錢(qián)廣闊，高 娟，謝 磊，王悅晗

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著我國(guó)鋼鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，冷連軋生產(chǎn)線越來(lái)越普及。連軋生產(chǎn)線對(duì)生產(chǎn)工序的連續(xù)性節(jié)奏性要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的冷軋生產(chǎn)線開(kāi)頭裝置大多采用人工操作的擺動(dòng)伸縮鏟頭來(lái)進(jìn)行開(kāi)頭工序，這種裝置需要人工干預(yù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，節(jié)奏慢，開(kāi)頭時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法滿足連軋生產(chǎn)線快節(jié)奏、高速生產(chǎn)的要求。針對(duì)該情況開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)開(kāi)頭的開(kāi)頭器裝置。

1 設(shè)備組成

開(kāi)頭器裝置主要由固定底座、升降架、擺動(dòng)架、夾鉗裝置、擺動(dòng)鏟板、壓輥等組成，如圖1所示。

圖1 開(kāi)頭器設(shè)備組成

固定底座為焊接結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置有升降液壓缸，可以實(shí)現(xiàn)升降架的升降。升降架為一焊接方箱結(jié)構(gòu)，四周可以通過(guò)固定底座的導(dǎo)向板導(dǎo)向。擺動(dòng)架鉸接于升降架上，可以通過(guò)擺動(dòng)油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)架的擺動(dòng)。在擺動(dòng)架上設(shè)置有夾鉗裝置，夾鉗裝置由固定夾鉗和活動(dòng)夾鉗組成，活動(dòng)夾鉗可以通過(guò)夾緊油缸沿導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾鉗的 夾緊打開(kāi)動(dòng)作。在夾鉗裝置前部設(shè)有一壓輥，壓輥前設(shè)有擺動(dòng)刮板，擺動(dòng)刮板可以繞壓輥軸線擺動(dòng)。

2 工作過(guò)程

開(kāi)頭器設(shè)置于開(kāi)卷機(jī)之后，直頭機(jī)之前，可以通過(guò)開(kāi)卷機(jī)和直頭機(jī)的配合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)鋼卷的開(kāi)頭功能。在開(kāi)頭器動(dòng)作之前，鋼卷先由上卷小車(chē)運(yùn)輸至開(kāi)卷機(jī)，并上至開(kāi)卷機(jī)卷筒上，將帶頭壓于第三象限區(qū)域，開(kāi)卷機(jī)壓輥壓下，并解除捆扎帶，直頭機(jī)上夾送輥打開(kāi)。

開(kāi)頭器首先將升降架升起到指定位置，然后擺動(dòng)架開(kāi)始擺動(dòng)，此時(shí)擺動(dòng)刮板打開(kāi)至上位，夾鉗裝置處于打開(kāi)位。擺動(dòng)架擺動(dòng)直至壓輥壓在鋼卷上。擺動(dòng)刮板落下，將刮板頭鏟在鋼外表面上。開(kāi)卷機(jī)反轉(zhuǎn)將帶頭轉(zhuǎn)至第二象限，然后開(kāi)卷機(jī)正轉(zhuǎn)，帶頭被刮板頭鏟開(kāi)并進(jìn)入打開(kāi)的夾鉗內(nèi)。夾鉗油缸動(dòng)作將帶頭夾緊，然后夾緊帶頭的夾緊裝置隨擺動(dòng)架擺回至初始位置，帶頭就被送入打開(kāi)的直頭機(jī)夾送輥之間，直頭機(jī)上夾送輥落下，將帶頭夾住。開(kāi)頭器夾鉗裝置打開(kāi)，升降架落至最低位，開(kāi)頭結(jié)束。

3 自動(dòng)開(kāi)卷時(shí)升降架高度計(jì)算

圖2為不同卷徑下開(kāi)頭器的工作狀態(tài)，圖3為升降架上升距離L2計(jì)算簡(jiǎn)圖。開(kāi)頭器要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)卷，應(yīng)該對(duì)不同直徑的鋼卷都能夠?qū)崿F(xiàn)。由圖2可知當(dāng)鋼卷直徑不同時(shí)，開(kāi)頭器升降架的升降高度是不一樣的，這樣就需要計(jì)算出對(duì)于不同卷徑的鋼卷開(kāi)頭器的升降高度L。通過(guò)升降油缸上的位移傳感器檢測(cè)值和L值的對(duì)比確定升降架升降高度位置。

圖2 不同卷徑下開(kāi)頭器的工作狀態(tài)

由圖2可知

L=L1+L2

式中，L1為升降架在最低位時(shí)，固定夾鉗上表面至直頭機(jī)夾送輥輥縫的距離，為固定值；L2為卷徑不同時(shí)，升降架的調(diào)整距離。L2為正值時(shí)上升，L2為負(fù)值下降。

圖3 升降架上升距離L2計(jì)算簡(jiǎn)圖

由圖3可知

(1)

式中，R為鋼卷半徑；Lx為開(kāi)卷機(jī)卷筒中心到開(kāi)頭器中心線的距離；Ly為開(kāi)卷機(jī)卷筒中心到擺動(dòng)架鉸點(diǎn)之間的距離(開(kāi)頭器升降架在最低位時(shí))；L3為擺動(dòng)架鉸點(diǎn)至壓輥中心的距離；θ為開(kāi)頭時(shí)，開(kāi)頭器壓輥中心與卷筒中心的夾角。

R值可以通過(guò)上卷小車(chē)卷徑測(cè)量測(cè)出。L1,Lx,Ly,L3，θ在開(kāi)頭器結(jié)構(gòu)確定后，各值都可以確定。根據(jù)上述公式可以解出L2值，從而計(jì)算出L值。

