線棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)

王 倫

（濟(jì)鋼集團(tuán)國(guó)際工程技術(shù)有限公司 山東 濟(jì)南 250000）

棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)分隔問(wèn)題一直是困擾我國(guó)棒材生產(chǎn)企業(yè)的一個(gè)難題，即使在世界范圍內(nèi)也未能得到很好地解決。 目前我國(guó)棒材生產(chǎn)企業(yè)普遍采用人工計(jì)數(shù)方法。 該方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，系統(tǒng)生產(chǎn)能力有限，而且準(zhǔn)確性難以保證。 針對(duì)這種情況，通過(guò)采用現(xiàn)代化手段和技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)出適合我國(guó)鋼鐵企業(yè)的棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)，可以有效提高勞動(dòng)生產(chǎn)率， 把工人從繁重的體力勞動(dòng)和惡劣環(huán)境中解放出來(lái)，力求為企業(yè)提供高科技設(shè)備。

針對(duì)軋鋼廠棒材生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀，為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化打捆包裝要求，利用綜合圖像識(shí)別、機(jī)械系統(tǒng)、光電檢測(cè)和控制技術(shù)開發(fā)出一種機(jī)電一體化裝置，實(shí)現(xiàn)了棒材生產(chǎn)線計(jì)數(shù)定支環(huán)節(jié)機(jī)械化和自動(dòng)化操作。 本論文主要對(duì)其機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)制造。

現(xiàn)階段我國(guó)眾多軋鋼廠生產(chǎn)的棒材主要采用光電管和人工計(jì)數(shù)。

圖1 振動(dòng)分離裝置示意

由于人工計(jì)數(shù)頻頻出現(xiàn)誤差，光電管又存在易損精度不高的缺陷，棒材計(jì)數(shù)已成為國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)急需解決的實(shí)際問(wèn)題， 企業(yè)迫切需要新型的自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置來(lái)給出相對(duì)客觀、穩(wěn)定、一致的檢測(cè)結(jié)果。 為了方便使用棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)方法采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)，克服技術(shù)局限和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響，實(shí)現(xiàn)真正意義上的在線自動(dòng)計(jì)數(shù)，我們采用適合企業(yè)的振動(dòng)臺(tái)將棒材打散均布，然后計(jì)數(shù)。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的不確定因素和隨機(jī)出現(xiàn)的各種問(wèn)題可能會(huì)影響裝置的實(shí)現(xiàn)，因而做出相應(yīng)的假設(shè)。 振動(dòng)臺(tái)有很多種，有液壓振動(dòng)臺(tái)，電磁振動(dòng)臺(tái)和機(jī)械振動(dòng)臺(tái)，鑒于鋼廠的工作環(huán)境比較惡劣，而振動(dòng)精度并不很高，因此，我們選擇機(jī)械振動(dòng)臺(tái)。 示意如下圖1。

因?yàn)榘舨谋容^長(zhǎng)，為了能夠把棒材擋住，此振動(dòng)臺(tái)裝置應(yīng)不少于三個(gè)，在計(jì)數(shù)鏈條臺(tái)架的兩端和中間各安裝一個(gè)。

本裝置采用三個(gè)臺(tái)面尺寸為500×500×20，平均安放在軌道之間，其簡(jiǎn)介如下：振動(dòng)臺(tái)總體由振動(dòng)臺(tái)、減速機(jī)、電機(jī)組成，振動(dòng)臺(tái)500×500×400，三個(gè)裝置放在同一架臺(tái)上，安放在鋼材之間，架臺(tái)用地角螺釘固定于地面。 因?yàn)殇摬谋容^長(zhǎng)，所以采用三套裝置，均勻放置。 為了防止振動(dòng)臺(tái)太振動(dòng)時(shí)發(fā)生偏離卡死，選擇采用16 個(gè)小軸承進(jìn)行上下左右的限位，并且在振動(dòng)架上開有溝槽，可以成功限定其行程，軸承外有自制軸套，用螺栓限定軸承位置，保證能夠固定且正常滾動(dòng)，這是總體設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一；現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，選擇采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸，連桿帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)直接激振，使棒材分離，這也是設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一。 機(jī)械振動(dòng)臺(tái)總體設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 振動(dòng)臺(tái)總裝示意

結(jié)構(gòu)的機(jī)械振動(dòng)分離臺(tái)是用位移激勵(lì)形式，使臺(tái)面振動(dòng)的，空載或具有剛性負(fù)載的臺(tái)面。

