王文凡， 申　杰

(1.鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院，河南 鄭州 451191; 2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

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鋼筋調(diào)直切斷機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王文凡1， 申杰2

(1.鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院，河南 鄭州 451191; 2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

摘要：針對(duì)目前鋼筋調(diào)直切斷機(jī)切斷長(zhǎng)度的精度不高且控制系統(tǒng)通用性差的問題，設(shè)計(jì)了鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng).自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠同時(shí)設(shè)定多批次鋼筋的長(zhǎng)度和數(shù)量，并在工作過程中顯示當(dāng)前批次、數(shù)量、設(shè)定長(zhǎng)度等參數(shù).設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單通用且精度較高的智能計(jì)長(zhǎng)電路，并為不同計(jì)長(zhǎng)方式預(yù)留了電氣接口，提高了通用性.設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)功能，掉電時(shí)能保存當(dāng)前狀態(tài)和所有參數(shù)，上電后能從斷點(diǎn)繼續(xù)工作.設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度修正功能，通過軟件對(duì)系統(tǒng)的誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了精確定長(zhǎng).試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，不同直徑、不同長(zhǎng)度的鋼筋切斷后的最大誤差不超過3 mm.

關(guān)鍵詞：鋼筋調(diào)直；切斷長(zhǎng)度；自動(dòng)控制

在建筑業(yè)中，鋼筋是必不可少的原材料.對(duì)于直徑比較小的圓鋼筋，商品供貨形態(tài)是卷成盤的，稱為盤條.為方便使用盤條，通常直接在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行盤條的調(diào)直和切斷.對(duì)盤條進(jìn)行調(diào)直通常有兩種方法：一種是采用卷揚(yáng)機(jī)對(duì)鋼筋強(qiáng)行拉直后，根據(jù)所需長(zhǎng)度一根一根進(jìn)行人工剪切；另一種方法是采用鋼筋調(diào)直切斷機(jī)進(jìn)行拉直和切斷.

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)的建筑用鋼筋調(diào)直切斷機(jī)市場(chǎng)現(xiàn)已基本形成.目前，國(guó)內(nèi)外使用的鋼筋調(diào)直切斷機(jī)種類較多，調(diào)直、切斷以及傳動(dòng)裝置不盡相同，根據(jù)設(shè)備組成的各工作機(jī)構(gòu)特點(diǎn)可以按多種方法對(duì)鋼筋調(diào)直切斷機(jī)進(jìn)行分類.當(dāng)前普通鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的控制線路復(fù)雜，連接線多，接點(diǎn)多，線接點(diǎn)容易松脫，觸點(diǎn)容易燒損，故障頻繁.而液壓調(diào)直切斷機(jī)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尤其是故障率低，而得到廣泛應(yīng)用.快換型鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的設(shè)計(jì)開拓了調(diào)直切斷機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域[1-4].

隨著調(diào)直切斷機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，在實(shí)現(xiàn)調(diào)直和切斷功能的同時(shí)，對(duì)其加工鋼筋的尺寸精度和工作效率方面的要求也不斷提高.目前，很多調(diào)直機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)不能兼顧長(zhǎng)度精度和調(diào)直速度，例如液壓調(diào)直切斷機(jī)存在最短工作范圍較長(zhǎng)的問題[3].而我國(guó)建筑用鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的總體水平，與國(guó)際上先進(jìn)產(chǎn)品相比還是比較落后的，主要表現(xiàn)在：企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小，產(chǎn)品的技術(shù)含量低，生產(chǎn)效率低下.因此要完善鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的各項(xiàng)功能，對(duì)其進(jìn)行改良才可以提高產(chǎn)品的性價(jià)比，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)提高建筑施工的效率和質(zhì)量有著重要意義[4-7].

1鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的結(jié)構(gòu)

鋼筋調(diào)直切斷機(jī)用于調(diào)直和切斷盤條，并進(jìn)行除銹，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　鋼筋調(diào)直切斷機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

一般在機(jī)座上設(shè)置牽引、調(diào)直和剪切裝置.鋼筋在牽引裝置帶動(dòng)下經(jīng)調(diào)直裝置調(diào)直后進(jìn)入剪切裝置，依據(jù)需要的長(zhǎng)度由剪切裝置中的切刀切斷.鋼筋調(diào)直時(shí)，盤條放在能夠旋轉(zhuǎn)自如的盤條架上，不可直接放在地面上.否則盤條將以螺旋形式拉出，不但增大調(diào)直阻力，而且破壞鋼筋強(qiáng)度.鋼筋進(jìn)入調(diào)直裝置前先進(jìn)入導(dǎo)向筒，使鋼筋以水平狀態(tài)進(jìn)入調(diào)直裝置，并避免鋼筋調(diào)直結(jié)束時(shí)尾部高速擺動(dòng)而傷人[8].牽引裝置分為前后兩級(jí)，每一級(jí)又由主動(dòng)輪和從動(dòng)輪構(gòu)成，主動(dòng)輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從動(dòng)輪帶有壓緊裝置，可以根據(jù)鋼筋的直徑進(jìn)行調(diào)節(jié).鋼筋經(jīng)過牽引裝置進(jìn)入調(diào)直裝置，不同廠商設(shè)計(jì)的調(diào)直裝置結(jié)構(gòu)不盡相同.鋼筋調(diào)直后進(jìn)入剪切裝置進(jìn)行剪切，剪切后的鋼筋落到承料架上.

2自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1　自動(dòng)控制系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

鋼筋調(diào)直切斷機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖2所示.自動(dòng)控制系統(tǒng)包括CPU主控單元、電源電路、按鍵電路、鎖鍵盤電路、長(zhǎng)度信號(hào)輸入電路、長(zhǎng)度修正電路、存儲(chǔ)電路、顯示電路、點(diǎn)進(jìn)電路、點(diǎn)退電路等.

圖2　鋼筋調(diào)直切斷機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

CPU主控單元包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和程序下載電路等.按鍵及顯示電路主要用于批次、切斷數(shù)量、切斷長(zhǎng)度的設(shè)定和顯示[9].按鍵電路采用矩陣式鍵盤設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，包括0~9這幾個(gè)數(shù)字鍵，以及批次設(shè)定鍵、長(zhǎng)度設(shè)定鍵、根數(shù)設(shè)定鍵、確定鍵、清除鍵、查詢鍵、長(zhǎng)度修正加減鍵、長(zhǎng)度系數(shù)設(shè)定鍵，還包括啟動(dòng)、停止、暫停、點(diǎn)進(jìn)、點(diǎn)退、手動(dòng)切割控制鍵.顯示電路采用高亮度LED數(shù)碼管，可適應(yīng)室外日光等不同工作環(huán)境，數(shù)碼管可以顯示當(dāng)前批次、設(shè)定數(shù)量、已加工數(shù)量、設(shè)定長(zhǎng)度等信息，通過查詢鍵，可以查看不同批次的信息.最多可以設(shè)定9個(gè)批次，長(zhǎng)度最大可設(shè)定為99.99 m，數(shù)量最多可設(shè)定為9 999根.

為了提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的通用性，以適用于采用不同定長(zhǎng)切割方式的鋼筋調(diào)制切斷機(jī)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了行程開關(guān)輸入信號(hào)接口電路，即鋼筋達(dá)到定長(zhǎng)尺寸后，行程開關(guān)發(fā)出控制信號(hào)，通過CPU主控單元控制剪切裝置切斷鋼筋.

