葉光平 薛 坤 李健菲

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司第三鋼軋總廠 安徽馬鞍山243000)

1 引言

馬鋼小H 型鋼火切機(jī)基于割槍位置檢測編碼器實(shí)現(xiàn)割槍切割速度的控制，對于這種型鋼火切機(jī)，在實(shí)際使用中，由于型鋼火切機(jī)割槍在切割型鋼時，對周邊環(huán)境不僅要產(chǎn)生大量的輻射熱，而且還會噴濺大量的高溫切割鋼渣，這樣給安裝在割槍行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)軸上的位置檢測編碼器的穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的影響，由此型鋼火切機(jī)時常因割槍位置檢測編碼器故障而導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。為了徹底地避免割槍位置檢測編碼器對火切機(jī)的影響，設(shè)計了一種型鋼火切機(jī)割槍無編碼器控制程序，并獲得了較好的效果。

2 型鋼火切機(jī)的結(jié)構(gòu)及割槍控制

型鋼火焰切割機(jī)(簡稱型鋼火切機(jī))通常由火切機(jī)割槍行走機(jī)構(gòu)(包括高溫鋼坯邊緣檢測裝置(如鋼坯邊緣檢測重錘等)、長明火焰槍、切割火焰槍(即割槍)、火焰槍氣管拖拉鏈、割槍行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動電動機(jī)以及傳動齒輪等)、火切機(jī)基礎(chǔ)框架(包括與割槍行走機(jī)構(gòu)傳動齒輪嚙合的齒條)以及控制火焰槍氣體通斷的電磁閥閥臺等構(gòu)成，如圖1 所示。馬鋼小H 型鋼異形坯火切機(jī)也是采用這種結(jié)構(gòu)。考慮到型鋼(或型鋼異形坯)的翼緣高度和腹板厚度相差很大，在割槍切割火焰強(qiáng)度不變的情況下，為了保證型鋼的切割效果，火切機(jī)切割型鋼翼緣的速度需要比切割腹板的速度低很多。由此可知，型鋼火切機(jī)割槍在切割過程中需要根據(jù)不同型鋼位置段(即翼緣段和腹板段)采取不同的切割速度。為此，型鋼火切機(jī)通常采用割槍切割速度與型鋼位置段綁定的方式進(jìn)行控制，即在割槍切割的過程中根據(jù)型鋼不同位置段來切換割槍切割速度，而型鋼不同位置段則通過割槍行走機(jī)構(gòu)上的鋼坯邊緣檢測重錘以及安裝在其驅(qū)動電機(jī)軸上的編碼器來實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明，這種帶割槍位置檢測火切機(jī)其工作的穩(wěn)定性主要取決于割槍位置檢測編碼器的穩(wěn)定性。

圖1 型鋼火焰切割機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 型鋼火切機(jī)割槍無編碼器控制

鑒于火切機(jī)其割槍在待切割型鋼不同位置段的切割速度是固定的，這樣型鋼不同位置段的切割速度切換也可通過割槍行走機(jī)構(gòu)上的鋼坯邊緣檢測重錘以及型鋼不同位置段連續(xù)切割時間來實(shí)現(xiàn)。正是基于此，設(shè)計了一種型鋼火切機(jī)割槍無編碼器控制程序(或控制方法)，該控制程序結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

