一種高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器的應用公關及技術研究

李曉曉 王 岸

(1.甘肅鋼鐵職業(yè)技術學院，嘉峪關 735100；2.酒泉鋼鐵（集團）有限責任公司，嘉峪關 735100）

隨著全球工業(yè)化水平的提高，金屬加工行業(yè)面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器作為提高效率和保證質(zhì)量的關鍵設備成為研究熱點。此設備能加快生產(chǎn)速度，縮短生產(chǎn)周期，減少浪費，增強企業(yè)競爭力[1]。剪切技術發(fā)展是科技進步的縮影，已實現(xiàn)從手工到高速自動化的轉(zhuǎn)變。相關學者深入研究剪切機械的力學特性[2]和控制系統(tǒng)優(yōu)化[3]等技術問題，為設備優(yōu)化升級奠定了基礎。國際上，制造業(yè)發(fā)達的國家運用新型合金材料、集成智能傳感器和數(shù)控系統(tǒng)，使得設備具有較高性能[4]，為全球制造業(yè)注入了新活力。我國研究人員關注國際技術的同時，注重成本控制和工藝流程適應性改進，降低成本，提高效益，滿足市場需求和適應生產(chǎn)環(huán)境變化。

當前的高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器存在三大問題：一是停機或更換后，位置匹配難；二是動作速度不可控，影響生產(chǎn)；三是快速動作時，出現(xiàn)過轉(zhuǎn)矩問題。針對高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器存在的問題：首先采用高精度高轉(zhuǎn)矩伺服變頻電機，提升轉(zhuǎn)轍器的控制精度；其次通過采用轉(zhuǎn)轍器獨立控制方式，提升控制程序的智能化水平；最后對生產(chǎn)線中的機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，降低生產(chǎn)線的故障率，以期為相關領域的技術進步和產(chǎn)業(yè)升級提供理論支撐和實踐指導。

1 高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器介紹

1.1 設備定義與工作原理

高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器是一種用于金屬加工行業(yè)的高科技裝置，能快速、精確地剪切和換向棒材，如圖1 所示。高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器的主要功能是提高生產(chǎn)效率和材料利用率。通過精密機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，設備能連續(xù)送料、定尺剪切，并根據(jù)后續(xù)加工需求快速轉(zhuǎn)轍。伺服電機驅(qū)動滾筒送料，數(shù)控系統(tǒng)控制液壓或氣動切割裝置進行高精度剪切。剪切好的棒材段通過轉(zhuǎn)轍機械手或轉(zhuǎn)向軌道移送至下一工序或收集區(qū)域。操作界面采用觸摸屏，實現(xiàn)參數(shù)設定、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等功能?，F(xiàn)代高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器還集成了智能傳感器和反饋調(diào)節(jié)機制，可保障設備在高速運行中的穩(wěn)定性與剪切精度，滿足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)對效率和質(zhì)量的雙重要求。

圖1 高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器

1.2 項目研究目標

本項目旨在解決高速棒材生產(chǎn)線上的關鍵技術瓶頸——高速轉(zhuǎn)轍器的控制及匹配問題。結(jié)合機電一體化技術和高速棒材生產(chǎn)工藝要求，實現(xiàn)轉(zhuǎn)轍器與剪刃時間和剪切長度的精確匹配，從而提高生產(chǎn)效率和創(chuàng)效能力。轉(zhuǎn)轍器的動作和剪切控制速度要求嚴格，同時需要與倍尺剪保持良好的位置匹配，如圖2 所示。通過運用棒材倍尺剪切工藝控制模型、驅(qū)動控制模型及剪切與位置控制算法，結(jié)合實際測量的棒材速度和倍尺剪剪切位置跟隨功能，優(yōu)化控制運算程序，提高剪切精度并降低故障率。

圖2 轉(zhuǎn)轍器與倍尺剪匹配原理

2 項目存在的問題

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，控制模型及其算法對識別和解決問題起到關鍵作用。但是，在處理非常規(guī)異常時，完善外部模型的加載是一項挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)轍器的位置校正涉及控制程序的調(diào)試，需不斷校正，并結(jié)合伺服裝置的參數(shù)和控制元素調(diào)整。這種方法存在兩大問題：一是技術人員需具備高技能和經(jīng)驗；二是校正匹配耗時且不可控。在生產(chǎn)線上，轉(zhuǎn)轍器的控制是關鍵，但僅優(yōu)化轉(zhuǎn)轍器并不足以確保整線順暢。轉(zhuǎn)轍器的穩(wěn)定性受關聯(lián)設備影響，涉及速度、力矩和張力等參數(shù)。這些因素相互影響，增加了全面分析的難度。因此，對復雜關系的分析和優(yōu)化尤為關鍵，也是技術轉(zhuǎn)化難題。為了實現(xiàn)生產(chǎn)線順利運行，需深入考慮轉(zhuǎn)轍器與關聯(lián)設備的相互作用，優(yōu)化相關參數(shù)。

3 技術方案

3.1 控制轉(zhuǎn)轍器伺服裝置的過程轉(zhuǎn)矩補償

提升高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器性能的關鍵措施之一是精確控制伺服裝置的過程轉(zhuǎn)矩。為了實現(xiàn)高精度剪切，需要實時調(diào)節(jié)伺服電機，以抵消由機械摩擦、材料變形抗力及系統(tǒng)慣性等產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動。采用閉環(huán)控制系統(tǒng)和高精度轉(zhuǎn)矩傳感器、編碼器，可精確監(jiān)測和控制轉(zhuǎn)轍器運行狀態(tài)。然而，僅依賴電機模型控制不夠精確，可以引入過程轉(zhuǎn)矩補償算法，如比例-積分-微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制或自適應控制策略，以補償非線性因素。為獲得最佳補償效果，開展實驗測定系統(tǒng)摩擦、慣量等參數(shù)，優(yōu)化控制模型。將這些補償轉(zhuǎn)矩值整合到伺服控制中，可實現(xiàn)更平滑、精確的驅(qū)動力輸出。

