王 欣，張紅健，宋 鑫，吳曉輝，曹愛(ài)玲

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.山東重騎摩托車(chē)（集團(tuán)）廠 ，濟(jì)南 250116）

0 引言

開(kāi)卷機(jī)是帶鋼連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備之一，實(shí)現(xiàn)開(kāi)卷機(jī)組的自動(dòng)上卷將減少輔助準(zhǔn)備時(shí)間，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高整條生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。

開(kāi)卷機(jī)自動(dòng)上卷的關(guān)鍵指標(biāo)是獲得鋼卷的寬度、卷徑和位置。目前帶鋼連續(xù)生產(chǎn)線上自動(dòng)上卷的功能主要是通過(guò)激光測(cè)距儀或超聲波傳感器直接測(cè)量鋼卷卷徑和寬度而實(shí)現(xiàn)的，但是由于鋼卷的反光和廠房?jī)?nèi)噪聲的干擾，使得測(cè)量結(jié)果容易出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致自動(dòng)上卷故障率高，經(jīng)常需要人工干預(yù)手動(dòng)上卷。

本文提出一種通過(guò)編碼器間接檢測(cè)鋼卷寬度和卷徑的方法，可以消除環(huán)境聲光對(duì)測(cè)量的干擾，提高自動(dòng)上卷的準(zhǔn)確性和成功率，增強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定可靠性。

1 設(shè)備布置

開(kāi)卷機(jī)自動(dòng)上卷裝置的機(jī)械設(shè)備主要由開(kāi)卷機(jī)芯軸、鋼卷小車(chē)、鞍座組成，如圖1所示，在自動(dòng)上卷過(guò)程中，上卷小車(chē)負(fù)責(zé)鋼卷的升降及平移，其中鋼卷的升降是通過(guò)上卷小車(chē)液壓缸動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)的，鋼卷的平移是通過(guò)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)上卷小車(chē)車(chē)輪沿著軌道轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。

開(kāi)卷機(jī)自動(dòng)上卷裝置的檢測(cè)元件為測(cè)徑傳感器、側(cè)寬傳感器、行走編碼器、升降編碼器、行程開(kāi)關(guān)。下面詳細(xì)介紹開(kāi)卷機(jī)自動(dòng)上卷裝置檢測(cè)元件的作用、安裝位置以及選型：

1）小車(chē)行走距離檢測(cè)編碼器：該編碼器用于檢測(cè)小車(chē)行走距離，確定小車(chē)位置。為了消除鋼卷小車(chē)車(chē)輪打滑，編碼器安裝在小車(chē)被動(dòng)輥。本裝置采用增量旋轉(zhuǎn)編碼器或絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器測(cè)量精度的選擇與小車(chē)輥徑、減速比、編碼器線數(shù)有關(guān)。

2）小車(chē)升降距離檢測(cè)編碼器：用于檢測(cè)小車(chē)托架升降的高度。本裝置采用增量旋轉(zhuǎn)編碼器，測(cè)量精度與輪徑、減速比、編碼器線數(shù)有關(guān)。

圖1 自動(dòng)上卷示意圖

3）小車(chē)托架下極限檢測(cè)：該測(cè)量點(diǎn)用于確定升降高度計(jì)算的零點(diǎn)。本裝置采用接近式電磁開(kāi)關(guān)傳感器。

4）鋼卷卷徑檢測(cè)傳感器：通過(guò)該傳感器檢測(cè)的高度作為升降位距離測(cè)編碼器計(jì)數(shù)起始點(diǎn)。本裝置采用對(duì)射光電式傳感器，監(jiān)測(cè)距離視兩框架距離而定（如5m）。安裝在特定位置的框架上，其安裝高度應(yīng)高于小車(chē)上最大卷徑鋼卷高度。也可在稍低處再安裝一套卷徑檢測(cè)傳感器，對(duì)于來(lái)料大卷小卷可以分別檢測(cè)。

