飞剪机精度控制的改进

飞剪机精度控制的改进

蔡玉强1,刘宝林2,玄兆燕1

(1.河北理工学院机械系,河北唐山063000;2.唐山钢铁集团有限责任公司)

[摘　要]唐钢一轧厂在提速改造工程中启用从瑞典引进的飞剪机,实现定尺剪切,为满足生产工艺要求对其控制系统进行了改造。为提高飞剪的剪切精度,针对影响飞剪剪切精度的因素,采用双热金属探测器测定轧件速度,动态控制飞剪的启动时机,实现对轧件剪切长度的控制,并经过多次试验,采用半差调节法对剪刃停止位置偏差进行闭环调整,使轧件的剪切精度控制在±6cm的范围内,提高了产品产量和成材率。

[关键词]飞剪;剪切精度;轧件速度;剪切长度;停止位置偏差控制

[中图分类号]TG333.2+1;TG334.9　[文献标识码]A　[文章编号]100027059(2003)0320024204

Improvement of flying shear accuracy control

C AI Y u2qiang1,LI U Bao2lin2,X UAN Zhao2yan1

(1.Mechanical Dept of Hebei T echnology Institute,T angshan063000,China;2.T angshan Iron and S teel G roup C o Ltd) Abstract:Flying shear im ported from S weden is used to realize bar cutting for the rolling speed increased reformation in T angshan Iron and Steel G roup C o Ltd.Its control system is changed to meet the production demand.In order to im prove the cutting accuracy,tw o hot metal detectors are used to detect the bar speed aiming at the in fluence factors of cutting accuracy.The cutting start time and cutting length are dynamically controlled.A fter several experiments,a method called half tolerance m odulation is adopted to closely regulate the stop position tolerance of share blade.Eventually the tolerance is within6cm.The product output and economic benefits are im proved.

K ey w ords:flying share;cutting accuracy;bar rolling speed;cutting length;stop position tolerance control

提高轧件的剪切精度是飞剪控制的关键。唐钢一轧厂进行了提速改造,精轧机速度由8m/s提高到13m/s,位于精轧机与冷床之间久已闲置不用的飞剪必须启用并完成轧件的定尺剪切,于是唐钢计控处和一轧厂对飞剪的电气控制系统进行了相应的改造。

1　飞剪的组成及工作原理

飞剪从瑞典M orgardshammar公司引进,由3部分组成:机械系统、气动系统和电控系统。系统组成如图1所示。

1.1　机械系统

飞剪由一连续运转、速度可调的交流电动机变频驱动,通过三角带传动,带动大带轮(兼作飞轮用)空转,上、下剪切轴由气动制动器控制不动。当需要剪切时,装在上剪切轴上的气动离合器动作,将大带轮的转动传递给上、下剪切轴。上、下剪切轴上分别装有带剪刃的上、下剪刀架,上、下剪刀架以同样的速度旋转实现对钢材的剪切。剪切完毕后,上、下剪刃停在原始位置。

1.2　气动系统

气动系统控制离合器和制动器的工作状态。它由压缩机、储气罐、安全阀、压力表、过滤器、电磁换向阀等组成。制动器气囊充气时下剪切轴被制动不转,放气时制动被释放。离合器气囊充气时上剪切轴与大带轮一同旋转,放气时大带轮在上剪切轴上空转。

[收稿日期]2002207218;[修改稿收到日期]2002208218

[作者简介]蔡玉强(19672),男,河北唐山人,高级工程师,硕士,主要从事机械设计、机电控制的研究及教学工作。

1.3　电控系统

飞剪的电控系统采用三菱FX2N 280MR 可编程控制器和日本安川PG 615变频器,如图2所示。为了判断钢的运行速度,在飞剪前后布置了两个热金属探测器H MD1和H MD2。为了判断飞剪剪刃的位置,在下剪切轴上设有绝对位置脉冲发生器(码盘),下主轴旋转一周,码盘向P LC 提供512个相对脉冲,并可提供512个绝对位置的葛雷码。变频器用来调整飞剪电机的转速,剪切速度跟随和超前末架轧机出口轧件速度。

