袁 旺，王亞軍，魏子良，劉正明，張瀟祥

(1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315)

0 引 言

梯子梁也稱鋼筋鋼帶，是煤礦井下使用的防護(hù)材料，主要用于錨桿支護(hù)煤巷掘進(jìn)及隧道加固等[1]。梯子梁由兩根長(zhǎng)料和若干的短料焊接而成，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便且生產(chǎn)成本低，因此在煤炭開(kāi)采過(guò)程中被廣泛使用。目前梯子梁的主要生產(chǎn)方式是手工焊接，手工焊接存在焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接氣體影響工人健康等問(wèn)題[2-3]。

對(duì)梯子梁自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線的研究過(guò)程中，劉嘉琪[4]從生產(chǎn)線的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的研究；付新宇[5]從生產(chǎn)線整體的PLC控制過(guò)程進(jìn)行了研究，但他們對(duì)于長(zhǎng)料的儲(chǔ)料過(guò)程均沒(méi)有詳細(xì)的介紹。利用活套裝置對(duì)柔性材料的儲(chǔ)料裝置的研究中，張少坤[6]利用ADAMS進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，結(jié)果表明，在帶材等柔性材料的生產(chǎn)以及使用中，利用傳統(tǒng)的計(jì)算能夠保證其良好的運(yùn)行?？琢顒俒7]、金琳[8]等人在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于連續(xù)生產(chǎn)的需要，發(fā)明了一種配重式活套系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于大柔度產(chǎn)品的生產(chǎn)。于景輝[9]等在研究帶鋼熱軋時(shí)，由于精軋時(shí)的前后速度不匹配問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致帶鋼拉鋼的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種利用閉環(huán)控制的活套，并在實(shí)際使用中得到了良好的效果。楊平[10]等在熱軋鋼帶控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立了活套控制性能指標(biāo)的參看標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于活套控制起到了一定的推動(dòng)作用。

梯子梁自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線中，長(zhǎng)料由鋼筋卷拆解后依次通過(guò)變頻調(diào)直機(jī)，儲(chǔ)料裝置，二次調(diào)直裝置，伺服送料裝置，最后被送到焊接臺(tái)上與短料焊接成型。在長(zhǎng)料送料過(guò)程中，由于采用伺服電機(jī)間歇送料，鋼筋拆卷后采用變頻調(diào)直機(jī)連續(xù)送料。因此前后存在送料速度不同步的問(wèn)題，如何解決該問(wèn)題成為筆者的主要研究對(duì)象。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在變頻調(diào)直機(jī)與伺服送料裝置之間安裝起緩沖作用的儲(chǔ)料裝置[11]能夠解決上述問(wèn)題。筆者闡述了立式儲(chǔ)料裝置的設(shè)計(jì)，解決了長(zhǎng)料跨度較大送料速度不同步的問(wèn)題，便于安裝與維護(hù)，滿足生產(chǎn)要求。

1 儲(chǔ)料裝置的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)料裝置在生產(chǎn)線中的位置如圖1所示，將其安裝在伺服送料裝置與變頻調(diào)直機(jī)之間，以起到對(duì)長(zhǎng)料的送料起緩沖儲(chǔ)料的作用。

圖1 儲(chǔ)料裝置安裝示意圖

1.1 儲(chǔ)料裝置的工作原理

儲(chǔ)料裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由拉線式位移傳感器、支架、配重、導(dǎo)向輪、滑塊及滑竿等組成。

圖2 儲(chǔ)料裝置結(jié)構(gòu)組成

由于長(zhǎng)料是撓性體，在工作中當(dāng)伺服送料裝置的送料速度與調(diào)直機(jī)速度不同步時(shí)，二者之間會(huì)有前后的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的張緊力使滑塊高度發(fā)生變化，為了平衡張緊力，保證儲(chǔ)料裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，需要采用配重結(jié)構(gòu)。拉線式位移傳感器的拉線長(zhǎng)度隨著配重高度而變化，PLC通過(guò)檢測(cè)拉線式傳感器的拉線長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)變頻調(diào)直機(jī)的送料速度，使其與伺服送料裝置的送料速度同步。

1.2 儲(chǔ)料裝置安裝位置設(shè)計(jì)

在對(duì)儲(chǔ)料裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)場(chǎng)地和設(shè)備安裝的要求綜合考慮，儲(chǔ)料裝置與二次調(diào)直裝置進(jìn)料端之間的距離為8 m，與調(diào)直機(jī)出料端之間的距離為8 m。當(dāng)儲(chǔ)料裝置上的滑塊到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)，最高點(diǎn)處的鋼筋與調(diào)直機(jī)出料端的垂直距離為1.75 m。安裝示意圖如圖3。