5）鋼卷卷寬檢測(cè)傳感器：上卷小車(chē)平移鋼卷運(yùn)動(dòng)，從鋼卷遮擋住該傳感器，到鋼卷脫離該傳感器，距離檢測(cè)編碼器計(jì)數(shù)得到鋼卷寬度。測(cè)寬傳感器與卷徑檢測(cè)傳感器安裝在同一框架上，其安裝高度應(yīng)低于小車(chē)上最小卷徑鋼卷套筒下沿高度。本裝置采用對(duì)射光電式傳感器。

6）復(fù)位行程開(kāi)關(guān)：為小車(chē)自動(dòng)上卷起始位置和行走位置清零。本裝置采用叉式行程開(kāi)關(guān)，安裝在芯軸外側(cè)，安裝位置應(yīng)距板寬檢測(cè)傳感器大于一個(gè)板寬的 距離。

7）小車(chē)行程前、后限位開(kāi)關(guān)：作為小車(chē)行程兩端的電氣限位。本裝置采用叉式行程開(kāi)關(guān)。

2 鋼卷寬度及卷徑的測(cè)量原理

2.1 鋼卷寬度自動(dòng)測(cè)量

測(cè)量鋼卷寬度的目的是為了計(jì)算出小車(chē)的前行距離d，使鋼卷的中心正好運(yùn)行到生產(chǎn)線的中心。測(cè)量方法如圖1及式(1)所示。

小車(chē)托舉鋼卷向前移動(dòng)，當(dāng)鋼卷的前沿遮擋測(cè)寬傳感器，行走編碼器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)鋼卷脫開(kāi)（不遮擋）測(cè)寬傳感器的視野，PLC讀取行走編碼器的計(jì)數(shù)，該數(shù)據(jù)即為板寬值W。小車(chē)?yán)^續(xù)前行至復(fù)位點(diǎn)停止，此時(shí)需要再次讀取編碼器的讀數(shù)，它所對(duì)應(yīng)的是d2。由于傳感器架到生產(chǎn)線中心的距離d1是已知的，所以小車(chē)從現(xiàn)在的位置要將鋼卷安放在芯軸中心還要前行距離d為：

其中：d1是測(cè)寬傳感器到卷軸中心的距離；

d2是小車(chē)前行到復(fù)位點(diǎn)，編碼器讀取的距離；

d是小車(chē)托舉鋼卷行至卷軸中心線所需要行走的 距離。

2.2 鋼卷卷徑自動(dòng)測(cè)量

測(cè)量鋼卷卷徑的目的是為了確定鋼卷卷芯高度。由于開(kāi)卷機(jī)軸芯基于小車(chē)標(biāo)高H軸是已知的，所以必須得到鋼卷卷芯高度H卷（如圖1所示），才可以計(jì)算出小車(chē)需要升高的高度，然后抬升鋼卷卷芯高度與開(kāi)卷機(jī)芯軸高度同高，從而完成自動(dòng)上卷。由圖2可以看出卷芯基于小車(chē)標(biāo)高H卷=H-R，鋼卷卷徑R的計(jì)算及測(cè)量的過(guò)程描述如下：

圖2 卷徑檢測(cè)示意圖

小車(chē)托舉鋼卷橫向移動(dòng)至紅外線對(duì)射傳感器支架處，小車(chē)托舉鋼卷向上移動(dòng)，直到鋼卷遮擋住測(cè)徑傳感器，此時(shí)小車(chē)升降編碼器記錄h值，從而通過(guò)式(1)計(jì)算出R：

其中：H是測(cè)徑傳感器基于小車(chē)的標(biāo)高，為定值；

h是小車(chē)升高的高度；

a是小車(chē)托板仰角。當(dāng)a=12°，R=0.4945（H-h）。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于來(lái)料卷徑的差別比較大，可以安排大小卷卷徑測(cè)量，即在不同高度上安裝兩套測(cè)徑傳感器，小卷測(cè)量方法同上。