3.2 設計智能控制系統(tǒng)

在高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器中，設計一個高度智能化的控制系統(tǒng)是實現(xiàn)自動化和提升剪切精度的關鍵。該系統(tǒng)不僅需要將過程控制計算機作為其核心，還要配備高效的調(diào)速傳動裝置以及精確的速度和轉(zhuǎn)矩檢測部分。這些元素共同構(gòu)成一個完整的控制單元，如圖3 所示。

圖3 智能控制系統(tǒng)

過程控制計算機是系統(tǒng)的“大腦”，負責接收傳感器實時數(shù)據(jù)，根據(jù)預設程序和算法執(zhí)行相關操作。過程控制計算機還可以調(diào)整操作參數(shù)，確保設備穩(wěn)定高效運行。過程控制計算機由伺服電機等組成，將指令轉(zhuǎn)化為精確機械運動。裝置根據(jù)負載變化自動調(diào)節(jié)速度和轉(zhuǎn)矩，適應不同加工條件和材料特性。速度和轉(zhuǎn)矩檢測器是系統(tǒng)“感覺器官”，包括編碼器等元件，監(jiān)測設備實際狀態(tài)，提供速度、加速度、轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)供分析決策。智能控制系統(tǒng)能全面監(jiān)測調(diào)控高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器，通過閉環(huán)反饋控制校正，提高控制精度和穩(wěn)定性。系統(tǒng)還能預測適應生產(chǎn)過程變化趨勢，提高設備的自適應能力和生產(chǎn)效率。

3.3 提高系統(tǒng)的自動適應能力

在高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器的控制系統(tǒng)中，提升異?？刂频淖赃m應能力是關鍵。這需要系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測關鍵性能指標，并運用數(shù)據(jù)分析技術準確識別異常事件[5]。同時，系統(tǒng)需具備迅速反應的能力，調(diào)整工作參數(shù)或啟動備用程序。此外，系統(tǒng)應具備學習能力，記錄并應用異常事件的解決方案。為了增強健壯性，需設計冗余機制，確保出現(xiàn)主組件或路徑故障時生產(chǎn)不受影響。通過集成這些先進技術，高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器的自適應能力得到顯著提升，保障了設備的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，降低了維護成本。

4 項目貢獻

4.1 降低工人勞動強度

轉(zhuǎn)轍器位置校正功能的實現(xiàn)，主要是讓操作者通過控制模擬操作界面，將實際位置按照工藝位置調(diào)整后，根據(jù)現(xiàn)場試驗實際值，直接將實際值設置為默認值，并將調(diào)整過的相應模型輸入系統(tǒng)，測試后使系統(tǒng)能自動匹配。集成試驗數(shù)據(jù)及增加控制功能后，操作人僅需在操作臺按下調(diào)整按鈕后驅(qū)動系統(tǒng)即可自動進行精確的位置校正，最終實現(xiàn)一鍵式調(diào)整，極大地降低了工人的勞動強度。

4.2 延長正常運轉(zhuǎn)壽命

對機械機構(gòu)的運轉(zhuǎn)導軸、潤滑點進行合理布置，實現(xiàn)運轉(zhuǎn)阻力及磨損較小，并能夠?qū)崿F(xiàn)適量及時的自動潤滑功能，延長轉(zhuǎn)轍器的在線使用壽命，給企業(yè)帶來直接的經(jīng)濟效益。優(yōu)化后效益如表1 所示。

表1 優(yōu)化前后效益對比

4.3 突破生產(chǎn)難點問題

該項目主要是立足鋼鐵行業(yè)高速棒材生產(chǎn)線，通過機電一體化技術，結(jié)合高速棒材生產(chǎn)工藝要求，著力研究及解決高速倍尺剪切的關鍵環(huán)節(jié)——高速轉(zhuǎn)轍器的控制及匹配難題，突破長期影響生產(chǎn)的關鍵技術瓶頸問題，可為后續(xù)行業(yè)生產(chǎn)提供有效借鑒，從而大幅提升產(chǎn)能及效益。

5 結(jié)語

針對高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器的應用公關及技術研究做了全面的梳理和深入的探討，期望提出的技術策略能夠有效促進高速棒材倍尺剪轉(zhuǎn)轍器的技術進步，幫助制造商提升核心競爭力，同時推動整個金屬加工行業(yè)朝著更高效、更精準、更智能的方向發(fā)展。正是通過對這類關鍵設備不斷創(chuàng)新和改進，才能在追求卓越的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的道路上不斷前行，著力推動產(chǎn)學研用深度融合，提升企業(yè)科技創(chuàng)新能力和核心競爭力。

該項目不僅突破了小規(guī)格螺紋精品棒材的生產(chǎn)難題，也為我國制造業(yè)提供了新的發(fā)展方向。項目的實施不僅體現(xiàn)了我國制造業(yè)的技術實力，也展示了我國在高端制造業(yè)的領先地位。這將有助于提升我國在全球制造業(yè)的影響力，為推動我國制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展做出貢獻。