在圖2 中，NSW 為“數(shù)字轉(zhuǎn)換開關(guān)”功能塊，當(dāng)I=‘1’時，Y =X2，當(dāng)I =‘0’時，Y =X1;RSR為“復(fù)位端R 優(yōu)先的RS 觸發(fā)器”功能塊，當(dāng)S 為‘1’，R 為‘0’時，Q 為‘1’，QN 為‘0’，當(dāng)S 為‘1’，R 為‘1’時，Q 為‘0’，QN 為‘1’，當(dāng)S 為‘0’，R 為‘0’時，Q 和QN 保持原態(tài)，當(dāng)S 為‘0’，R 為‘1’時，Q 為‘0’，QN 為‘1’;PCL 為脈寬限定功能塊，當(dāng)I 由‘0’變‘1’時，Q 也由‘0’變‘1’;若I 持續(xù)為‘1’的時間小于或等于T 所設(shè)定的時間，則當(dāng)I 由‘1’變‘0’時，Q 也由‘1’變‘0’;若I 持續(xù)為‘1’的時間大于T 所設(shè)定的時間，則Q 僅在T所設(shè)定的時間內(nèi)保持為‘1’;ETE 為“前后沿設(shè)別”功能塊，當(dāng)I 由‘0’變‘1’時，QP 僅輸出長度為1 個循環(huán)周期的正向脈沖，在其余狀態(tài)下QP 保持為‘0’;當(dāng)I 由‘1’變‘0’時，QN 僅輸出長度為1個循環(huán)周期的正向脈沖，在其余狀態(tài)下QN 保持為‘0’;PDE 為“前沿延時”功能塊;OR 為“或”門;AND 為“與”門;NOT 為“非”門。這種型鋼火切機(jī)割槍無編碼器控制程序的設(shè)計及控制思想如下:

1)該控制程序主要由五個控制單元所組成，即功能塊XHGQC01 ～XHGQC07 以及XHGQC10～XHGQC16 構(gòu)成自動切割啟動控制單元;功能塊XHGQC03 ～XHGQC05、XHGQC08、XHGQC09 以及XHGQC49 ～XHGQC51 構(gòu)成割槍切割焰自動開/閉控制單元;功能塊XHGQC03、XHGQC04、XHGQC010、XHGQC11 以 及 XHGQC19 ～ XHGQC32 構(gòu)成預(yù)切割控制單元;功能塊XHGQC33 ～XHGQC48 構(gòu)成型鋼自動切割控制單元;功能塊XHGQC04、XHGQC17 以及XHGQC18 構(gòu)成自動切割狀態(tài)復(fù)位單元。

2)由上述自動切割啟動控制單元可知，當(dāng)待切割型鋼在火切機(jī)所對應(yīng)的輥道上定位完畢后，軋鋼操作工即可點(diǎn)擊火切機(jī)自動切割啟動按鈕，這樣，在割槍傳動準(zhǔn)備就緒且無緊停的情況下，自動切割啟動控制單元中功能塊XHGQC15 輸出端Q 的狀態(tài)為‘1’，這樣，自動切割啟動控制單元通過功能塊XHGQC16 將割槍傳動電機(jī)速度設(shè)定為128%電機(jī)額定速度，使割槍以高速前行。當(dāng)割槍行走機(jī)構(gòu)上的鋼坯邊緣檢測重錘碰到輥道上待切割型鋼邊緣(即鋼坯邊緣重錘檢測出現(xiàn)撿得)時，該單元中RS 觸發(fā)器功能塊XHGQC11 輸出端Q被置為‘1’，功能塊XHGQC15 輸出端Q 的狀態(tài)由‘1’變?yōu)椤?’，自動切割啟動控制單元輸出的割槍傳動電機(jī)速度設(shè)定值變?yōu)?，這樣，自動切割啟動控制單元便完成了割槍自動切割的啟動，割槍自動切割的后續(xù)過程則由該控制程序中的其它控制單元來完成。