3 自動(dòng)上卷的步驟

3.1 自動(dòng)上卷前的準(zhǔn)備及條件

檢查鋼卷（檢查標(biāo)牌和型號(hào)、不塌卷、外圈不松邊、外圈與卷截面平齊、開(kāi)卷方向正確）并吊裝在鞍座指定范圍內(nèi)；

小車(chē)處于開(kāi)卷機(jī)側(cè)支撐與復(fù)位點(diǎn)之間；

開(kāi)卷機(jī)芯軸處于縮徑狀態(tài)；

開(kāi)卷機(jī)恢復(fù)到中心位置（開(kāi)卷機(jī)機(jī)座可移動(dòng)時(shí)）；

芯軸外支撐處于打開(kāi)狀態(tài)。

由于系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)上卷程序后，將自行進(jìn)行放下側(cè)支撐、芯軸縮徑、導(dǎo)板放下及壓輥抬起等動(dòng)作，操作員要先觀察好設(shè)備的活動(dòng)空間內(nèi)是否有人員、物體等，在

【】【】確保安全的情況下方可啟動(dòng)自動(dòng)上卷程序。

圖3 上卷小車(chē)動(dòng)作軌跡

3.2 自動(dòng)上卷步驟

如圖3所示，對(duì)自動(dòng)上卷的流程簡(jiǎn)要說(shuō)明如下。

1）吊車(chē)吊運(yùn)鋼卷至鞍座上，操作員按下“自動(dòng)上卷”按鈕，啟動(dòng)自動(dòng)上卷過(guò)程；

2）小車(chē)（降到最低點(diǎn)）從復(fù)位點(diǎn)行至最近有鋼卷的鞍座正下方，如果鞍座有傳感器檢測(cè)是否有鋼卷，程序可以自動(dòng)判別運(yùn)行到那個(gè)鞍座→小車(chē)抬起鋼卷，使鋼卷脫離鞍座一個(gè)較小距離（如50mm）→小車(chē)托舉鋼卷向開(kāi)卷機(jī)方向運(yùn)動(dòng)；

3）傳鋼卷前沿碰到（測(cè)寬）傳感器架后（再向前移動(dòng)一點(diǎn)）停止前進(jìn)，升鋼卷至遮擋測(cè)卷經(jīng)傳感器并計(jì)算卷徑；

4）小車(chē)前進(jìn)至復(fù)位行程開(kāi)關(guān)，計(jì)算鋼卷前沿位置和卷寬；

5）鋼卷上升至與開(kāi)卷機(jī)芯軸同芯；

6）小車(chē)前行將鋼卷送到開(kāi)卷機(jī)芯軸中心位置→開(kāi)卷機(jī)芯軸漲開(kāi)；

7）小車(chē)托架降到下極限點(diǎn)，駛出開(kāi)卷機(jī)至復(fù)位點(diǎn)①后待命→側(cè)支撐支起，自動(dòng)上卷過(guò)程結(jié)束。

4 結(jié)論

1）本文所述的鋼卷自動(dòng)上卷裝置，在我公司青海平安鋁板連續(xù)清洗機(jī)組、思文科德高速脫脂機(jī)組等多條生產(chǎn)線上得以成功應(yīng)用。

2）編碼器間接檢測(cè)鋼卷寬度和卷徑的方法，避免了由激光測(cè)距儀或超聲波傳感器測(cè)量造成的誤差，提高了每卷鋼卷的定位精度和上卷速度，降低了工人人工操作的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3）自動(dòng)上卷取代了人工上卷的視覺(jué)定位，同時(shí)自動(dòng)上卷的過(guò)程不斷檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，判斷設(shè)備（小車(chē)、卷筒、活動(dòng)支撐）的當(dāng)前狀態(tài)，自動(dòng)允許與禁止相應(yīng)動(dòng)作，保護(hù)了設(shè)備，降低了故障率。

參考文獻(xiàn)：

[1]喻飛鵬.帶材生產(chǎn)機(jī)組的自動(dòng)上卷系統(tǒng)[J].有色金屬加工, 2002,31(1):46-47.

[2]許強(qiáng),劉乃鎖,陳秀琴,李浩,馬嵩源.鋼卷的自動(dòng)上卷控制[J].電氣傳動(dòng),2013,43(6):53-55,72.