圖3 儲(chǔ)料裝置安裝距離示意圖

長(zhǎng)料送料由兩臺(tái)變頻調(diào)直機(jī)和一臺(tái)伺服電機(jī)同時(shí)運(yùn)送，因此將儲(chǔ)料裝置設(shè)計(jì)成龍門(mén)架式，如圖3所示。在控制時(shí)，龍門(mén)架的兩端分別安裝有兩個(gè)拉線式位移傳感器，一個(gè)傳感器控制一根長(zhǎng)料送料。

1.3 配重計(jì)算

在儲(chǔ)料裝置中，配重的作用是保證長(zhǎng)料在有富余時(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)料功能，且不會(huì)因?yàn)閮?chǔ)料多而造成鋼筋的打折、扭折等情況，影響后續(xù)的焊接質(zhì)量。

儲(chǔ)料裝置的鋼筋過(guò)輪安裝在滑塊上。靜止?fàn)顟B(tài)是，儲(chǔ)料裝置上滑塊主要受力有：長(zhǎng)料自重G鋼、滑塊自重G滑、配重產(chǎn)生的拉力F拉，F(xiàn)1、F2為送料中鋼筋由于拉伸變形產(chǎn)生的張力，根據(jù)王之恒的研究[12]，在計(jì)算柔性材料的張力時(shí)，F(xiàn)1與F2大小相等。靜止?fàn)顟B(tài)的力學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 靜止?fàn)顟B(tài)滑塊力學(xué)系統(tǒng)

在靜止時(shí)，F(xiàn)1、F2的大小隨著儲(chǔ)料量的多少呈非線性變化，無(wú)法進(jìn)行量化計(jì)算。因此在計(jì)算配重時(shí)，以長(zhǎng)料送料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

長(zhǎng)料送料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，主要受力有：長(zhǎng)料自重G鋼、滑塊自重G滑、配重產(chǎn)生的拉力F拉，以及伺服送料裝置的牽引力F牽。儲(chǔ)料裝置在送料過(guò)程中滑塊的力學(xué)系統(tǒng)如圖5所示，力學(xué)分析示意圖如圖6所示。

圖5 送料狀態(tài)滑塊力學(xué)系統(tǒng)

根據(jù)靜力學(xué)平衡有關(guān)系式(1)：

F拉=F牽cosθ+G滑+G鋼

(1)

由于G滑是固定值，G鋼隨著儲(chǔ)料量的增大而增大。因此，當(dāng)θ越小時(shí)，F(xiàn)拉越大，儲(chǔ)料量越大，G鋼越大。為保證儲(chǔ)料裝置可靠運(yùn)行，以儲(chǔ)料量最大時(shí)計(jì)算G鋼的值。儲(chǔ)料量最大時(shí)計(jì)算出G鋼為50.5 N，設(shè)計(jì)時(shí)G滑取值為24.5 N，設(shè)計(jì)的伺服送料裝置產(chǎn)生的牽引力為640 N。根據(jù)式(1)計(jì)算出的F拉為211.8 N，因此配重的質(zhì)量為21.6 kg。

圖6 力學(xué)系統(tǒng)分析示意圖

2 儲(chǔ)料裝置控制設(shè)計(jì)

梯子梁自動(dòng)化生產(chǎn)線中選用S7-200 Smart作為中心控制器。在儲(chǔ)料裝置工作過(guò)程時(shí)，通過(guò)安裝于其上的拉線式位移傳感器采集拉線的長(zhǎng)度，PLC通過(guò)拉線長(zhǎng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)生產(chǎn)過(guò)程中變頻調(diào)直機(jī)的速度，達(dá)到變頻調(diào)直機(jī)與伺服送料裝置送料速度同步的目的。

2.1 運(yùn)行過(guò)程同步控制

送料速度在自動(dòng)焊接生產(chǎn)線中嚴(yán)重的影響生產(chǎn)效率及生產(chǎn)的安全性。在長(zhǎng)料的送料過(guò)程中，同時(shí)輸送兩根長(zhǎng)料，采用一個(gè)伺服電機(jī)和兩個(gè)變頻調(diào)直機(jī)同時(shí)送料。該過(guò)程的控制原理如圖7所示。

對(duì)儲(chǔ)料裝置的控制，實(shí)際是對(duì)變頻調(diào)直機(jī)速度進(jìn)行控制。運(yùn)行時(shí)，采用式(2)控制變頻調(diào)直機(jī)的送料速度：

