查德根,孔強強

(1.上海寶菱冶金設(shè)備工程技術(shù)有限公司，上海 201900； 2.上海理工大學機械工程學院，上海 200093)

0 前言

冷軋圓盤剪是用于切除帶鋼邊部缺陷的冷軋?zhí)幚砭€上的重要設(shè)備，不僅在連續(xù)高速運行中剪切較厚的帶鋼承受重載，而且為了保證機組連續(xù)運行需要能夠快速換刀。圓盤剪設(shè)備精度高、執(zhí)行機構(gòu)多、結(jié)構(gòu)復雜布置緊湊，自動化程度高，需要采用先進的設(shè)計方法和技術(shù)手段。本文在分析圓盤剪基本組成及工作原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用三維建模和計算仿真等技術(shù)，建立了包括刀軸等圓盤剪所有零部件的三維實體模型，完成了圓盤剪的虛擬樣機設(shè)計。通過虛擬樣機的裝配、拆卸、零部件間的干涉檢查、工作過程的仿真分析，特別是對圓盤剪刀軸的換刀過程的模擬仿真，優(yōu)化換刀過程，減少換刀時間，解決圓盤剪研發(fā)階段在調(diào)試過程中，自動換刀時間較慢，不能滿足生產(chǎn)節(jié)奏需求等問題。

1 設(shè)備組成及工作原理

1.1 設(shè)備組成

圖1為國內(nèi)某大型鋼廠開發(fā)的酸洗冷軋雙刀頭圓盤剪，產(chǎn)品品種定位于汽車和家電行業(yè)用熱軋酸洗鋼卷，剪切帶鋼厚度1.8～6.0 mm，機組運行速度最大250 m/min。設(shè)備由圓盤剪本體、開閉調(diào)整裝置、機架回轉(zhuǎn)裝置、固定底座以及輔助裝置等組成。其中，圓盤剪本體由本體機架、上下刀軸、側(cè)隙調(diào)整裝置、重疊量調(diào)整裝置以及側(cè)壓輥轉(zhuǎn)臂機構(gòu)等組成。本體的兩組刀軸上下布置、成對使用，每根刀軸配置一片圓盤狀的剪切刀片，對應(yīng)配置刀片間隙調(diào)整機構(gòu)和一套刀片重疊量調(diào)整機構(gòu)。機架開閉裝置通過開閉馬達驅(qū)動滾珠絲杠，帶動機架在導軌上滑動，調(diào)整刀軸的開口度，決定剪切后帶鋼的寬度。機架回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)油缸推動齒條移動，帶動與齒輪一體的機架及刀軸180°回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)刀軸的快速換刀。圓盤剪本體、機架開閉裝置、本體回轉(zhuǎn)裝置均布置在固定底座上。

圖1 圓盤剪基本組成

1.2 工作原理

圓盤剪正常剪切過程中，上下刀盤由帶鋼帶動著被動回轉(zhuǎn)。帶鋼從圓盤剪中間運行，其兩側(cè)有缺陷的邊部分別被左、右兩對刀盤切除。切除的廢邊絲通過圓盤剪出口的碎邊剪剪斷，由廢料收集裝置集中處理。帶鋼焊縫通過圓盤剪前需要經(jīng)過月牙剪挖邊，焊縫到達圓盤剪時，帶鋼停止運行，控制系統(tǒng)根據(jù)來料信息自動調(diào)整移動機架的寬度、刀刃的側(cè)向間隙和刀刃的重疊量等參數(shù)。參數(shù)自動調(diào)整完成后，帶鋼繼續(xù)運行進行邊部剪切，直至一個鋼卷剪切周期完成。

由于刀片磨損等因素，圓盤剪刀片需要經(jīng)常更換。圓盤剪換刀包括兩個階段，第一階段是刀架回轉(zhuǎn)快速換刀，即通過帶鋼停止運行、刀架打開、刀架回轉(zhuǎn)、刀架閉合等過程完成刀軸更換作業(yè)。為保證機組連續(xù)運行和提高生產(chǎn)效率，要求刀軸回轉(zhuǎn)換刀周期小于機組活套的充套時間。第二階段是指刀片更換，一對刀盤在線剪切作業(yè)時，另一對刀盤處于離線狀態(tài)，操作人員對回轉(zhuǎn)到非工作位置刀軸上的不合格刀片，借助換刀工具進行快速拆卸和更換刀片。在線刀軸回轉(zhuǎn)最小換刀時間是考核圓盤剪工作的重要保證值之一。換刀時間越短，越有利于縮短換刀周期，提高生產(chǎn)作業(yè)率。