鎖鍵盤電路是由兩個(gè)組合鍵進(jìn)行鍵盤鎖定或解鎖，防止工作過程中出現(xiàn)誤操作.掉電保護(hù)電路和存儲(chǔ)電路共同工作，在斷電的情況下存儲(chǔ)當(dāng)前工作狀態(tài)和各種參數(shù)，以便上電后繼續(xù)工作.點(diǎn)進(jìn)電路和點(diǎn)退電路控制牽引裝置步進(jìn)，以便開始時(shí)把鋼筋導(dǎo)入，以及必要時(shí)將鋼筋退出.牽引裝置和調(diào)直裝置的啟動(dòng)、暫停和停止受CPU主控單元的控制.

2.2　電源電路的設(shè)計(jì)

電源電路為CPU主控單元和其他控制電路提供必要且穩(wěn)定的直流電壓.電源電路提供的12 V直流電壓，用于驅(qū)動(dòng)計(jì)長(zhǎng)電路中的光電開關(guān)和電機(jī)控制電路中的繼電器，或?yàn)閺S商選用的400脈沖光電編碼器或磁性單圈絕對(duì)值編碼器提供能量.6 V直流電壓經(jīng)過掉電保護(hù)電路之后，降壓到5.5 V以下，為CPU芯片和其他數(shù)字芯片提供能量.電源電路結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3　電源電路框圖

2.3　計(jì)長(zhǎng)電路的設(shè)計(jì)

剪切精度是衡量數(shù)控鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的切斷系統(tǒng)性能的最重要指標(biāo)[10]，大多數(shù)調(diào)直切斷機(jī)采用機(jī)械定尺長(zhǎng)度控制，基本上是采用擋板、彈簧、行程開關(guān)、單頭電磁閥組合來完成鋼筋的定長(zhǎng)和切斷.當(dāng)鋼筋碰到定好長(zhǎng)度的擋板時(shí)，因碰撞使用彈簧拉住的擋板向前傾斜使行程開關(guān)接通，從而使電磁閥通電吸合，帶動(dòng)切刀切斷鋼筋，然后由彈簧將擋板和切刀拉回原位.在使用此種方法時(shí)常出現(xiàn)因彈簧失效拉不到位的現(xiàn)象，致使調(diào)直切斷機(jī)不能正常切斷或阻擋鋼筋不能前進(jìn)的故障，可靠性差，若鋼筋超過一定長(zhǎng)度，其切斷誤差將大幅增大，且鋼筋直徑越小，其誤差增幅越大[11].

除此之外，其他定長(zhǎng)方式還有：定長(zhǎng)機(jī)械接觸控制開關(guān)方式，定長(zhǎng)電器開關(guān)配合機(jī)械離合器控制方式，定長(zhǎng)電器開關(guān)配合電磁離合控制方式，定長(zhǎng)電器開關(guān)配合液壓系統(tǒng)電磁閥控制方式，電子測(cè)長(zhǎng)裝置配合計(jì)數(shù)器控制方式等.這些方式是由各種電器組合而成，線路復(fù)雜、成本高、故障多，操作不方便.為此，筆者設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、通用、精度較高的計(jì)長(zhǎng)方法，即在牽引裝置的主動(dòng)輪上安裝同軸圓鋼盤，在其圓周上均勻刻槽，并在鋼盤齒槽兩側(cè)安裝光電開關(guān).牽引裝置帶動(dòng)鋼筋行進(jìn)，主動(dòng)輪帶動(dòng)圓鋼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，輪齒遮擋光電開關(guān)，使其關(guān)閉，輪上凹槽使光電開關(guān)導(dǎo)通，依此重復(fù)，產(chǎn)生一系列脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)經(jīng)過計(jì)長(zhǎng)電路進(jìn)入CPU主控單元.計(jì)長(zhǎng)電路如圖4所示.

圖4　計(jì)長(zhǎng)電路

CPU主控單元對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并計(jì)算長(zhǎng)度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定長(zhǎng)度時(shí)，發(fā)出切斷信號(hào)，控制切斷裝置切斷鋼筋，以達(dá)到定長(zhǎng)的目的.牽引裝置主動(dòng)輪的直徑為D，圓鋼盤上刻槽數(shù)量為n，一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度稱為長(zhǎng)度系數(shù)，記為k，k=πD/n.

