钢筋随动剪切机随动装置的改进与实验分析

徐贺伟，卢秀春，刘 豪，杨慧杰，刘 阳，王 键

(燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004)

钢筋随动剪切机随动装置的改进与实验分析

徐贺伟，卢秀春，刘 豪，杨慧杰，刘 阳，王 键

(燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004)

对现有剪切机的刀台随动装置进行改进，在随动装置上安装编码器，用来检测随动装置随钢筋运动时的速度，实现了刀台随动速度的量化作用；用实验方法来研究随动信号与剪切信号之间距离和剪切时刻钢筋牵引速度与刀台随动速度差值等因素对剪切精度的影响；现有机构是由气缸带动随动装置运动，本文探讨一种新的随动装置驱动方式，即由电动缸牵引随动装置运动，实现随动装置速度可控、运动平稳等特点。

改进；编码器；精度；电动缸

0 前言

随着建筑工程、冶金和机械行业等领域的高速发展，高强钢筋得到了广泛应用，盘料供货的钢筋需要对其矫直后进行剪切，获得所需要的长度，但是建筑铁路用钢筋对剪切后钢筋长度控制较严格，所以对剪切机构剪切精度要求较高。

1.盘料架 2.导入装置 3.机架及控制装置 4.矫直部分 5.牵引与检测装置 6.液压随动剪切装置 7.承料架图1 矫直切断机总体结构示意图Fig.1 Steel-straightening and cutting machine

钢筋剪切机结构多种多样，本文研究钢筋随动剪切机，所谓的随动是指剪切装置随钢筋一起运动，安装随动是为了减小剪切时刻钢筋与切刀的速度差。图1为剪切机总体结构示意图[1]，盘料供货的钢筋放置于盘料架中，导入装置将钢筋送入水平和竖直矫直辊中进行矫直，液压随动剪切机构对矫直后的钢筋进行剪切。随动剪切装置的设计大大提高了剪切机的剪切误差(误差可控制在±2mm)，同时提高了矫直机的工作效率。

1 随动剪切结构及工作原理

随动装置和承料架主视图如图2所示，俯视图如图3所示[2]，上下刀具固定在随动小车上，和小车同步运动，小车由气缸牵引运动，随动信号安装在承料架上固定不动，剪切信号与小车通过拉杆连接实现同步运动(图3)，此种连接保证了刀具与剪切信号的距离保持不变，实现定尺剪切。

承料架上安装两个电子开关，第一个为随动信号，第二个为剪切信号，当牵引钢筋接触到随动信号时，信号反馈到随动气缸，气缸开始带动小车运动，在气缸的牵引下小车的运动速度为加速过程，钢筋继续运动，当接触到剪切信号时，信号反馈到液压剪切装置，液压活塞杆动作对钢筋进行剪切，此时承料架上安装的气缸接收到信号开始动作，将承料架打开，钢筋落下，剪切结束后检测器发出信号，液压缸活塞杆退回至初始位置，小车在气缸带动下也退回到初始位置，一次剪切过程结束。由于剪切信号与小车同步运动，所以剪切之前钢筋速度一定要大于小车速度，否则钢筋永远达不到定长而触动剪切信号。

1.导轨 2.小车 3.剪切液压缸 4.随动气缸 5.随动信号 6.剪切信号 7.承料架 8.上切刀 9.下切刀 10.钢筋图2 随动装置、承料架主视图Fig.2 Front view of following part and shelf

1.拉杆 2.拉杆图3 随动装置、承料架俯视图Fig.3 Vertical view of following part and shelf

2 随动装置存在的问题

原有随动剪切装置存在两个问题。第一，由于剪切时刻钢筋的运动速度和刀具速度差值对剪切精度有一定影响，但原有剪切机只能检测到钢筋运动速度却不能检测到随动小车运动速度，小车的速度只能由操作者通过观察得到，并通过控制气压大小、气缸进气量和出气量调节小车速度，如果安装小车速度检测装置，将使小车的速度调节直观的显示出来；第二，小车的速度由气缸控制，由于气缸受到气压等因素影响较大，小车速度不稳定，对剪切精度有一定影响，如果有一种牵引装置可以取代气缸，使小车运动速度平稳，将对提高剪切精度有很大帮助。