圖2 一種型鋼火切機(jī)割槍無編碼器控制程序結(jié)構(gòu)圖

3)對于型鋼火切機(jī)而言，為了防止切割鋼渣噴濺到割槍火焰噴嘴上造成噴嘴堵塞，切割工藝要求割槍切割焰必須在其下部無鋼的情況下才允許打開，并且割槍在切割型鋼前必須先在型鋼邊緣進(jìn)行一定時間的預(yù)切割，待型鋼邊緣割穿后，割槍才能按照型鋼不同段的切割速度進(jìn)行后續(xù)的連續(xù)切割。為了滿足割槍切割工藝要求，在該火切機(jī)割槍切割控制程序中設(shè)計了割槍切割焰自動開/閉控制單元以及預(yù)切割控制單元。鑒于割槍行走機(jī)構(gòu)上的鋼坯邊緣檢測重錘在割槍前行方向上超前割槍一定距離(如100mm)，這樣，當(dāng)鋼坯邊緣檢測重錘碰到輥道上待切割型鋼邊緣時，預(yù)切割控制單元中RS 觸發(fā)器功能塊XHGQC11 輸出端Q 由‘0’變‘1’，功能塊XHGQC19 輸出端Q將輸出0.3s 的‘1’脈沖，在這0.3s 的‘1’脈沖期間，預(yù)切割控制單元通過功能塊XHGQC20 將割槍傳動電機(jī)速度設(shè)定為128%電機(jī)額定速度，使割槍以切割啟動過程中的穩(wěn)定前行速度(即128%電機(jī)額定速度)繼續(xù)前行0.3s，在此時間過后，由于功能塊XHGQC19 輸出端Q 由‘1’變?yōu)椤?’，預(yù)切割控制單元輸出的割槍傳動電機(jī)速度設(shè)定值又變?yōu)?，使割槍停止前行。由此，為了避免割槍切割焰在快速前行時點(diǎn)火(即打開)，割槍切割焰自動開/閉控制單元通過功能塊XHGQC05和XHGQC08 使割槍切割焰控制閥在鋼坯邊緣撿得0.8s 后打開(即切割焰點(diǎn)火)，割槍切割焰在點(diǎn)火后的短暫時間內(nèi)(如1.5s)便可達(dá)到切割所需的狀態(tài)，之后割槍切割焰將保持打開直到鋼坯切割完畢。鑒于割槍切割焰打開的位置與型鋼邊緣有一定的間距，為了降低切割等待時間，在切割焰達(dá)到切割所需的狀態(tài)后，預(yù)切割控制單元短時(如1s)使割槍傳動電機(jī)速度設(shè)定值為128%電機(jī)額定速度，使割槍快速點(diǎn)動至型鋼邊緣進(jìn)行型鋼邊緣預(yù)切割。為了確保在型鋼預(yù)切割過程中割槍切割焰能夠割穿型鋼邊緣，預(yù)切割控制單元使割槍在靜止?fàn)顟B(tài)下的預(yù)切割持續(xù)一定的時間(如4s)，在割槍預(yù)切割完畢時刻，預(yù)切割控制單元中功能塊XHGQC31 輸出端Q 的狀態(tài)由‘1’變‘0’，該狀態(tài)的變化作為型鋼不同段連續(xù)切割的啟動信號。