為了提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的通用性，像電氣方面等很多參數(shù)廠商可以自己設(shè)定.對(duì)于不同廠商、不同型號(hào)的鋼筋調(diào)直切斷機(jī)，其牽引裝置主動(dòng)輪的直徑D不同，圓鋼盤周向刻槽數(shù)量n也不同，即長(zhǎng)度系數(shù)k的值不是定值，廠商可以根據(jù)不同的機(jī)械參數(shù)計(jì)算出k值，并通過按鍵進(jìn)行設(shè)置.某型號(hào)機(jī)器的機(jī)械裝置確定以后，其主動(dòng)輪直徑和圓鋼盤刻槽數(shù)量也就確定.也就是說對(duì)于某一具體機(jī)器來說，k值確定，機(jī)器也就確定了，廠商在機(jī)器出廠前只需輸入設(shè)定好的一次具體的k值即可.

自動(dòng)控制系統(tǒng)預(yù)留有電氣接口，可以配合400脈沖光電編碼器或者磁性單圈絕對(duì)值編碼器使用，通過編碼器輸入信號(hào)接口電路進(jìn)入CPU主控單元.

對(duì)于采用其他方式計(jì)長(zhǎng)的機(jī)器，如機(jī)械定尺長(zhǎng)度控制的方式，可以將行程開關(guān)接入行程開關(guān)輸入信號(hào)接口電路，以達(dá)到定長(zhǎng)控制的目的.

2.4　掉電保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

施工現(xiàn)場(chǎng)如果停電，鋼筋調(diào)直切斷機(jī)停止工作，計(jì)數(shù)結(jié)果丟失，已經(jīng)加工了多少根鋼筋，還需要加工多少根鋼筋的確定成為問題，而人工計(jì)數(shù)法不可取.如果采用人工計(jì)數(shù)，由于施工現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，需要專人隨時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，需花費(fèi)大量時(shí)間.為解決此類問題，自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)電路，如圖5所示.

圖5　掉電保護(hù)電路

圖5中的C1為法拉級(jí)超級(jí)大電容.上電后，6 V電源通過D1和R1對(duì)CPU主控單元進(jìn)行正常供電，通過R2和D2對(duì)C1進(jìn)行充電，C1儲(chǔ)存電能.D1的作用是降壓0.6 V左右，保證CPU主控單元工作在4.5~5.5 V的安全電壓范圍內(nèi).R1對(duì)CPU主控單元進(jìn)行限流，防止電流異常時(shí)燒壞CPU主控單元.C2和C3則起到對(duì)電源濾波的作用.掉電之后，超級(jí)電容C1通過D3向CPU主控單元供電，D1和D2反向截止，保證C1上有限的能量盡最大可能為CPU主控單元所用.掉電檢測(cè)電路檢測(cè)到掉電之后向CPU主控單元發(fā)出最高級(jí)別的中斷信號(hào)，CPU主控單元從正在運(yùn)行的程序中進(jìn)入中斷服務(wù)程序，通過存儲(chǔ)電路將掉電瞬間鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的各個(gè)批次的長(zhǎng)度、數(shù)量、已經(jīng)截?cái)嗟臄?shù)量等所有參數(shù)存入存儲(chǔ)器.

超級(jí)電容的參數(shù)選取，忽略由電容內(nèi)阻引起的壓降，利用以下近似計(jì)算公式計(jì)算電容，

(1)

式中：Vwork為電容正常工作電壓；Vmin為截止工作電壓；t為電路中要求持續(xù)工作的時(shí)間；I為負(fù)載電流.

該控制系統(tǒng)中，掉電瞬間存儲(chǔ)所有參數(shù)的子程序所用時(shí)間為ms級(jí)，在掉電后需要用超級(jí)電容維持100 mA的電流，為保證各項(xiàng)參數(shù)能完全存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)持續(xù)時(shí)間為1 s，CPU主控單元截止工作電壓為4.5 V，由式(1)計(jì)算可得C=0.2 F，這里選用0.22 F/5.5 V的電容.