臺(tái)面的振動(dòng)頻率ω， 是通過(guò)調(diào)節(jié)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整的。臺(tái)面的振動(dòng)頻率的范圍，主要是根據(jù)軸承、連桿等傳動(dòng)件的強(qiáng)度， 馬達(dá)的轉(zhuǎn)速及所需要的振幅確定的， 一般為10～100赫。

臺(tái)面振幅的大小，可以通過(guò)調(diào)節(jié)偏心輪的偏心距e 及工作所需來(lái)控制的。 大振幅主要根據(jù)軸承、連桿等傳動(dòng)件的強(qiáng)度決定的，取30 毫米，最底點(diǎn)平臺(tái)距鋼材10 毫米。 曲軸的轉(zhuǎn)速30～180r/min。

（1）機(jī)械特性

由電動(dòng)機(jī)類型決定的電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與工作機(jī)械的機(jī)械特性配合要適當(dāng)，機(jī)組穩(wěn)定工作；電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩等要滿足工作機(jī)械的要求。

（2）轉(zhuǎn)速

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足工作機(jī)械要求，其最高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速變化率、穩(wěn)速、調(diào)速、變速等性能均能適應(yīng)工作機(jī)械運(yùn)行要求。

（3）價(jià)格低廉

在滿足工作機(jī)械運(yùn)行要求的前提下，盡可能選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、造價(jià)低廉的電動(dòng)機(jī)。

考慮到本結(jié)構(gòu)用的電動(dòng)機(jī)調(diào)速要方便， 工作要可靠等，選用直流電動(dòng)機(jī)，以便調(diào)速。

計(jì)算與校核：

確定振動(dòng)所需功率

根據(jù)線棒材的長(zhǎng)度，我們選擇用3 個(gè)振動(dòng)臺(tái)，均勻安放在棒材之間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)線棒材的長(zhǎng)度為9m,φ12～40，當(dāng)直徑較小時(shí)，線棒材會(huì)有重疊，當(dāng)直徑較大時(shí)，線棒材不會(huì)有重疊，取φ40，共12 根，計(jì)算質(zhì)量得：

m=9×3.14×（20×10-3）2×12／3=353kg

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)， 在撞擊的瞬間會(huì)的到2～3 倍自重的沖擊力，故

m′=353×3=1059kg

確定最大轉(zhuǎn)矩，假設(shè)不計(jì)沖力影響，如圖3.3 所示，AB 桿為二力桿

即在此時(shí)M 取得最大值，M=1.02Pr.

受力示意如圖3。

圖3

sinφ1=0.931

根據(jù)彎扭應(yīng)力的計(jì)算公式

α——應(yīng)力校正系數(shù)，為脈動(dòng)變化的轉(zhuǎn)矩

W——抗彎截面模量

彎矩M＝mgL／cosφ=363×9.8×250×10-3／0.987

=901N·m

選取材料和確定應(yīng)力

選取適合做曲軸的材料必須有較高的強(qiáng)度硬度和耐磨性，我們選取42CrMo,

σB=1080MPa

根據(jù)差值法

x=98

得σb[ ]-1＝98MPa

由[S]σca≤σb[ ]－1[S]——安全系數(shù)，取1.5

取d 為56mm

此振動(dòng)臺(tái)為線棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)器整體中的一部分，為機(jī)械系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)，它必須和自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合，才能真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，必須有一套控制抱死系統(tǒng)，因?yàn)楸仨毐ＷC在電機(jī)停止時(shí)，臺(tái)面必須在線棒材之下，才能不影響棒材的正常行進(jìn)。 此系統(tǒng)應(yīng)該連入光感應(yīng)器，只要輸入停止指令，感應(yīng)器監(jiān)視振動(dòng)臺(tái)，只要超出棒材位置，馬上把信號(hào)傳給工業(yè)計(jì)算機(jī)，然后計(jì)算機(jī)傳出指令給抱扎系統(tǒng)，將電機(jī)軸抱死，抱死系統(tǒng)的制造可以參考汽車制動(dòng)系統(tǒng)的制造。

棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)作為一種工業(yè)實(shí)際應(yīng)用，尚需要做大量的后續(xù)研究工作。

作為本論文工作的延續(xù)， 現(xiàn)對(duì)存在問(wèn)題提出解決方法，并就下一步進(jìn)行的研究開發(fā)提出建議。

（1）此振動(dòng)臺(tái)為線棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)器整體中的一部分，為機(jī)械系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)，它必須和自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合，才能真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

（2）棒材振動(dòng)裝置為重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)計(jì)數(shù)的關(guān)鍵，振動(dòng)裝置的關(guān)鍵是曲柄連桿機(jī)構(gòu)。 如果解決了這幾個(gè)問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)和合理設(shè)計(jì)裝置，以提高系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的成功率。

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