楊家滿

寶武杰富意特殊鋼有限公司

摘要:指出特棒廠液壓剪原設計存在的問題及改進方法。并介紹利用激光測速儀控制系統的非接觸式鋼坯自動定尺剪切割系統組成、系統原理的成功應用以及改造效果。

關鍵詞: 鋼坯；剪切系統；非接觸式；定尺精度

1  概述                                                           

大棒液壓剪是軋制生產線上用于軋件頭部剪切和定尺分斷的重要生產設備,能否快速準確地剪切是影響軋制生產效率、產品質量、成材率等經濟技術指標不可忽視的因素。本文以特棒廠液壓剪為實踐對象, 在剪切鋼坯的過程中造成定尺長度波動的原因進行分析和研究，對液壓剪機的行走控制系統進行改造，采用了國內先進的非接觸式鋼坯自動定尺剪切系統,完善了設備性能，提高設備自動化程度和經濟效益。

2  剪切系統存在的問題                                                                        

2.1棒材在軋制生產過程中,連鑄坯經過開坯機組開坯軋制成方坯后,頭部常常出現舌頭形、魚尾形等現象缺陷,同時方坯在通過輥道運輸進入后序連軋機組過程中受到空氣和冷卻水的影響,坯料的頭部溫度往往都會偏低,所以根據工藝需求,連鑄坯在開坯機軋制后要由設置在連軋機組前的液壓剪對其頭部進行切除方能進入連軋機組進行軋制來保證成品的成材質量和工序的穩定性，但在液壓剪完成對坯料頭部剪切后,常常出現切頭坯料留在液壓剪的下刀座上,導致切后的鋼坯無法正常通過液壓剪進入連軋機組,嚴重影響了軋制工序節奏。為此,生產企業只能配置專人采用人工方式利用鉤子將切頭鉤出刀座的方法，然后再讓鋼坯通過液壓剪進入連軋工序。如圖1所示

圖1 液壓剪切頭后留下刀座上問題圖

2.2根據生產工藝或客戶需求,連鑄坯經過開坯機組開坯軋制成方鋼坯后,需要采用液壓剪機組進行定尺分斷,但原液壓剪在定尺剪切系統設計采用固定式升降擋板或移動式定尺機來實現剪切機組的定尺剪切功能。采用固式擋升降擋板只能定一種規格長度,無法滿足生產需求,采用移動式定尺機理論上可以定多種規格長度,但由于在生產過程中因鋼坯和輸送輥道之間的出現上下跳動的情況和鋼坯在輸送輥道上的速度無法相匹,造成鋼坯對定尺機沖擊相撞滑動不可避免形成相對位移,這就造成測長定尺的誤差較大,通常在分斷后需人員復查定尺長度來重新設計輥道速度; 另外,當鋼坯和輸送輥道上的速度控制不好時,經常撞壞定尺機,導致定尺剪切機的測量系統無法使用。這種采用人工進行剔除坯料切頭和人工復查鋼坯定尺數據的工作方式一方面增加了工人的勞動強度,存在安全生產的隱患,另一方面大大影響了生產節奏,直接影響整條產線的產能釋放。如圖2所示

                                                   
圖2 人工復查鋼坯定尺數據圖

3. 改進措施

3．1 方案選擇

針對上述問題,特棒廠利用年修時段確定以技術先進、投資少、見效快、經濟實用的激光測速/測長儀的非接觸式鋼坯自動定尺剪切系統替代原有鋼坯定尺剪切控制系統,系統采用激光金屬檢測器和位移感應器及激光測速儀對鋼坯切頭和自動定尺控制系統及配套設備進行了優化改造。

3．2系統組成

該系統主要由三部分組成：測速部分、數據處理部分和輥道運行控制系統部分液壓剪部分。如圖3所示

圖3 新型液壓剪剪切系統控制結構圖

1)測速部分包抬溦光多普勒檢測儀和激光金屬檢測。溦光多普勒檢測儀是利用光學多普勒效應通過檢測物體中跟隨物體一起運動的散射光對物體速度進行測量的測速技術；激光金屬檢測激光式用于精確探測鋼坯頭尾的位置,當激光式金屬檢測器檢測到鋼坯時,將檢測信號反饋至定尺剪切控制系統,剪切控制系統會自動根據金屬檢測器信號和激光測速儀的實時速度信號實現剪切區域內鋼坯頭尾速度和位置的可靠跟蹤和修正；數據處理部分就是從激光傳感器出來的多普勒光譜信號擁有與被測鋼坯速度相對應的頻率。

2)數據處理使用高性能的數據信號處理器,通過分解的方法來計算多普勒信號,信號處理器能夠實時撲捉到鋼坯表面的光束變化情況,在短時內鎖定鋼坯表面速度,并將所有信號進行有效地整合與處理，對鋼坯移動速度進行積分運算,得出被測鋼坯的長度值,并通過Profibus-DP直接將計算出的鋼坯長度信息送入液壓剪控制系統,以確保剪切精度滿足工藝要求。

3)輥道運行控制系統部分通過熱金屬檢測器和激光金屬檢測器分別控制機后延伸輥道組、剪前和剪后輥道機組輸送鋼坯的運行速度。

首先在液壓剪剪前輥道區域安裝一個激光金屬檢測器,然后在液壓剪機架上安裝了激光測速儀;接著液壓剪剪切行程的限位感應裝置上增設中位限位感應器,最后將液壓剪剪切控制系統和激光測速儀控制系統與軋鋼機組PLC控制系統整合并在同一網絡構架內,由PLC控制系統對剪切模式對液壓剪進行控制,實現鋼坯自動測長,長度數據實時反饋,鋼坯自動定位,最終實現自動剪切功能。                                                                           