2.5　電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的牽引裝置(包括點(diǎn)進(jìn)和點(diǎn)退)、調(diào)直裝置和切斷裝置(包括手動(dòng)切割)都由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的控制信號(hào)由CPU主控單元發(fā)出.電機(jī)控制電路如圖6所示.

圖6　電機(jī)控制電路

圖6中，R4一端接CPU主控單元，與R1，Q1共同控制光電耦合器U1的通斷.光電耦合器控制繼電器的通斷.繼電器K1的3和4端口接電機(jī)的電源，用繼電器控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止，以及控制切刀的進(jìn)刀與退刀(液壓式剪切裝置由電機(jī)控制液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)控制切刀).CPU主控單元發(fā)出控制信號(hào)(高電平)，通過光電耦合器進(jìn)行電氣隔離，控制繼電器吸合和斷開，再由繼電器控制電機(jī).D1為續(xù)流二極管，并聯(lián)在繼電器線圈兩端，當(dāng)繼電器線圈斷電時(shí)，繼電器線圈將產(chǎn)生一個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)，D1為這個(gè)電動(dòng)勢(shì)提供通路，以免損壞繼電器和其他電子元件.

對(duì)于液壓式切斷裝置，CPU主控單元控制繼電器工作，液壓系統(tǒng)的增壓缸增壓，油缸部分輸出的壓力推動(dòng)切刀切斷鋼筋[12].在鋼筋的切斷過程中，切斷油缸與鋼筋同步運(yùn)動(dòng)，保證了鋼筋切斷長(zhǎng)度，稱之為液壓隨動(dòng)切斷[13].由于不同的液壓系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間不一樣，切刀從開始動(dòng)作到切斷鋼筋的時(shí)間不一樣，時(shí)間過短會(huì)造成切不斷現(xiàn)象，時(shí)間過長(zhǎng)切刀不能及時(shí)退回，會(huì)將液壓隨動(dòng)切斷系統(tǒng)損壞.為了增強(qiáng)控制系統(tǒng)的通用性，CPU主控單元設(shè)置了切刀動(dòng)作時(shí)間調(diào)整按鍵，可以根據(jù)液壓系統(tǒng)的固有延時(shí)合理設(shè)定切刀動(dòng)作時(shí)間.

3切斷長(zhǎng)度誤差分析與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.1　切斷長(zhǎng)度誤差分析

鋼筋從導(dǎo)向筒進(jìn)入之后，經(jīng)過多處機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的配合，各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)有誤差引入.

智能計(jì)長(zhǎng)系統(tǒng)中，通過脈沖計(jì)數(shù)來確定鋼筋長(zhǎng)度，所以長(zhǎng)度系數(shù)k的取值會(huì)影響到定長(zhǎng)精度.計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)k時(shí)，π的有效位數(shù)存在舍入誤差，使鋼筋切斷長(zhǎng)度存在誤差δ1.當(dāng)π的取值為π1=3.14時(shí)，此時(shí)的鋼筋切斷長(zhǎng)度誤差比π2=3.141 6時(shí)的大0.51 mm/m.