生产过程中交流电机拖动储能飞轮长期运转,速度超前轧件速度,其值由操作人员根据经验在变频器上给定。每剪一次,由气动离合器联接飞轮与主轴,从而产生剪切轴的旋转运动,剪切之后,离合器脱扣,制动器对剪切轴施加制动,使剪刃停于初始位置。这样,每剪一次,剪切轴就旋转一周。但剪刃的起动、停止位应保持固定。剪机

的循环定位、切头/定尺长度和信号报警等由P LC 控制

。

1.4　飞剪控制系统功能

(1)监测离合器、制动器所需驱动空气压力,

低压时报警停机;

(2)监测循环润滑油压力,低于设定值时报警停机;

(3)监测变频器状态,变频器故障时报警停机;

(4)手动试切和自动剪切时,剪刃自动停于合

理位置;

(5)显示剪刃绝对位置、轧件速度等控制参

数;

(6)可分别选择切头及定尺功能,定尺长度可

在20～99.9m 内任意设定;

(7)剪切次数可人工设定。1.5　剪切周期

剪切信号发出→释放制动器→50ms 后,离合

器吸合→剪刃加速到轧件速度→剪切发生→离合器脱离→40ms 后,制动器吸合→剪刃减速制动,回到原始位置。

剪刃的运动可分成3个区域:加速启动区,匀

速运行区,减速制动区。在匀速运行区还有一个10°左右的剪切区,这是因为轧件具有一定的厚度。剪切过程从100°左右开始(设剪刃的理想停止位置为剪刃运行的初始位置,对应的角度为0°,对应的脉冲数为“000”),直到115°轧件完全被剪断。对于不同直径的轧件,这个剪切区会有所不同。由于飞剪是靠大飞轮拖动同步齿轮,齿轮再带动剪刃机构。因此,一旦加速到轧件速度,剪切时就可以认为剪刃的速度不变。整个剪切周期为215ms,其中启动区55ms,制动区55ms,运行区为105ms。另外,为了防止离合器、制动器同时动作时损坏机械,两者的动作顺序及间隔必须按一定要求去做。启动时,制动器脱扣50ms后,离合器吸合,剪刃运转。停车时,离合器脱扣40ms后制动器吸合,剪刃回到初位。这两个时间由P LC中两个ms定时器完成定时。

2　飞剪精度控制的实现

要提高被剪切件的精度,必须做到以下3点:准确测定轧件速度;准确把握剪切时机;对机械系统、气动系统、电控系统的影响所造成的剪刃停止位置误差进行调整。

2.1　飞剪剪切速度设定

飞剪剪切速度根据最后一架精轧机的轧制线速度进行折算,算出相应的频率,通过变频调速器控制面板上的电位器进行设定。该设定值允许有一定的偏差,但偏差不能太大,否则会出现下述情况:飞剪的剪切线速度大于轧件速度时,剪切时会出现拉钢现象;小于轧件线速度时,会出现剪切断面弯头甚至堆钢现象。由于轧辊的辊径是变化的,所以轧制线速度是一个变值。考虑到轧辊辊径变化速度不是太快,可在每班早停车时间对飞剪电机的速度进行设定,轧辊辊径大小与对应的频率值由技术人员计算给定,为保险起见应做相应的试切。

2.2　轧件速度测定

在速度测定的方法中,常有利用轧机上的测速装置和轧机出口后的在线测量辊配合轧线上安装的一个热金属探测器来完成,但由于轧件前滑、轧辊磨损、轧件与测量辊之间打滑以及电气的影响,使测得的数据与实际钢速有一定误差,从而影响剪切长度的准确性。该厂改进的方法是在轧线上飞剪前后布置两个热金属探测器H MD1和H MD2,准确测出轧件实际的运行速度。两热金属探测器相距L01=19.74m,如图3。当H MD1检测到轧件头部时,启动P LC中精度为0.1ms的定时器,当H MD2检测到轧件头部时,停止定时,读出时间t,则速度V=L01/t(m/s)

。

2.3　剪切长度控制

定尺的长度L1由三位拨码开关S5设定,当轧件到达H MD2时,P LC完成该轧件的测速,此时,已有L02=16.14m轧件通过剪切点。为切得L1米长的轧件,还要等待一段时间,当切断点到达剪切点时将轧件切断。由于飞剪从发出启动信号到剪切发生有一个总滞后响应时间,这个时间包括剪刃从停止位转到剪切点需要的时间T1以及电器元件、气动元件电磁换向阀和机械传动件的滞后响应时间T2,所以剪刃必须在切断点到达剪切点前启动。从完成测速到发出启动剪刃运转信号间的延时时间T为