3．3 激光測量原理系統原理

1)該系統采用先進的激光多普勒法測速技術(非接觸式)在線識別鋼坯的長度,自動控制剪切機定尺剪切鋼坯,檢測,顯示運行狀態。熱金屬檢測器機固定在機后延申輥道組和剪前輥道組線側邊之間采集運行鋼坯的圖像信息;激光金屬檢測器設置在剪前和剪后輥道組之間,用于精確探測鋼坯頭尾的位置,當激光式金屬檢測器檢測到鋼坯時,將檢測信號反饋至定尺剪切控制系統,剪切控制系統會自動根據金屬檢測器信號和激光測速儀的實時速度信號實現剪切區域內鋼坯頭尾速度和位置的可靠跟蹤和修正，控制鋼坯剪切過程運行速度信息,信息進入軋鋼PLC控制系統自動控制液壓剪定尺剪切鋼坯檢測、顯示運行狀態和速度。

2)多普勒測速系統的原理可從激光的干涉效應方面分析,根據光的干涉理論,在交角為2的2束激光交疊處將形成亮暗相間的疊柵條紋，條紋面與入射光所在平面垂直,干涉條紋的移動速度和鋼坯通過2束激光交點的速度成正比,通過接收光譜,記錄干涉條紋的移動速度,就可以精確地確定鋼坯的移動速度。條紋間距為△s=λ/2sin?,是一個系統常數，該常數取決于波長入和2條激光束的夾角2?。由于在配置LSV控制器時,條紋間距△s=λ/2sin?將自動存儲在處理器的內存中作為標準常數,因此它是計算測量值的基準。如圖4所示

      
圖4激光測量原理圖        
?-激光束與中心線的夾角;V-鋼板運動速度;△s-激光干涉條紋間隔;ƒ-激光測速儀測量頻率;ƒЬ-激光測速儀測量頻率偏移量

4.自動定尺工作原理

4.1在檢測器安裝完成后首先測量出剪刃和激光金屬檢測器之間的安裝距離L,當激光金屬檢測器檢測到鋼坯時,及時將檢測信號反饋至定尺剪切控制系統和激光測速儀,激光測速儀實測的長度信號通過Profibus-DP通信將數據傳給定尺剪切控制系統,定尺剪切控制系統根據所得數據計算出鋼坯頭部距定尺剪剪刃的距離。定尺剪控制系統將鋼坯的計劃長度信息與反饋實時計算的鋼坯實際長度進行實時比較,實現了送板輥道的自動停止功能,當鋼坯在輥道上自動停穩后,定尺剪控制系統自動啟動剪切功能,最終實現了自動剪切功能。如圖5所示。

如圖5自動定尺工作原理

L-計劃設定定尺長;Lo-定尺剪中心線到激光金屬檢測器的距離;ΔP-到目標長度剩余距離;ΔL激光測速儀反饋鋼坯長度度

4.2剪切方式

當軋制鋼坯經過開坯機粗軋后經延伸輥道輸送到剪前輥道組時，設置在剪前輥道組側邊的金屬檢測器將檢測到的軋件信號發送給軋鋼PLC控制系統，控制系統序瞬時啟動剪前輥道組的運行同時調整延伸輥道組的速度與其同步運轉。

當軋件部進入到液壓剪通道即將到達剪位置時，由設置在液壓剪上的激檢測速儀根據設定剪切長度將檢測到的鋼坯運行長度數據傳到軋鋼PLC控制系統發給剪切控制系統,剪切控制系統對剪前輥道組發出停止輥道運行立即啟動液壓剪對軋件剪切。

當液壓剪按照軋鋼PLC控制系統完成對坯料切斷后，設置在下刀座上的移動感應裝置與控制液壓剪下刀座行程的高位傳感器將產生感應信號并將信號返饋給液壓系統控制模塊，液壓系統控制模塊就會向液壓控制系統發出停止刀座運行并同時啟動退回刀座的指令。在液壓剪下刀座按照設置的指令下降退回過程中，當其上設置的移動傳感裝置與設置在限位感應裝置上的中位感應器產生信號時,移動傳感裝置瞬時將信號反饋給液壓控制系統發出停止液壓剪運行指令并將信息發送給軋鋼PLC控制系統，PLC控制系統接到信息后立即對輥道控制系統發出啟動剪前和剪后輥道組運行的指令。在剪前輥道將軋件傳遞到剪后輥道通過液壓剪時，軋件頭部正好將留在下刀座上的切頭坯料推倒并順著運行方向落入到收集槽，軋件就通過液壓剪繼續向連軋機組運行直至尾部離開剪切位置。

當軋件尾部離開剪前輥道組位置時,金屬檢測器將信號發送到軋鋼PLC控制系統，PLC控制系統立即向液壓控制系統發出繼續退回刀座的指令,直至位移感應裝置與低位感應器產生信號并將信息返饋給軋鋼PLC控制系統，軋鋼PLC控制系統重新啟動程序等待下一件軋件的到來。

5  使用效果 

改造后的液壓剪剪切控制系統順利實現了自動剔除切頭坯料和自動測量鋼坯長度的定尺剪切功能,系統采用數據自動處理和自動控制等技術,大大提高了液壓剪定尺的效率,其設計合理,運行穩定可靠,便于操作維護和控制,徹底解決了原定尺控制剪切系統精度低問題;同時采用自動測量反饋技術后,減少了人工剔除切頭和測量成本,避免了人工出錯因素,減少了質量異議,具有安全和減輕了操作工的勞動強度。另外,改進后簡化了操作工序和減少人力資源的配置成本低等優點,在實際應用中取得了良好的效果,為制造企在棒材生產中充分挖掘機組潛能,進一步提高軋制品種成材率提供了有效的技術手段。

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