4)在預(yù)切割控制單元發(fā)出型鋼不同段連續(xù)切割的啟動信號后，該割槍切割控制程序中型鋼自動切割控制單元的RS 觸發(fā)器功能塊XHGQC34輸出端Q 將由‘0’變‘1’，功能塊XHGQC35 輸出端Q 將輸出16s 的‘1’脈沖，在這16s 的‘1’脈沖期間，型鋼自動切割控制單元通過功能塊XHGQC36 將割槍傳動電機(jī)速度設(shè)定為18.1%電機(jī)額定速度，使割槍以低速切割型鋼的第一個翼緣段，在此時間過后，由于功能塊XHGQC35 輸出端Q 由‘1’變?yōu)椤?’，功能塊XHGQC36 輸出的割槍傳動電機(jī)速度設(shè)定值又變?yōu)?，但同時使型鋼自動切割控制單元的RS 觸發(fā)器功能塊XHGQC38輸出端Q 由‘0’變‘1’，功能塊XHGQC39 輸出端Q 將輸出9s 的‘1’脈沖，在這9s 的‘1’脈沖期間，型鋼自動切割控制單元通過功能塊XHGQC40 將割槍傳動電機(jī)速度設(shè)定為64%電機(jī)額定速度，使割槍以較快的速度切割型鋼的腹板段，在這9s 鐘的‘1’脈沖結(jié)束時刻，由于功能塊XHGQC39 輸出端Q 由‘1’變?yōu)椤?’，功能塊XHGQC40 輸出的割槍傳動電機(jī)速度設(shè)定值又變?yōu)?，并且同時使型鋼自動切割控制單元的RS 觸發(fā)器功能塊XHGQC42 輸出端Q 由‘0’變‘1’，這樣，功能塊XHGQC43 輸出端Q 將輸出最長20s 的‘1’脈沖，在這20s 的‘1’脈沖期間或在割槍前行終位撿得之前，型鋼自動切割控制單元通過功能塊XHGQC44將割槍傳動電機(jī)速度又設(shè)定為18.1%電機(jī)額定速度，使割槍以低速切割型鋼的第二個翼緣段，在這20s 的‘1’脈沖結(jié)束之時或在割槍前行終位撿得之時，由于功能塊XHGQC43 輸出端Q 由‘1’變?yōu)椤?’，功能塊XHGQC44 輸出的割槍傳動電機(jī)速度設(shè)定值又變?yōu)?，同時使型鋼自動切割控制單元中“前后沿設(shè)別”功能塊XHGQC45 的QN 輸出端輸出一個循環(huán)周期的‘1’脈沖，這樣，通過功能塊XHGQC50 和XHGQC51 使割槍切割焰立即關(guān)閉，并且使自動切割控制單元的RS 觸發(fā)器功能塊XHGQC46 輸出端Q 由‘0’變‘1’，功能塊XHGQC47 輸出端Q 將輸出最長16s 的‘1’脈沖。在這16s 的‘1’脈沖期間或在割槍等待位置撿得之前，型鋼自動切割控制單元通過功能塊XHGQC48將割槍傳動電機(jī)速度設(shè)定為－128%電機(jī)額定速度，使割槍以高速返回(或后行)，直到割槍等待位置撿得，這時型鋼自動切割控制單元的RS 觸發(fā)器功能塊XHGQC46 輸出端Q 由‘1’變?yōu)椤?’，功能塊XHGQC47 輸出端Q 由‘1’變?yōu)椤?’，功能塊XHGQC48 輸出的割槍傳動電機(jī)速度設(shè)定值又變?yōu)?，這樣，整個型鋼自動切割過程完畢。

5)在型鋼自動切割過程完畢之時(即割槍切割后重新返回等待位置之時)，自動切割狀態(tài)復(fù)位單元中功能塊XHGQC17 和XHGQC18 的輸出端Q 為‘1’或輸出一個‘1’脈沖，這樣，預(yù)切割控制單元以及型鋼自動切割控制單元中的所有RS 觸發(fā)器功能塊將被復(fù)位，由此為下一次割槍自動切割做好準(zhǔn)備。

4 結(jié)束語

該型鋼火切機(jī)割槍無編碼器控制方法(或控制程序)自2014 年4 月在馬鋼小H 型鋼火切機(jī)上投入使用以來，一直運(yùn)行穩(wěn)定，不僅滿足了型鋼工藝切割的要求，而且操作工還可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際切割狀態(tài)通過調(diào)整各切割段的切割時間來獲得最佳的割切過程，實(shí)際使用效果很好。

［1］黃義東，朱鍵富.火焰切割機(jī)控制系統(tǒng)的改進(jìn).南方金屬，2001(4).

［2］張世亮.H 型鋼端頭數(shù)控火焰切割機(jī)下料專用設(shè)備研制［J］.機(jī)械制造，2008(9):60－62.

［3］張世亮，張建，陸兵，等. H 型鋼端頭數(shù)控火焰切割機(jī)工藝研究與運(yùn)動分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2010(10):56－60.