2 三維建模和計算機仿真

圓盤剪的計算機仿真是指采用三維動畫技術(shù)將圓盤剪的外形、零部件結(jié)構(gòu)和配合關(guān)系等物理模型，以及圓盤剪的設(shè)計原理、工作過程、使用方式等技術(shù)和工作特性以動態(tài)視頻的形式演示出來。計算機仿真可演示圓盤剪設(shè)備的全局運行狀態(tài)，觀察圓盤剪運行時的運動配合、功能實現(xiàn)和周邊工況關(guān)系等。圓盤剪的仿真設(shè)計包括零部件的三維實體建模、圓盤剪的裝配拆卸、工作過程以及機架開閉、回轉(zhuǎn)等快速換刀過程的模擬演示。

2.1 三維模型的建立

圓盤剪設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，非標零件很多。本文應(yīng)用三維特征建模軟件Solidworks完成了圓盤剪的三維建模。圖2～圖4分別為圓盤剪設(shè)備總體、圓盤剪本體總成和刀軸組件的三維實體模型。

圖2 圓盤剪設(shè)備總成的三維模型

圖3 圓盤剪本體的三維裝配體模型

圖4 刀軸總成的三維裝配體模型

3.2 圓盤剪的裝拆過程仿真

圓盤剪設(shè)備的裝拆過程仿真包括裝配順序規(guī)劃和干涉檢驗兩部分。裝配順序規(guī)劃決定了產(chǎn)品的最優(yōu)裝配路徑、裝配質(zhì)量和裝配成本等，也是檢測零部件之間是否存在靜態(tài)空間干涉的重要依據(jù)。

裝配順序規(guī)劃方法有：拆卸法、割集法、優(yōu)先約束法、基于層次識別法的裝配順序求解方法、基于組件識別的求解方法和基于知識的求解方法等。圓盤剪的裝配順序規(guī)劃參考現(xiàn)有的裝配工藝，采用拆卸法演示設(shè)備和部件的裝配順序。圖5a為刀軸裝配總成中用到的零部件，其裝配順序為：刀軸-導向鍵-螺釘-活塞組件-碟簧-保持蓋-螺釘組-鎖緊螺母-止動擋塊-刀片-導向環(huán)-壓環(huán)。

為了更清楚地表達裝配體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖5b采用了半剖圖的表現(xiàn)形式。完成裝配體后，可以對該模型進行相關(guān)評估分析，如干涉檢查、間隙驗證、質(zhì)量統(tǒng)計以及有限元分析等。

3.3 圓盤剪工作過程運動仿真

圓盤剪的仿真包括圓盤剪剪切過程模擬、刀片重疊量調(diào)整和間隙調(diào)整前后的狀態(tài)模擬和干涉檢查，以及換刀過程中的本體開閉、刀架回轉(zhuǎn)、換刀等輔助過程仿真。本文應(yīng)用Solidworks的運動仿真模塊Motion完成了上述仿真。以圓盤剪工作過程仿真為例，仿真內(nèi)容主要包含以下幾個動作：本體機架的開閉、旋轉(zhuǎn)和鎖緊，側(cè)壓輥擺動，上下刀軸旋轉(zhuǎn)，刀軸軸向移動，上下刀座升降等。各動作的輸入形式選用馬達這一動力源形式，各動作的實際設(shè)備動力源與運動仿真動力源形式的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖5 刀軸總成的裝配

圓盤剪工作過程中的各項動作動作目的設(shè)備實際動力源動畫仿真動力源形式本體機架開閉調(diào)整帶鋼剪切寬度以及實現(xiàn)換刀寬度調(diào)整電機線性馬達本體機架旋轉(zhuǎn)在線和離線刀具的工位互換機架回轉(zhuǎn)液壓缸旋轉(zhuǎn)馬達機架鎖緊鎖緊本體機架機架鎖緊缸引力側(cè)壓輥擺動壓緊帶鋼擺臂液壓缸旋轉(zhuǎn)馬達刀軸旋轉(zhuǎn)剪切帶鋼帶鋼張力帶動旋轉(zhuǎn)馬達刀軸軸向移動調(diào)整刀片側(cè)向間隙側(cè)隙調(diào)整電機線性馬達刀座升降調(diào)整刀片重疊量重疊量調(diào)整電機線性馬達

