高速线材启停式曲柄飞剪控制

高速线材启停式飞剪控制系统

包钢钢联棒材厂

张振华

摘要：本文重点分析了高速线材连轧生产线上启停式飞剪的运行过程，在实际应用中飞剪控制单元如何根据剪切长度和工件速度等变量计算剪切的速度给定和位置给定曲线，控制传动装置驱动剪刃运行实现高速高精度剪切等问题，以及控制高速启停过程中应重点注意的问题，如工件速度补偿，传动系统速度跟踪特性，超速剪切等。

Abstract: mainly analyses run-stop flying shears operation process in the continuous rolling production of high-speed wire rod, how the shears control unit calculates the speed reference and the position reference curve based on the cutting length variable and the work piece speed variable, the transmission device drives flying shears blade to realize high-speed and high-precision cutting, and some important subjects such as workpiece speed compensation, the speed tracking characteristic of the transmission device, and overspeed cutting in the control of the high-speed run-stop process.

关键词：高速线材启停式飞剪

Keywords: high-speed wire rod, run-stop flying shears

1 前言

在高速线材连轧生产线上，为了提高产品质量，在中轧机组、预精轧机组、精轧机组前均设有切头、切尾飞剪，当发生事故时，该飞剪还具有碎断功能。在剪切过程中，由于钢材硬度大，剪切力大，要求系统具有大转动惯量，相应电机功率较大，控制系统更为复杂，且轧钢过程中影响剪切精度的因素多，如何排除这些影响因素，提高飞剪的可靠度和精度，成为飞剪控制系统中的主要问题。

2 启停式飞剪运行过程分析

飞剪硬件一般由驱动电机、齿轮减速机、剪机及废料收集装置组成,一般以剪刃运行速度作为系统速度。将剪刃运行一周根据电机轴端编码器脉冲信号划分为4096份,每一份对应剪刃所处一个位置,一般以剪刃闭合位置即剪切位置作为0，等待剪切位置为1024。图1 为飞剪运行轨迹,因为飞剪的上下剪刃连接与同一减速机上,上下剪刃相对运行,所以示意图简化为上剪刃运行图。

图1 中,A x为飞剪剪刃入切角, 一般取剪刃与工件相碰开始的角度,A y为飞剪剪刃出切角,一般取剪刃与工件离开的角度。飞剪启动后自动停在起始位置A z,接到启动命令后飞剪由起始位置A z加速到剪刃入切角度A x时达到工件速度v0 ,在剪切过程中, 即剪刃在入切角与出切角范围内保持与工件同速, 同时剪刃到达零位置时工件P点到达剪切零位, 到达剪刃出切角A y剪切完成后,开始减速,接近起始位置时开始剪刃定位控制, 剪刃停在起始位置等待下一次剪切命令。在多数情况下剪切时要求剪刃速度稍高于工件速度以保证剪刃水平速度分量与工件同速或稍高于工件速度,如果v x小于工件速度, 剪刃将阻挡工件造成工件弯头。如果v x过高,剪切时会造成拉钢及打尾使工件尾部弯曲,一般情况下v x

=(1～1. 03) v0。同时为了补偿剪切时剪刃电机的速降,剪切速度取为

v = v x (1 + K x ) / cos A x(1)

飞剪剪刃入切角A x的范围根据工件截面尺寸不同变化较大,一般5°～20°。补偿剪刃速降超速系数K x约1 %,代入式(1) 得

v = v0 (1. 01 - 1. 1)

将以上各补偿值归并为K1 ,称为超前率

v = v0×K1

有些时候剪切断面的尺寸较大, 或对剪切断面有要求, K1量在剪切过程中为变化值在程序中需

要预先设定剪切曲线, 剪切时按预定曲线控制剪刃速度。

3、飞剪剪切过程分析

飞剪的切头、切尾及定长剪切本质都在于在指定位置对工件进行剪切，如图2所示，当工件P点(预定剪切位置) 运动到飞剪前固定位置S时,发出剪切命令,飞剪按照预定速度和位置运动保证P点运动到剪切零位置时剪刃也刚好到达零位,同时速度达到指定速度v。

系统通过热金属检测器检测钢材头部信号或尾部信号,并测量工件速度v0 来跟踪剪切点实际位置。

当检测到工件头部信号后,系统延时Δt时间后发出剪切命令。此时工件P点位于S位置Δt = ( L AP + L AS ) / v0

式中, L AP为切头长度,工件剪切位置距飞剪启动位置距离为L AP + L AS。Δt计算准确度决定于v0的测定和L AS的选取,即位置跟踪的准确度。提高工件位置跟踪精度也就提高了飞剪的剪切精度。工件速度取飞剪前机架速度v a , 同时应考虑轧钢时的前滑量v0 = v a×K2 。K2值一般可直接设定(1. 01～1. 05) , 但是在高精度要求的飞剪系统中如定尺剪,微小的前滑量差别可能造成较大的绝对误差量。前滑量的大小受到钢材轧制温度、材料、轧制压下量等条件的影响,特别是在拉钢轧制中前滑量很难掌握, 一般由工艺调整人员根据轧钢状况现场调整。在自动控制中我们采取速度校正的方法, 即采用两个热金属检测器测定工件头部到达两热检时间的差值计算工件实际速度v01 ,并取当前上游机架速度v a1 , 根据公式v01 = v a1×K2得出前滑量, 计算下一根钢工件速度v02 =v a2×K2。

L AS = L AB - L S (2)

式中:L AB为热金属检测器到剪刃中心线直线距离; L S决定于飞剪剪刃速度曲线及加速距离, L S = v0×Δt1 = v0×Σt ,Σt 为剪刃由起始位置至剪切位置总时间。采用较常用的恒加速运动计算飞剪运行时间为

L S = v0×( t1 + t2 ) (3)

式中: t1为剪刃加速运行部分时间; t2为剪刃恒速运行部分时间。

A Z1 D =1/2a m t12(4)

v = a m t1 = v0 K1(5)

由式(4) 、式(5) 得剪刃加速运行部分时间t1为

t1 = 2 ×A Z1 D/ v0 K1(6)

式中: A Z1为加速过程剪刃所经弧度; D为剪刃直径。剪刃恒速运行部分时间t2为

t2 = A x D/ V 0 K1(7)

式中:A x为入切角后剪刃所经弧度。