T=(L1-L02)/V-T1-T2(1)

无论轧件的直径是多少,理论上均是在剪切点(绝对位置相对脉冲数163,角度115°)被剪断,由于剪刃的启动点(停止位)不同,T1在每次剪切过程中不会完全相同。所以为达到高精度剪切必须计算T1。设计思想如下:

在启动剪机的同时,启动计时器和相对脉冲计数器,分别在相对脉冲数达100和150时读取计时时间t100和t150,然后计算每脉冲的时间值(t150 -t100)/50,设d为剪刃停止位与0位的差,则T1按公式(2)计算:

T1=t100+(163-100-d)(t150-t100)/50(2)

T2可以在现场调试时确定。

2.4　飞剪剪刃停止位置调整

飞剪上、下剪刃停止位置的准确与否不仅影响剪切精度,而且还可能由于剪刃停止位过于接近剪切位置,剪切时剪刃不能加速到轧件速度,而造成剪前堆钢事故,所以人们希望每次剪切循环完成后,剪刃能准确地停止在预定的位置。但在实际运行过程中,由于制动器、离合器摩擦片温度

的变化和压缩空气压力变化等因素的影响,剪刃实际停止位置常与预定的位置有一定的偏差而影响剪切精度。所以在控制系统中,采取了以下措施对此偏差进行修正。

(1)剪刃误差补偿

剪切时位置编码器随下剪切轴旋转,旋转一周输出512个脉冲,这样相当于将一周分为512个等份,脉冲数量与剪刃位置建立了一一对应的关系。由前面的分析可知,在理想状态下,存在某一位置,在这个位置时松离合,延时40ms 后加制动,剪刃恰好停在0位(剪刃预定停止位置,编码器输

出脉冲数为“000”),这一位置称为理想松离合位置。在生产过程中,由于存在各种因素的干扰,即

使找到理想松离合位置,剪刃也不可能每次都停在0位。在程序设计中,我们设任一位置为松离合位置W ,一次试切后,剪刃停在某一位置,与0位的偏差为d ,下次剪切取W +d/2为松离合位置W ,依此类推,经过几次试切,实际松离合位置会逐渐逼近理想松离合位置,剪刃定位逐渐逼近0位。这种控制算法称之为偏差半数调整法。在实际运行中,若下次剪切取W +d 为松离合位置W ,则一旦各种随机因素造成的运行偏差与这个人为调整偏差d 迭加,将会出现难以预料的更大偏差。

也就是如果每次松离合位置的调整量都很大的话,就会因为给定松离合位置的变化率太大造成调整困难,而过小又会使调整缓慢。

系统改造前剪刃定位在+50～-50(相对0位的脉冲数)之间为正常,采用上述偏差半数调整法后,剪刃一般定位在+6～-6。而且停止位置偏差的调整很快。

(2)缩短扫描周期

剪刃的起停由P LC 控制,P LC 扫描周期的长短,对高速旋转的剪刃定位存在着不可忽视的影响。P LC 平均扫描时间为5ms ,在5ms 内剪刃可转过十几个脉冲。在程序设计中,进入剪切周期时,可以忽略与剪切周期无关信号的检测,使扫描周期缩短为1.2ms ,进一步提高了剪刃定位精度。剪切周期只有200ms ,在此期间忽略其它信号的检测,不会造成不良影响。

3　结论

2000年5月,该改造工程正式投产运行,经过1年的运行,飞剪运转良好,飞剪故障停机时间大

幅度下降,保证了生产的正常进行。其剪切长度准确,实践证明此设计方法定尺剪切相对误差在±6cm 内,达到生产工艺要求,而且提高了棒材成材率和定尺率,经济效益显著。

[编辑:沈黎颖]

(上接第11页)

所有上述过程、联锁均由P LC 执行,生产时,转炉操作员操作主令控制器并通过P LC 进行操作

。

(待续)

[编辑:初秀兰]