V2=V1[k1(l0-l1)+k2]

(2)

式中：V2為調(diào)直機(jī)送料速度；V1為伺服送料裝置的送料速度；l0為拉線式位移傳感器拉線長(zhǎng)的目標(biāo)值；l1為拉線式位移傳感器拉線長(zhǎng)度的當(dāng)前值；k1為拉線長(zhǎng)度控制系數(shù)1；k2為拉線長(zhǎng)度控制系數(shù)2。

圖7 儲(chǔ)料裝置的控制原理

在梯子梁自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線的運(yùn)行過(guò)程中，通常k1的值取60.0，k2的值取3.0，l0的值取1.5 m就能同步伺服送料裝置的速度與調(diào)直機(jī)的送料速度。

2.2 啟停時(shí)速度同步控制

在啟動(dòng)/停止時(shí)，設(shè)置伺服電機(jī)的最大速度(MAX_SPEED)為159 mm/s，電機(jī)的啟動(dòng)/停止速度(SS_SPEED)為0.2 mm/s，加速時(shí)間與減速時(shí)間均為0.2 s[13-14]。因此伺服送料裝置在伺服啟動(dòng)時(shí)幾乎是一瞬間啟動(dòng)。為安全起見(jiàn)，變頻器控制調(diào)直機(jī)的電機(jī)啟停時(shí)間遲滯于伺服電機(jī)0.4 s[15]，伺服送料裝置和變頻調(diào)直機(jī)在長(zhǎng)料送料時(shí)，由于啟停時(shí)間不一致，因此送料不同步。

儲(chǔ)料量S為任意時(shí)刻儲(chǔ)料裝置上，去除調(diào)直機(jī)出料口與二次調(diào)直裝置進(jìn)料口間直線距離長(zhǎng)度后所富余長(zhǎng)料的量。

在啟動(dòng)/停止時(shí)，將儲(chǔ)料量控制在目標(biāo)范圍內(nèi)。因此，在計(jì)算目標(biāo)儲(chǔ)料量時(shí)，儲(chǔ)料裝置的鋼筋過(guò)輪分別到調(diào)直機(jī)出料口和二次調(diào)直裝置進(jìn)料口間的鋼筋長(zhǎng)度相等，實(shí)際的鋼筋長(zhǎng)度隨著滑塊高度成非線性變化，為了便于分析，將儲(chǔ)料裝置兩邊的長(zhǎng)料簡(jiǎn)化成直線，如圖8所示的計(jì)算簡(jiǎn)化圖。

圖8 儲(chǔ)料量計(jì)算簡(jiǎn)化圖

根據(jù)計(jì)算簡(jiǎn)圖，利用三角形的兩邊之和大于第三邊,因此有：

lab+lbc>lac

(3)

S儲(chǔ)料=lab+lbc-lac

(4)

式中：lab表示調(diào)直機(jī)口與鋼筋過(guò)輪的簡(jiǎn)化距離；lbc表示二次調(diào)直裝置進(jìn)料口與鋼筋過(guò)輪之間的簡(jiǎn)化距離；lab表示調(diào)直機(jī)出料口與二次調(diào)直裝置進(jìn)料口之間的直線距離；S儲(chǔ)料表示任意時(shí)刻的儲(chǔ)料量。

lab′表示簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)調(diào)直機(jī)出料口與鋼筋過(guò)輪間目標(biāo)距離；S儲(chǔ)料′表示簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)目標(biāo)儲(chǔ)料量。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，在啟停時(shí)伺服送料裝置與變頻調(diào)直機(jī)的送料距離相差不足150 mm。而實(shí)際上S儲(chǔ)料>S儲(chǔ)料′。因此儲(chǔ)料裝置的簡(jiǎn)化模型有效，設(shè)計(jì)安裝位置合理。

2.3 儲(chǔ)料量的數(shù)學(xué)模型

儲(chǔ)料裝置無(wú)論是在運(yùn)行過(guò)程中還是在啟停時(shí)，儲(chǔ)料量均有變化，因此建立數(shù)學(xué)模型描述這種變化過(guò)程。假設(shè)儲(chǔ)料量為S，滑塊高度為H，伺服送料速度為V1，變頻調(diào)直機(jī)送料速度為V2，儲(chǔ)料量變化時(shí)間為t，儲(chǔ)料裝置中心至變頻調(diào)直機(jī)出料口的距離L，在儲(chǔ)料裝置與變頻調(diào)直機(jī)之間的長(zhǎng)料總長(zhǎng)度為L(zhǎng)′,在任意時(shí)刻變頻調(diào)直機(jī)與伺服送料裝置的送料長(zhǎng)度差值為ΔL′。