與主動(dòng)輪直徑D相關(guān)的誤差δ2，與3個(gè)因素相關(guān).測(cè)量主動(dòng)輪直徑D時(shí)會(huì)有測(cè)量誤差ΔD1的存在，ΔD1可能為正值，也可能為負(fù)值.ΔD1使鋼筋切斷長(zhǎng)度存在誤差δ21，ΔD1一旦確定，δ21也確定，屬于系統(tǒng)誤差[14].當(dāng)不同直徑的鋼筋進(jìn)入引導(dǎo)裝置，從動(dòng)輪壓緊后，主動(dòng)輪和鋼筋接觸部分會(huì)有輕微的彈性形變，致使主動(dòng)輪的直徑變小ΔD2，使得鋼筋切斷長(zhǎng)度存在誤差δ22，由于每次的壓緊力不盡相同，所以誤差δ22的大小也是隨機(jī)的，屬于隨機(jī)誤差.牽引裝置依靠主動(dòng)輪和鋼筋摩擦力牽引鋼筋前進(jìn)，運(yùn)行一段時(shí)間之后，主動(dòng)輪的溫度會(huì)有一定的上升，使得主動(dòng)輪直徑變大ΔD3，帶來鋼筋切斷長(zhǎng)度誤差δ23.一般鋼材的熱膨脹系數(shù)是0.012 mm/(m·℃)，取D=100 mm，ΔT=10 ℃，相應(yīng)的鋼筋切斷長(zhǎng)度誤差δ23=0.12 mm/m.

計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)k時(shí)，其值取有限位數(shù)時(shí)，存在舍入誤差，取值的有效位數(shù)不同時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的舍入誤差，使鋼筋切斷長(zhǎng)度存在誤差δ3.

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，CPU主控單元根據(jù)設(shè)定鋼筋長(zhǎng)度l和k的值，計(jì)算出需要計(jì)數(shù)的脈沖個(gè)數(shù)m=l/k，m的值一般不是整數(shù)，對(duì)m取整時(shí)采取四舍五入方式，這樣就存在對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)誤差，使得鋼筋存在計(jì)長(zhǎng)誤差δ4.計(jì)數(shù)誤差最大將近0.5個(gè)脈沖，當(dāng)k=1.570 8時(shí)，計(jì)長(zhǎng)誤差δ4≈0.79 mm；當(dāng)k=6.283 2時(shí)，計(jì)長(zhǎng)誤差δ4≈3.14 mm.

鋼筋調(diào)直的速度v對(duì)鋼筋長(zhǎng)度誤差的影響是很大的.鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的切斷誤差也隨著加工速度的提高有所放大[15].鋼筋長(zhǎng)度達(dá)到預(yù)定切割長(zhǎng)度后，CPU發(fā)出控制信號(hào)，控制光電耦合器，再控制繼電器吸合，液壓系統(tǒng)控制切刀進(jìn)行切斷，中間經(jīng)歷了各個(gè)環(huán)節(jié)的延時(shí).圖6中光電耦合器U1的導(dǎo)通時(shí)間可以忽略不計(jì).繼電器吸合時(shí)間t1一般是ms級(jí)，液壓推動(dòng)切刀的響應(yīng)時(shí)間t2一般也是ms級(jí)，而且t2不是定值，對(duì)于液壓系統(tǒng)，開始運(yùn)行時(shí)液壓油黏稠度高，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)；運(yùn)行一段時(shí)間后，液壓油的黏稠度變低，響應(yīng)時(shí)間變短.從CPU主控單元發(fā)出切斷信號(hào)到切刀實(shí)際動(dòng)作的總延時(shí)t≈t1+t2.取t=10 ms，當(dāng)v=42 m/min時(shí)，δ5=7 mm；當(dāng)v=120 m/min時(shí)，δ5=20 mm.可見，當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)確定時(shí)，調(diào)直速度越快，誤差越大.

3.2　提高定長(zhǎng)精度的方法

經(jīng)過以上分析可知，要減小誤差δ1和δ3，計(jì)算取值時(shí)，只需將π和k取值的有效位數(shù)增加即可.對(duì)于δ2，因其影響因素較多，δ21不可避免，δ22只能定性分析，不易定量計(jì)算，而δ22和δ23方向上相反，有相互抵消的趨勢(shì).

誤差δ4與k有關(guān)，通過分析可知k越大，誤差越大.由于k和D成正比，和n成反比，所以要減小誤差δ4，一方面可以減小牽引輪的直徑D，另一方面可以增大圓鋼盤刻槽數(shù)量n.如果使用脈沖編碼器，使用400脈沖光電編碼器要比使用200脈沖編碼器的精度高，也可以使用600脈沖及以上的光電編碼器.