4 自動(dòng)開(kāi)頭的順序控制

4.1 控制流程

開(kāi)頭器的順序控制流程圖如圖4所示。

圖4 順序控制流程圖

如圖4所示，首先確定是否具備自動(dòng)開(kāi)頭的前提條件，該前提條件包括：開(kāi)頭器模式選擇“自動(dòng)”模式，開(kāi)卷機(jī)卷筒上有帶鋼，開(kāi)卷機(jī)壓輥壓下，開(kāi)卷機(jī)側(cè)支撐關(guān)閉，帶頭處于第三象限，直頭機(jī)夾送輥打開(kāi)，開(kāi)頭器升降架處于最下位，開(kāi)頭器夾鉗處于打開(kāi)位。如果具備上述條件，自動(dòng)開(kāi)頭開(kāi)始執(zhí)行，不具備條件程序結(jié)束，并在HMI上將不具備條件高亮顯示。

對(duì)于不同的卷徑，根據(jù)式(1)計(jì)算出L值，通過(guò)位移傳感器實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的對(duì)比，將升降架升高至L值位置；擺動(dòng)架上的擺動(dòng)刮板升到上位，刮板上翹；擺動(dòng)架擺下，壓輥會(huì)壓到鋼卷上，由于鋼卷直徑不確定，擺動(dòng)壓輥的壓下的位置也不確定，無(wú)法布置接近開(kāi)關(guān)，通過(guò)閥芯動(dòng)作延時(shí)2 s，確定動(dòng)作到位；擺動(dòng)刮板擺下，刮板頭鏟在鋼卷外層上；開(kāi)卷機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)270°，帶頭會(huì)進(jìn)入第二象限，再正轉(zhuǎn)帶頭進(jìn)入打開(kāi)的開(kāi)頭器夾鉗內(nèi)；夾鉗閉合，將帶頭夾緊；擺動(dòng)架擺回，帶動(dòng)夾緊帶頭的夾鉗一起擺回，將帶頭送入打開(kāi)的直頭機(jī)夾送輥內(nèi)；直頭機(jī)上夾送輥落下，夾送輥夾住帶頭；夾鉗打開(kāi)，升降架落下至下限位，開(kāi)頭完成。

4.2 控制系統(tǒng)過(guò)程

開(kāi)頭器作為冷連軋開(kāi)卷段設(shè)備，其自動(dòng)控制是通過(guò)冷連軋的開(kāi)卷段自動(dòng)控制系統(tǒng)，各動(dòng)作的檢測(cè)元器件(接近開(kāi)關(guān)，位移傳感器等)，各動(dòng)作的執(zhí)行元件(電磁閥)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

開(kāi)卷段自動(dòng)控制系統(tǒng)主要是由監(jiān)控操作站HMI, PLC，遠(yuǎn)程站及通訊網(wǎng)絡(luò)等組成。

HMI主要用于人機(jī)交互，采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的監(jiān)視，操作，報(bào)警，打印等功能，開(kāi)頭器升降高度計(jì)算中卷徑的大小可以通過(guò)HMI進(jìn)行輸入，自動(dòng)控制中出現(xiàn)執(zhí)行錯(cuò)誤可以通過(guò)HMI進(jìn)行報(bào)警，并停止。

PLC采用一臺(tái)高性能的Simatic S7-400 PLC，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)頭器的順序控制及連鎖控制，采用Step7編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)邏輯控制，系統(tǒng)硬件配置如下：S7-400主機(jī)架；CPU416-2DP模塊；電源模塊；信號(hào)模塊SM；以太網(wǎng)通訊模塊CP443-1；DP接口通信模塊。其中信號(hào)模塊中的數(shù)字輸入模塊SM421可以將接近開(kāi)關(guān)發(fā)送的數(shù)字信號(hào)電平，轉(zhuǎn)換為S7-400的內(nèi)部信號(hào)電平，通過(guò)編程語(yǔ)言的順序執(zhí)行，生成新的內(nèi)部信號(hào)電平，通過(guò)數(shù)字信號(hào)輸出模塊SM422，將內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成可以使電磁閥動(dòng)作的外部信號(hào)電平，從而控制各油缸的動(dòng)作。

由于連軋開(kāi)卷段距離電控室比較遠(yuǎn)，各個(gè)設(shè)備的檢測(cè)及控制點(diǎn)又比較分散，因此采用Simatic ET200M系列遠(yuǎn)程I/O站，通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與PLC相接，來(lái)保證信息的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用EIC一體化結(jié)構(gòu)，HMI與PLC之間采用基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，使用交換機(jī)技術(shù)，通信速率能夠達(dá)到10/100 Mb/s。各檢測(cè)元件及執(zhí)行元件接入ET200M遠(yuǎn)程站，ET200M遠(yuǎn)程站配置IM153用于接入Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與PLC的通訊。DP網(wǎng)絡(luò)在100 m范圍內(nèi)的通訊速度最快可以達(dá)到12 Mb/s。可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

5 應(yīng)用效果

自動(dòng)開(kāi)頭器的使用加快了冷連軋生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)奏，可以有效的縮短開(kāi)卷準(zhǔn)備時(shí)間，提高產(chǎn)能，并減少開(kāi)卷的人工配置，提高整線的自動(dòng)化水平。由中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司總成套的1250 mm全連續(xù)冷軋機(jī)組采用該自動(dòng)開(kāi)頭器，設(shè)備自投產(chǎn)以來(lái)，運(yùn)行良好，大大提高了生產(chǎn)節(jié)奏。

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