根據(jù)上述簡(jiǎn)化計(jì)算，儲(chǔ)料量采用式(5)的數(shù)學(xué)模型：

(5)

滑塊的高度滿足以下關(guān)系式：

(6)

當(dāng)滑塊高度最大時(shí)，在圖9所示計(jì)算簡(jiǎn)圖中，有L″=lab=8.819 m。任意時(shí)刻有關(guān)系式(7)：

2L′=2lab-ΔL′

(7)

在運(yùn)行過(guò)程中，滑塊高度與拉線式位移傳感器的拉線長(zhǎng)度之間滿足關(guān)系式(8)，其中M為定值，在拉線式位移傳感器的應(yīng)用中[16-17]，M一般取值為3.0 m。

H+l1=M(定值)

(8)

結(jié)合式(2)、式(6)、式(7)、式(8)，得到滑塊高度與送料速度之間的關(guān)系，由于控制的參量較多，表達(dá)式較為復(fù)雜，如式(9)：

(9)

在式(9)中，滑塊高度變化時(shí)間t為變量，其余的均為定值，因此可以得到滑塊高度為運(yùn)行時(shí)間倒數(shù)的函數(shù)，即為：

(10)

式(10)為收斂函數(shù)，收斂的函數(shù)圖像如圖9所示。從圖9中可以看出，當(dāng)給定速度后，開(kāi)始時(shí)滑塊高度為零，也就是儲(chǔ)料裝置中沒(méi)有儲(chǔ)料。啟動(dòng)后滑塊高度很快就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，滑塊高度趨近于目標(biāo)值。

圖9 數(shù)學(xué)模型的收斂函數(shù)圖

當(dāng)儲(chǔ)量裝置上有一定儲(chǔ)料時(shí)，在啟動(dòng)的時(shí)候(t=0時(shí)),滑塊高度略有降低，穩(wěn)定運(yùn)行后滑塊高度趨于穩(wěn)定值。取在上述過(guò)程中設(shè)定的k1、k2、l0的設(shè)定值，代入公式(9)中進(jìn)行驗(yàn)證，速度分別取V1= 80 mm/s、90 mm/s、100 mm/s、110 mm/s和120 mm/s進(jìn)行驗(yàn)證，函數(shù)圖像如圖10所示。在圖10中可以看出，在不同速度下的滑塊高度變化趨勢(shì)相同，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的滑塊高度相同，因此所建立的模型有效。

穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，滑塊高度控制精度為±20 mm?；瑝K高度穩(wěn)定后，根據(jù)式(5) 的儲(chǔ)料量計(jì)算公式可計(jì)算出穩(wěn)定狀態(tài)下的儲(chǔ)料量。此時(shí)，得出儲(chǔ)料量的控制精度為±7 mm。綜合考慮生產(chǎn)的安全性和生產(chǎn)效率，長(zhǎng)料送料速度選擇80～120 mm/s[18]。

圖10 不同速度下滑塊高度收斂圖像

圖11所示為生產(chǎn)過(guò)程中，將儲(chǔ)料量控制在目標(biāo)位置。由圖11中可以看出，目標(biāo)位置的儲(chǔ)料量合理，長(zhǎng)料不會(huì)因?yàn)閮?chǔ)料過(guò)多而出現(xiàn)扭折、過(guò)度彎曲等影響后續(xù)焊接、剪切的情況，也不會(huì)因?yàn)閮?chǔ)料不足而造成安全事故等。

圖11 生產(chǎn)時(shí)儲(chǔ)料量控制在目標(biāo)位置

3 結(jié) 論

(1) 梯子梁自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線在長(zhǎng)料送料的過(guò)程中，采用儲(chǔ)料裝置后能夠保證伺服送料裝置和變頻調(diào)直機(jī)對(duì)長(zhǎng)料的送料速度一致，送料速度在80～120 mm/s。

(2) 采用儲(chǔ)料裝置后，由于變頻電機(jī)和伺服電機(jī)的啟動(dòng)/停止的時(shí)間差導(dǎo)致的送料距離在150 mm，儲(chǔ)料裝置的實(shí)際儲(chǔ)料量大于378 mm，能保證安全生產(chǎn)的要求。

(3) 伺服送料裝置通過(guò)拉線式位移傳感器控制的儲(chǔ)料量精度能夠達(dá)到±7 mm，達(dá)到了自動(dòng)化梯子梁焊接生產(chǎn)線可靠生產(chǎn)的要求。