3 小车速度检测装置与影响剪切精度的实验

3.1 小车速度检测装置

实验过程中会出现钢筋在承料架内或刀具后方发生弯曲现象，造成这一现象的原因有两点，第一是剪切时刻钢筋牵引速度和小车随动速度差过大，钢筋接触剪切信号剪切过程中无法继续送料，将钢筋顶弯；第二是由于剪切刀具剪切速度过慢，使送料过程无法继续进行，出现钢筋弯曲现象。对第一种顶弯原因应采取的措施是，将剪切时刻钢筋牵引速度和小车随动速度差调节在合适范围，因此应有一种检测小车运动速度的装置，使小车速度调节直观数字化；对第二种顶弯原因应采取的措施是选取性能良好的液压装置，使剪切刀具的动作时间加快。

编码器是一种能够将旋转位移转换成数字脉冲信号的旋转式传感器，在随动装置上安装编码器可以实现小车速度的检测功能(图4)，编码器与齿轮通过联轴器连接，齿条安装在支架上，编码器可以检测到从小车带动刀具开始运动到剪切结束这一段时间的运动速度，使剪切时刻钢筋牵引速度和刀具随动速度清晰的呈现在控制面板上。

1.编码器 2.齿轮 3.齿条图4 剪切、随动装置Fig.4 Cutting and following part

3.2 影响剪切精度的实验

实验过程中钢筋牵引电机使用变频电机，因此钢筋的牵引速度分两种，一种为变速牵引控制方式，另一种为匀速牵引控制方式。

3.2.1 钢筋变速牵引

钢筋变速牵引方式下钢筋运动速度追随小车速度，即钢筋牵引速度向小车速度大小靠近，当钢筋速度大于小车速度时，钢筋牵引降速，当钢筋速度小于小车速度时，钢筋牵引升速，以此往复，钢筋牵引变速曲线如图5所示。

图5 钢筋牵引变速速度曲线Fig.5 Variable speed curve of steel

钢筋牵引速度追随小车运动速度的目的是为了尽量减小剪切时刻钢筋速度与小车速度之差，但这一变速过程也可能导致剪切时刻钢筋速度小于小车速度，失去定尺的目的，增大剪切误差，实验验证此方式下的剪切精度误差在±5 mm，不符合生产要求，因此实际生产过程中不采用钢筋牵引变速方法，采用下一种钢筋匀速牵引方法进行研究。

3.2.2 钢筋匀速牵引

钢筋匀速牵引控制方式，由于钢筋速度不变，只需控制好气缸速度保证剪切时刻钢筋牵引速度大于小车速度即可，机器剪切精度实验在钢筋匀速牵引方式下进行，剪切过程速度曲线如图6所示，速度采集过程从小车随动开始到剪切结束，实验主要研究随动信号与剪切信号之间距离和剪切时刻钢筋与小车速度差两个因素对剪切精度的影响。

图6 钢筋牵引匀速速度曲线Fig.6 Constant speed curve of steel

表1数据研究的是剪切时刻钢筋牵引速度与小车速度差对剪切精度影响的一组数据，实验在钢筋牵引速度为64 m/min，剪切信号与随动信号距离为680 mm条件下进行，通过调节气缸进、出气量得到剪切时刻钢筋与剪切信号不同的速度差值，综合多组实验得出表1数据。实验验证，剪切时刻钢筋与小车速度差对剪切精度有一定影响，当牵引钢筋速度过大时，由于定尺装置的存在造成钢筋在承料架中产生一定弯曲而影响剪切精度。由表中数据可以看出，当剪切时刻钢筋与小车速度差值在18 m/min左右时，剪切精度在生产要求范围内，当剪切时刻钢筋与小车速度差为15 m/min时，剪切精度最高。剪切时刻牵引钢筋速度要大于小车速度，使气缸在被压状态下工作，保证剪切精度。

表1 剪切时刻不同速度差

表2研究的是随动信号与剪切信号间距离对剪切精度影响的一组数据，实验在牵引速度为64 m/min下进行，当随动信号与剪切信号间距离过大时，小车随动距离增加，如果导轨足够长将出现钢筋牵引速度小于小车速度，钢筋永远达不到定尺长度；当随动信号与剪切信号距离过短时，将会出现小车刚随动起来就对钢筋进行剪切，此时钢筋速度与小车速度差过大，由于定尺板的存在可能造成钢筋弯曲。由表2数据发现，当随动信号与剪切信号距离适当时，剪切精度可达到0.8mm，符合实际生产要求。