對(duì)于如何減小誤差δ5，一方面可以采用響應(yīng)速度更快的繼電器，或者采用可控硅，可控硅從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀態(tài)，這個(gè)過程很快，是μs級(jí)；另一方面可以采用響應(yīng)時(shí)間更快的液壓系統(tǒng)；如果從CPU主控單元發(fā)出切斷信號(hào)到切刀實(shí)際動(dòng)作的總延時(shí)取t=1 ms，當(dāng)鋼筋調(diào)直速度v=42 m/min時(shí)，誤差δ5由7.0 mm降低為0.7 mm.

當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)確定時(shí)，降低調(diào)直速度能有效減小誤差δ5，但是具體工程應(yīng)用中對(duì)于產(chǎn)量的需求決定了調(diào)直速度不能太慢，這就需要采用其他的補(bǔ)償方法.

如果針對(duì)某一型號(hào)的鋼筋調(diào)直切斷機(jī)訂制控制系統(tǒng)，可將機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)中的誤差δ1~δ5進(jìn)行綜合和補(bǔ)償，將大大減小長(zhǎng)度誤差.但是這樣的控制系統(tǒng)不具通用性，如果調(diào)直機(jī)的機(jī)械、電氣參數(shù)發(fā)生改變則需修改控制系統(tǒng)，有的控制系統(tǒng)從電路到軟件都需要完全重新設(shè)計(jì).

為適用于不同的鋼筋調(diào)直切斷機(jī)，本自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度修正功能，廠商在調(diào)試時(shí)可以對(duì)誤差δ1~δ5進(jìn)行一次性綜合補(bǔ)償.調(diào)試時(shí)可以測(cè)量已切斷的鋼筋長(zhǎng)度，并和預(yù)定長(zhǎng)度進(jìn)行比較，通過長(zhǎng)度修正按鍵使定長(zhǎng)的長(zhǎng)度增加或者減小，對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)度修正鍵的是相應(yīng)的軟件模塊，通過特定算法將所有誤差進(jìn)行綜合和補(bǔ)償，可以達(dá)到精確定長(zhǎng)的目的.

3.3　試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于GT3/12型鋼筋調(diào)直切斷機(jī)，該機(jī)器采用刻槽圓鋼盤加光電開關(guān)計(jì)長(zhǎng)方式，剪切裝置采用液壓剪切方式，牽引裝置主動(dòng)輪直徑D=100 mm，圓盤刻槽數(shù)n=200，調(diào)直的鋼筋直徑范圍為3~12 mm，調(diào)直速度為40 m/min，電機(jī)功率4 kW-4級(jí).試驗(yàn)過程中，首先計(jì)算并設(shè)定長(zhǎng)度系數(shù)k=1.570 8 mm，然后設(shè)定1個(gè)批次長(zhǎng)度為1 m的10根鋼筋.通過點(diǎn)進(jìn)方式將鋼筋導(dǎo)入牽引裝置和調(diào)直裝置，并通過手動(dòng)切割方式將鋼筋切去一小段，以確定計(jì)長(zhǎng)的起始位置.啟動(dòng)機(jī)器，調(diào)直剪切后測(cè)量長(zhǎng)度，以確定系統(tǒng)的固有誤差.第1次調(diào)直切斷的10根鋼筋的長(zhǎng)度誤差如圖7所示.

圖7　第1次調(diào)直切斷的10根鋼筋的長(zhǎng)度誤差

從圖7中可以看出，所有鋼筋長(zhǎng)度均大于設(shè)定長(zhǎng)度，計(jì)算得到誤差平均值為10.5 mm，即該型號(hào)鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)中的誤差δ1~δ5的綜合結(jié)果大致為10.5 mm.通過自動(dòng)控制系統(tǒng)的長(zhǎng)度修正電路，對(duì)誤差進(jìn)行修正，再次設(shè)定了1個(gè)批次長(zhǎng)度為1 m的10根鋼筋，調(diào)直剪切后測(cè)量該批次鋼筋切斷長(zhǎng)度，長(zhǎng)度誤差結(jié)果如圖8所示.

