校直切斷機(jī)是用于將建筑鋼筋校直并切斷成設(shè)定長(zhǎng)度的加工設(shè)備。原設(shè)備的校直速度為30m/min, 最小切斷長(zhǎng)度為2m , 生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度較低。隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展, 對(duì)校直切斷機(jī)的性能、生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度均提出了較高的要求。由上海交通大學(xué)和錫山市蕩口通用機(jī)械廠聯(lián)合研制的高速自動(dòng)校直切斷機(jī)的校直速度為60m/min, 最小切斷長(zhǎng)度為0.8m , 切斷誤差為±5mm。其性能、生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度較原有設(shè)備有大幅度的提高。

1　提高速度帶來的技術(shù)問題

　　圖1 是校直切斷機(jī)的工作簡(jiǎn)圖。電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)校直輥將鋼筋校直, 當(dāng)校直長(zhǎng)度達(dá)設(shè)定長(zhǎng)度時(shí), 剪切缸帶動(dòng)切刀下行將鋼筋切斷, 然后, 落料缸帶動(dòng)落料架轉(zhuǎn)過一定角度實(shí)現(xiàn)落料, 原設(shè)備在切斷鋼筋后由重錘帶動(dòng)小車使切斷缸復(fù)位。由于這種靠慣性復(fù)位方式速度慢, 在切短長(zhǎng)度的鋼筋時(shí), 切斷缸不能及時(shí)復(fù)位。這是影響提高校直速度和降低切斷長(zhǎng)度的主要原因。另外, 由于在切斷瞬間鋼筋推動(dòng)切刀水平移動(dòng), 這使得切斷小規(guī)格鋼筋時(shí)易造成鋼筋彎曲, 影響加工精度。新研制的校直切斷機(jī)采用了跟切缸跟切, 也即在切斷后的瞬間, 跟切缸帶動(dòng)切斷缸水平右移, 以使切刀脫離運(yùn)動(dòng)著的鋼筋, 切斷缸再快速升起, 之后, 跟切缸將切斷缸拉回原位。在校直速度和切斷長(zhǎng)度的指標(biāo)要求中, 最苛刻的工況是以60m/min 的校直速度加工0.8m 的鋼筋時(shí)的工況,此時(shí), 每切斷一根鋼筋需0.8s, 這意味著在0.8s 內(nèi)切斷機(jī)要完成一個(gè)工作循環(huán)。因此, 提高系統(tǒng)快速性是設(shè)計(jì)高速自動(dòng)校直切斷機(jī)的關(guān)鍵因素。

圖1　校直切斷機(jī)工作簡(jiǎn)圖

2　系統(tǒng)組成及原理

2.1　液壓系統(tǒng)

　　液壓系統(tǒng)原理如圖2 所示。圖中1、2 為雙聯(lián)液壓泵。切斷缸9 下行時(shí), 電磁鐵8 斷電, 高壓小流量泵1 和低壓大流量泵2 同時(shí)對(duì)切斷缸供油, 使其快速下行。切斷鋼筋時(shí)負(fù)載壓力升高, 單向閥6 閉合,僅由高壓小流量泵供油。切斷后, 泵2 為跟切缸10供油, 使跟切缸快速跟切及返回。閥4 用于系統(tǒng)短時(shí)不工作時(shí)對(duì)大流量泵卸荷。由于跟切和落料動(dòng)作幾乎同時(shí)進(jìn)行, 高速切斷時(shí)兩缸所需流量均較大, 故此, 落料缸12 采用液壓泵獨(dú)立供油, 以避免泵的流量過大和兩個(gè)液壓系統(tǒng)的相互干擾。節(jié)流閥14 用于調(diào)節(jié)落缸的工作速度。

圖2　液壓系統(tǒng)原理圖

2.2　電氣控制系統(tǒng)