應(yīng)用Motion Manager工具欄完成各動力源相關(guān)參數(shù)設(shè)置后，應(yīng)用Motion計算功能完成仿真計算，保存仿真運動算例并導出AVI視頻文件。圖6為圓盤剪剪切鋼板過程及其后續(xù)碎邊處理的工作瞬間圖。

圖7為換刀過程仿真時三種狀態(tài)的位置截圖。圖中的橢圓框表示換刀過程中刀架的當前位置。圖7a為刀架打開位置、圖7b為刀架回轉(zhuǎn)過程中刀架旋轉(zhuǎn)約45°時的位置，圖7c為換刀完成時刀架閉合位置。通過仿真，全面檢查換刀過程中的空間干涉，模擬各種工況下的換刀周期。

圖6 剪邊過程及后續(xù)設(shè)備運動仿真

圖7 換刀過程計算機仿真

4 仿真在換刀時間優(yōu)化配置中的應(yīng)用

在本套圓盤剪調(diào)試過程中，針對自動換刀時間長不能滿足生產(chǎn)節(jié)奏需求這一問題，應(yīng)用圓盤剪虛擬樣機和機械仿真，結(jié)合現(xiàn)場實際情況和設(shè)計經(jīng)驗，尋找到了換刀時與碎邊剪不干涉的機架最小開度，縮短了換刀時間，減少了設(shè)備的輔助工時，提高了作業(yè)效率。

圓盤剪的換刀步驟如8所示。圓盤剪調(diào)試初期的換刀總時間約為120 s，其中本體機架打開和閉合各占用40 s，旋轉(zhuǎn)鎖緊缸松開和鎖緊各用5 s，本體機架旋轉(zhuǎn)用時30 s。這與其它機組中同類圓盤剪換刀時間90 s左右的數(shù)值相比明顯偏長。

圖8 圓盤剪換刀步驟

通過分析和模擬圓盤剪虛擬樣機的工作狀況，制定出了三方面措施來縮短換刀時間。

(1)盡可能減小本體機架的開閉距離。本套圓盤剪的配套碎邊剪是兩機三工位型式，換刀圓盤剪本體機架旋轉(zhuǎn)時，需保證圓盤剪的旋轉(zhuǎn)動作與附近的碎邊剪不發(fā)生位置干涉。通過工作過程模擬仿真發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前機架從在線工作位置行走到機架回轉(zhuǎn)位置的距離為650 mm，而機架行走到大于300 mm后，機架回轉(zhuǎn)時與附近碎邊剪已不會發(fā)生碰撞和干涉。因此，機架打開的行程可縮短一半，同理，機架閉合行程也可相應(yīng)縮短一半。通過對這兩個設(shè)備的工作狀態(tài)模擬，找出了圓盤剪的最佳回轉(zhuǎn)位置，使得機架開閉距離更合理。

(2)通過提高機架調(diào)寬電機的變頻調(diào)速能力，加快機架開閉速度，縮短開閉時間。最后，利用機架回轉(zhuǎn)缸和回轉(zhuǎn)鎖緊缸的緩沖特性，加快了這兩個液壓缸的動作速度，進一步縮短了機架回轉(zhuǎn)以及鎖緊等動作的所用時間。通過動畫模擬分析和現(xiàn)場調(diào)試，最終將圓盤剪的換刀時間由原來的120 s減少到50 s。表2為圓盤剪換刀時間優(yōu)化前后的對比情況。

表2 換刀時間優(yōu)化配置 s

6 結(jié)束語

本文建立了酸洗冷軋雙刀頭重型圓盤剪及其輔助設(shè)備的虛擬樣機，完成了其工作過程的模擬仿真，利用上述結(jié)果對圓盤剪換刀時間進行了優(yōu)化配置。圓盤剪虛擬樣機和計算機仿真結(jié)果不僅解決了實際生產(chǎn)中存在的問題，也為圓盤剪的快速設(shè)計和維修維護等提供指導和借鑒。