從圖8中可以看出，修正后的誤差不大于1.5 mm，實(shí)現(xiàn)了精確定長(zhǎng).

圖8　第2次10根鋼筋長(zhǎng)度誤差

為檢驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，前后設(shè)定了6個(gè)批次共60根鋼筋，前3個(gè)批次采用直徑6 mm的鋼筋，后3個(gè)批次采用直徑10 mm的鋼筋，前后3個(gè)批次工作過程中分別斷電一次，上電之后鋼筋調(diào)直切斷機(jī)能從斷電前的狀態(tài)繼續(xù)工作.試驗(yàn)后測(cè)量每個(gè)批次的鋼筋長(zhǎng)度和直線度，調(diào)直切斷后所有鋼筋的直線度不大于2 mm/m，長(zhǎng)度誤差結(jié)果見表1.從表1中可以看出，調(diào)直切斷后鋼筋的最大長(zhǎng)度誤差不超過3 mm.

表1　不同批次長(zhǎng)度最大誤差

4結(jié)語

隨著鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)加工鋼筋的尺寸精度和工作效率方面的要求不斷提高，很多定長(zhǎng)精度的改進(jìn)方法大多從硬件上改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)起來比較困難且不具有通用性.文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可適用于不同機(jī)械結(jié)構(gòu)和剪切方式的鋼筋調(diào)直切斷機(jī)，自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠同時(shí)設(shè)定多批次鋼筋的長(zhǎng)度和數(shù)量，并在工作過程中顯示當(dāng)前批次、設(shè)定長(zhǎng)度、設(shè)定數(shù)量、已加工數(shù)量等參數(shù).系統(tǒng)設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)功能，掉電時(shí)能自動(dòng)保存當(dāng)前工作狀態(tài)和各種參數(shù)，上電后能從斷點(diǎn)繼續(xù)工作.通過誤差分析提出了提高定長(zhǎng)精度的方法，并通過硬件和軟件相結(jié)合的方法對(duì)誤差進(jìn)行了綜合補(bǔ)償，達(dá)到精確定長(zhǎng)的目的.該自動(dòng)控制系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、誤差小、通用性強(qiáng)等特點(diǎn).

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(責(zé)任編輯：杜明俠)

Design and Implementation of Automatic Control System on Reinforcing Bar Straightening and Cutting Machines

WANG Wenfan1, SHEN Jie2

(1.Shengda Economics Trade & Management College of Zhengzhou, Zhengzhou 451191, China;

2.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:For present reinforcing bars straightening and cutting machines, the precision of cutting length is low, the generality of control system is poor. In order to solve these problems, an automatic control system of reinforcing bar straightening and cutting machines was designed and implemented. The automatic control system can set the length and the quantity of multiple batches at the same time, and the parameters of the current batch, the quantity and the setting length, and so on, can be displayed in the working process. A simple and general intelligent length counting circuit with high precision was designed, which reserved electrical interface for different ways of length counting, and improved the generality. The power failure protection function was designed, by which the current state and all parameters could be saved when the power was off, and the system would work continuously from the breakpoint after power on. The length corrected function was designed, which could synthetically compensate the system error by the software, so the accurate cutting length could be realized. The testing results from the experiment show that the maximum cutting error is less than 3 mm for reinforcing bars with different diameters and different lengths.

Keywords:reinforcing bar straightening; cutting length; automatic control

中圖分類號(hào)：TP23;TU64+9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5634(2015)02-0074-06

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.016

作者簡(jiǎn)介：王文凡(1981—)，女，河南禹州人，講師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用、智能控制方面的研究.

基金項(xiàng)目:河南省教育廳高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A413015).

收稿日期:2015-02-06