　　電器控制原理如圖3 所示。由于校直用電機(jī)和用于切斷及跟切的液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率較大,為了減小啟動(dòng)過程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊, 采用了SMC即電機(jī)軟啟動(dòng)器進(jìn)行軟啟動(dòng)。隔離變壓器用于對(duì)SMC 提供控制電壓。整個(gè)電氣系統(tǒng)由PCC(Programming Computer Controller ) 進(jìn)行控制。PCC 是近年發(fā)展起來的一種新型可編程控制器,PCC 和傳統(tǒng)的PLC 的主要區(qū)別在于PCC 可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)處理, 即根據(jù)控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求不同, 將任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間設(shè)定在不同的級(jí)別, 以保證對(duì)實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)模塊及時(shí)得到處理。本系統(tǒng)中PCC 模塊配置如圖。CP774 是CPU 模塊, 也是PCC的核心模塊。DI135 是高速計(jì)數(shù)模塊。校直輥在校直鋼筋的同時(shí), 帶動(dòng)光電型位置傳感器, 位置傳感器的信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器放大整形后送入DI135 模塊, 對(duì)被校鋼筋長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)。DO435 是直流輸出模塊,其輸出觸點(diǎn)控制中間繼電器, 中間繼電器輸出觸點(diǎn)控制電磁閥的動(dòng)作。DO720 是交流輸出模塊, 其輸出觸點(diǎn)控制交流接觸器的控制線圈, 通過交流接觸器實(shí)現(xiàn)對(duì)3 臺(tái)電機(jī)的啟停控制及校直電機(jī)的高低速控制。DI439 是輸入模塊, 手動(dòng)按鈕主要用于系統(tǒng)的調(diào)試。PaneIWare 是與PCC 配套的人機(jī)交互設(shè)備,通過RS232 通訊電纜與PCC 交互信息。通過PaneIWare 的面板鍵和顯示屏可設(shè)定被加工鋼筋的規(guī)格、切斷長(zhǎng)度、切斷根數(shù)等。

1、2、3. 電機(jī)　4. 接觸器系統(tǒng)　5.SMC　6. 保護(hù)裝置  7. 隔離變壓器　8、9. 開關(guān)電源　10～ 14. 固態(tài)繼電器  15～ 20. 電磁鐵　21～ 29. 接觸器控制線圈　30.CPU模塊　31.DI135　32.DI439　33.DO435　34.DO720  35. 手動(dòng)按鈕　36. 光電轉(zhuǎn)換器
圖3　電氣控制系統(tǒng)原理圖

3　設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選取剪切缸的直徑, 因?yàn)樵诒昧髁恳欢ǖ臈l件下, 剪切缸的直徑?jīng)Q定了剪切速度和剪切力。剪切力包括靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力, 雖然增加剪切缸的直徑可以增大靜態(tài)剪切力, 但由于速度的降低而使動(dòng)態(tài)剪切力減小、運(yùn)動(dòng)時(shí)間加長(zhǎng), 同時(shí)缸的直徑增大使響應(yīng)速度降低。若在增大靜態(tài)剪切力的同時(shí)不使動(dòng)態(tài)剪切力減小、不使運(yùn)動(dòng)時(shí)間加長(zhǎng),勢(shì)必要增大泵的流量, 泵流量的增大使得功率增大,從而又會(huì)要求油箱的體積增大、加強(qiáng)散熱等一系列設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)問題。因此, 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜, 將另文論述之。電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮校直電機(jī)、軟啟動(dòng)器、中間繼電器等的合理選擇以及應(yīng)用軟件的編制。

3.1　校直電機(jī)和軟啟動(dòng)器的選擇原則

　　電機(jī)的選擇除考慮功率因素外, 還要考慮和軟啟動(dòng)器配合時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因校直機(jī)的負(fù)載屬恒轉(zhuǎn)矩型, 軟啟動(dòng)器的初始轉(zhuǎn)矩設(shè)定應(yīng)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩, 也就是說軟啟動(dòng)器的初始相電壓應(yīng)大于某確定值。若設(shè)定其初始相電壓和全壓之比為0.5, 因電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩正比于下式, 即

