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 型鋼火切機基于割槍位置檢測編碼器實現(xiàn)割槍切割速度的控制，對于這種型鋼火切機，在實際使用中，由于型鋼火切機割槍在切割型鋼時，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構(gòu)驅(qū)動電機軸上的位置檢測編碼器的穩(wěn)定運行帶來一定的影響，由此型鋼火切機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的影響，設(shè)計了一種型鋼火切機割槍無編碼器控制程序，并獲得了較好的效果。

2 型鋼火切機的結(jié)構(gòu)及割槍控制

型鋼火焰切割機(簡稱型鋼火切機)通常由火切機割槍行走機構(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、割槍行走機構(gòu)驅(qū)動電動機以及傳動齒輪等)、火切機基礎(chǔ)框架(包括與割槍行走機構(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，在割槍切割火焰強度不變的情況下，為了保證型鋼的切割效果，火切機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，型鋼火切機通常采用割槍切割速度與型鋼位置段綁定的方式進行控制，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構(gòu)上的鋼坯邊緣檢測重錘以及安裝在其驅(qū)動電機軸上的編碼器來實現(xiàn)。實踐證明，這種帶割槍位置檢測火切機其工作的穩(wěn)定性主要取決于割槍位置檢測編碼器的穩(wěn)定性。

圖1 型鋼火焰切割機結(jié)構(gòu)示意圖

3 型鋼火切機割槍無編碼器控制

鑒于火切機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)切割時間來實現(xiàn)。正是基于此，設(shè)計了一種型鋼火切機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I=‘1’時，Y =X2，當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S 為‘1’，R 為‘0’時，Q 為‘1’，QN 為‘0’，當S 為‘1’，R 為‘1’時，Q 為‘0’，QN 為‘1’，當S 為‘0’，R 為‘0’時，Q 和QN 保持原態(tài)，當S 為‘0’，R 為‘1’時，Q 為‘0’，QN 為‘1’;PCL 為脈寬限定功能塊，當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，當待切割型鋼在火切機所對應(yīng)的輥道上定位完畢后，軋鋼操作工即可點擊火切機自動切割啟動按鈕，這樣，在割槍傳動準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 將割槍傳動電機速度設(shè)定為128%電機額定速度，使割槍以高速前行。當割槍行走機構(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 一種型鋼火切機割槍無編碼器控制程序結(jié)構(gòu)圖

3)對于型鋼火切機而言，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 將割槍傳動電機速度設(shè)定為128%電機額定速度，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(即切割焰點火)，割槍切割焰在點火后的短暫時間內(nèi)(如1.5s)便可達到切割所需的狀態(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)使割槍傳動電機速度設(shè)定值為128%電機額定速度，使割槍快速點動至型鋼邊緣進行型鋼邊緣預(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狀態(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 將割槍傳動電機速度設(shè)定為18.1%電機額定速度，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 將割槍傳動電機速度設(shè)定為64%電機額定速度，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將割槍傳動電機速度又設(shè)定為18.1%電機額定速度，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將割槍傳動電機速度設(shè)定為－128%電機額定速度，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備。

4 結(jié)束語

該型鋼火切機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 型鋼火切機上投入使用以來，一直運行穩(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，實際使用效果很好。

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

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

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