和切头、切尾长度&&&&(1)当剪刃磨损使重叠量消失，而切尾水平速度与轧件速度又正好相同时，便发生切尾不断。加大剪刃重叠度是不明智的。改轧件的切尾为“卡断”方式，把速度设置成切头时的0.75~0.80倍，确保剪刃的水平速度，题目便得到解决。&&&&(2)对飞剪切头、切尾的长度设置不当，或出钢节奏太快，红坯头追尾造成飞剪前测长热金属控测器HMD“0”、“1”信号切换困难，或控制程序在200ms的程序周期内不能分辨信号变化，会造成切头、切尾失效。解决的措施是，正确设置切头、切尾长度，出钢间隔控制在4s左右。&&&&3．减小过速因子，改进元件安装方式&&&&飞剪定位控制电路及其元件故障主要为DS-DP140定位控制板故障、定位脉冲发生器LPG故障等。特别是采用大过速因子剪切时，由于飞剪在剪切瞬间正负加速的剧烈变化，使机械零部件产生强烈振动，导致电控信号作为参考点的“Z”脉冲丢失，造成连切甚至反切。解决措施有：&&&&(1)减速箱速比进步43%，飞剪剪切力矩相应增大后，将切头时的过速因子设定在0.92~0.96之间，实际操纵时尽量取小值，从而使切头、切尾、碎断变得非常平稳，振动减小，机械非正常磨损、破断也随即消除；&&& (2)改进定位脉冲器LPG的安装方式，采用柔性联轴器联接，减少机械冲击振动对LPG的影响。&&& 四、结束语&&& 对曲柄式飞剪的机构运动学和自动控制原理进行分析研究，能为飞剪切头、切尾过速因子值的设定提供理论依据。上述在用的飞剪减速箱原速比3.15的选定系设计错误。因受条件限制速比只增大到4.5，虽非最理想值，但已能完全满足实际生产的要求。
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飞剪调试说明
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有关棒线材飞剪控制常见问题分析
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&&一​个​很​好​的​技​术​控​制
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