式中　M i——電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩;U i——初始啟動(dòng)電壓；U e——啟動(dòng)結(jié)束時(shí)的相電壓(全壓)。

　　經(jīng)推導(dǎo), 電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足下式:

M i > 0.25M L

式中　M L——負(fù)載轉(zhuǎn)矩
　　電機(jī)功率確定后, 考慮到負(fù)載特點(diǎn)和工作環(huán)境等因素, 軟啟動(dòng)器應(yīng)按電機(jī)功率上浮一檔選取。

3.2　中間繼電器和加速二極管的選擇

　　電磁鐵是感性元件, 通斷延時(shí)和回路的阻抗成反比, 因此, 其保護(hù)電路不能采用RC 電路, 應(yīng)并接加速二極管(參見圖3)。和二極管串接的電阻是用于減小斷電延時(shí)的, 但使斷電時(shí)電磁鐵的最大反電勢(shì)有所增加。二極管的反向耐壓要大于umax

式中　R 2——二極管支路串接電阻； R 1——電磁鐵線圈電阻；U ——供電電源電壓

　　由于機(jī)械式繼電器通斷延時(shí)大, 應(yīng)選擇固態(tài)繼電器(通斷延時(shí)約2～ 3ms)。固態(tài)繼電器的選擇要考慮吸收浪涌電壓的能力, 繼電器允許的浪涌電壓要大于電磁鐵通斷過程中的最大反電勢(shì)umax。

4　編程要點(diǎn)

　　由于PCC 的系統(tǒng)軟件支持多任務(wù)處理, 本設(shè)計(jì)中按工藝流程應(yīng)實(shí)現(xiàn)的控制功能將整個(gè)控制過程劃分成14 個(gè)任務(wù)模塊(程序模塊) , 其中主要有參數(shù)讀取模塊、自動(dòng)切模塊、自動(dòng)跟切模塊、自動(dòng)落料模塊、自動(dòng)停車模塊、速度控制模塊、連續(xù)切控制模塊等。這14 個(gè)模塊根據(jù)實(shí)時(shí)性要求的不同, 又劃分為3 個(gè)任務(wù)級(jí)別。由于自動(dòng)切模塊除了控制切刀的動(dòng)作外,還負(fù)責(zé)接收計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值, 將其設(shè)置為任務(wù)級(jí)別最高的任務(wù)模塊, 其執(zhí)行周期最短, 從而將計(jì)數(shù)誤差控制到最小限度。而讀取參數(shù)模塊是讀取操作人員輸入的加工參數(shù)設(shè)定值, 對(duì)實(shí)時(shí)性要求較低, 可以將其設(shè)定為低級(jí)別的任務(wù)模塊, 加大執(zhí)行周期, 以減輕對(duì)CPU 的壓力。CPU 是否過載應(yīng)按下式校核。

入﹦Ti/TT × 100%

式中　入——某任務(wù)對(duì)CPU 的負(fù)載度
　　Ti—— 該任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間(ms) , 由Profiler軟件測(cè)定
　　TT ——該任務(wù)所處任務(wù)級(jí)別的周期(ms)

5　結(jié)束語

　　高速自動(dòng)校直切斷機(jī)除液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)外, 電氣控制系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)也是提高切斷精度、響應(yīng)快速性和可靠性的重要措施。電機(jī)和軟啟動(dòng)器的合理選型及配合可以在滿足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的同時(shí), 減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊; 中間繼電器及電磁鐵加速元件的合理選取是保證系統(tǒng)快速響應(yīng)的主要途徑, PCC 的硬件模塊配置和軟件模塊編制及任務(wù)級(jí)別的劃分也是提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和控制精度不可忽視的主要因素。高速自動(dòng)校直切斷機(jī)在性能、生產(chǎn)效率和人機(jī)界面的友好性上比原有設(shè)備有較大幅度的提高。

　　貝加萊（B&R）工業(yè)自動(dòng)化是<