表2 随动信号与剪切信号不同距离

影响剪切精度的因素很多，且每个因素之间是相辅相成的，有着密不可分的联系，研究某一因素对剪切精度的影响应采用单一变量的方法。图7为实验用钢筋随动剪切机。

图7 钢筋随动剪切机Fig.7 Steel-cutting machine

4 随动气缸不稳定问题的改进

针对实验过程中气缸存在的问题，现拟采用电动缸代替气缸来实现随动小车的运动，电动缸的工作原理是通过丝杠副的机械运动，把电机的旋转运动转换为推杆的直线运动[3]，可在极端恶劣环境下工作，电动缸结构图如图8所示[4]，钢筋随动剪切机用电动缸取代气缸后具有以下优势：

(1)环境适应能力强。电动缸不受温度、气压、液压等因素的影响，可在高、低温、明火和雨雪等恶劣环境下工作，不需要保护措施。

(2)随动小车运动平稳。气缸的驱动动力源是压缩空气，所以气缸受到气压和进、出气量等因素的影响运动不稳定，随动过程不好控制，电动缸运动可由设置好的程序驱动，运动平稳。

(3)小车随动速度可控制。气缸的运动速度由气压控制，气压存在不稳定性导致气缸的运动速度很难控制，剪切时刻钢筋与小车速度差不稳定，必然对剪切精度造成一定影响。电动缸可以按照程序设置好的速度运行，速度大小可调节，大大提高钢筋剪切精度。

由于气缸的速度调节不容易控制，所以钢筋牵引速度与小车随动速度关系调节不方便，现有剪切机实现的是非在线矫直剪切，即生产出的钢筋盘料供货后，到剪切机上进行矫直剪切，此过程繁琐，且工作量较大；电动缸和牵引钢筋的速度均由PLC程序控制，可实现同步加减速，此性能将使钢筋的在线矫直剪切成为可能，同步的调节钢筋牵引速度与小车速度，以此配合钢筋生产线上钢筋的生产速度，不会出现生产出的钢筋积压现象，这一过程将大大提高生产效率，节省空间和人力物力，减少生产成本。

图8 电动缸结构图Fig.8 Electric cylinder

5 结论

(1)在原有矫直剪切机的随动装置上安装编码器，实现随动装置随动速度的量化作用，使随动装置速度调节更加直观。

(2)实验方法研究剪切时刻钢筋与随动装置速度差和随动信号与剪切信号距离对剪切精度的影响，得出剪切时刻钢筋与小车速度差为15 m/min左右时剪切精度最高。

(3)实验装置的下一步改进工作，将用电动缸代替气缸，实现实验装置的在线矫直剪切，同时使随动装置运动平稳且速度控制更加容易。

[1] 卢秀春，金贺荣，韩雪艳. HSGT4/14高速数控带肋钢筋矫直切断机[J]. 建筑机械，2009，(8)：83-85.

[2] 卢秀春，金贺荣，赵占良，等. SGTK6/12数控钢筋矫直切断机的总体设计[J].建筑机械，2006，(7)：93-95.

[3] 杨继东，刘昆，杨中山，等. 电动缸性能参数测试系统设计[J].重庆大学学报，2015，38(4)：31-37.

[4] 陈革，张景慧，周其洪. 基于伺服电动缸的立体织机引纬系统的设计[J]. 纺织学报，2013，34(2)：146-150.

·设计计算·

Improving on following part and experiment of steel-cutting machine

XU He-wei, LU Xiu-chun, LIU Hao, YANG Hui-jie, LIU Yang, WANG Jian

(College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004,China)

Improving of the extant steel-cutting machine, an encoder is used on the following part. It is used to measure the speed of the following part. Experiment method is used to study the influence factors of cutting accuracy, such as the distance of the following signal and the cutting signal, and the speed difference of steel and the following part at the moment of cutting. A new dragging way of the following part is discussed in this article. It propose to use the electric cylinder to drag the car, which makes the following part controllable and stable.

improving; encoder; accuracy; electric cylinder

2016-01-25；

2016-02-17

徐贺伟(1990-)，女，燕山大学机械工程学院，硕士研究生。

卢秀春(1954-)，男，燕山大学机械工程学院教授，研究方向：机械设计及理论。

TU649

A

1001-196X(2016)03-0055-04