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1、 本科生毕业设计实习调研报告题 目：定尺剪切机学生姓名： 学 号：0604103436专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机06-4班指导教师： 目录引言.1文献综述.1 1、国外剪切机的发展状况.1 2、国内剪切机的介绍.2 3、飞剪机的定尺控制系统.3技术方案介绍.5 1、PLC控制方案在定尺剪切机中的应用.5 2、飞剪机的优化设计.6 3、飞剪机上刀架有限元分析.8实习调研心得.11参考文献.12引言通过这几个星期的在网上查阅资料和实习调研，我了解到，近年来我国连铸技术取得了很大进展，2003年上半年统计，国内大中型钢铁企业(占全国产钢量85%以上)连铸比为9636%，超过国外897O
2、%的平均水平。其中，特殊钢、合金钢连铸比也有一定的提高。为了提高连铸机作业率并改善铸坯质量，各钢厂都在不断改进连铸技术。剪切是钢板生产个过程不可缺少的一道重要工序，剪切机的剪切质量直接影响钢板质量，因此提高剪切机的剪切精度和剪切质量对轧钢企业的发展有很重要的作用。目前的剪切机一般以飞剪为主，主要是用来剪切定尺、切头切尾、切取试样以及处理事故等。我国虽然在飞剪的设计方面也作了不断的努力，但由于技术上的原因，到目前为止，我国各轧钢企业中还没有一套完全自主设计研制的较为理想的飞剪设备，国内轧钢企业中所使用的飞剪设备几乎都是从国外引进的。倘若我国能自行设计并制造一套较为理想的飞剪设备，那么不仅可以降低
3、轧钢的生产成本，而且也是在重大装备开发研制上的重大突破。文献综述众所周知, 飞剪机是中小型轧钢生产线上不可缺少的关键设备之一, 也是机电气液一体化配套技术难度较高的设备飞剪机的合理选型、运行速度、剪切精度、自动化程度、操作维护及设备寿命等均直接影响着轧材成品的产量大小, 成材率和定尺率的高低, 也就是说直接影响着轧钢厂的生产效率和经济效益。而定尺剪切机属于飞剪机的一种。1、目前国外飞剪机的发展状况：目前国外多采用两种比较先进的飞剪机型, 一是采用离合器制动器, 我们称作“ 连续起停” 制飞剪, 另一种是电机直接起停制飞剪, 两种飞剪各有其优点亦有其不足之处。随着科学技术的不断发展, 电控元器件
4、水平的提高。起停制飞剪将逐步代表着飞剪机的发展趋势。箱式结构刚性较好，所占空间小，所需抽风机容量小。检修和处理事故还算方便。连续一一起停制飞剪机, 整机分为传动装置和剪切装置两大部分。传动装置部分是由直流电机带动, 配置有飞轮连续高速运转而剪切装置一般情况下是静止不转的。两部分之间由一对快速响应的离合器制动器相连接和控制。当需要剪切时, 则制动器打开, 离合器合上, 传动装置通过离合器带动剪切装置运动并剪切剪切完后离合器脱开制动器合上, 将剪切装置制动停止到某一确定的待切位置上。传动装置仍连续运转。这种机型传动部分的转动惯量很大, 剪切部分的转动惯量很小。因此可以通过离合器制动器控制实现在小惯
5、量下起动、制动, 而在大惯量下进行剪切。可以充分利用动力矩, 提高速度, 降低能耗。起停制飞剪机, 采用低惯量大扭矩直流电机整机直接起动、剪切、制动, 完成剪机的三个基本动作过程。飞剪的传动部分和剪切部分做成一体, 整个传动系统的转动惯量都很低, 以便于实现整个传动系统频繁的起动制动。这种飞剪一般处于静止状态, 剪切时, 电机直接拖动传动装置和剪切装置迅速起动剪切, 而后立即制动, 而且有些要求电机可反向爬行转动, 将剪头准确地复位于某一待切位置。因此, 这种飞剪结构简单, 维护保养方便, 控制环节少, 剪切精度较高。连续起停制飞剪与起停制飞剪相比较, 前者适合高速频繁起动, 后者结构简单,
6、剪切精度高, 并且在电控技术及元件过关的情况下, 速度亦可达到或超过前者, 因而更有发展前途。2、国内飞剪机的介绍：从建国初期50年代至70年代, 国内小型飞剪大都受东欧、苏联等社会主义国家影响, 飞剪机大致可分为连续制和起停制二大类, 例如鞍钢一初轧100100方连续制飞剪机, 首钢300小型5050方起停制飞剪；2525连续制飞剪机，济钢小型厂捷克产吨连续制飞剪机等等。连续制飞剪机, 大多采用空切机构和匀速机构, 实现定尺剪切工作时电机拖动传动系统连续运转, 剪切机构做连续地空切动作, 当需要剪切时, 调整空切机构的位置, 令剪切机构完成剪切动作, 而后再恢复空切动作, 因此这种飞剪设置了
7、空切机构、倍尺机构等装置。不可避免地带来设备庞大、结构复杂等间题, 而且定尺长度是确定的, 不可任意调整, 限制了定尺规格的变化范围。由于剪切机构复杂庞大,转动惯量也大, 影响了剪切速度的提高。许多钢厂在后来的设备改造中都将其简化改成摆槽式的飞剪。如首纲2525连续制飞剪即是如此, 但这样改动后, 剪切误差很大, 常常定尺误差达12米, 这是非常不利的。80年代中期, 我国在开放政策影响下,集中引进了一批国外先进技术和设备, 吸收国外先进技术的基础上,针对国内大中型轧钢车间的生产现状与实际需要,经过几年努力,现已研制出FL和FJ两种机型的飞剪机，并已经开始向东南亚出口, 取得了卓有成效的工作业
8、绩。我们相信, 随着国内各项技术的不断发展, 经过我国专家和科技人员的不懈努力, 小型飞剪技术和装备一定能够达到国外先进技术水平, 实现替代进口满足国内需要之目的。3、飞剪机的定尺控制系统系统由送料驱动控制系统、剪切驱动控制系统、传动装置、可编程序控制器PLC、人机界面HMI及检测编码器等组成。如图1所示。飞剪机的曲拐轴每旋转一周，上下刀片重合一次完成一次剪切。测量轮上的旋转编码器测量带材的送料长度和送进速度，飞剪机曲拐轴上的旋转编码器检测刀刃的位置和回转速度，并把检测到的这些数据输入计算机定尺控制系统。计算机定尺控制系统根据这些数据及预先设定的定尺剪切长度和送料速度，控制飞剪机刀刃的回转速度
9、，实现定尺剪切和同步剪切。从图1中可见，送料单元由送料驱动系统控制，负责平稳无打滑的送进带材；剪切单元由剪切伺服驱动系统控制， 它根据设定的定尺长度和送进速度驱动飞剪机刀刃对带材进行定尺剪切。伺服驱动系统所需的控制参数如定尺长度和送进速度等由人机界面输入，带材的实际送进速度和位置由测长编码器反馈到剪切伺服驱动系统。系统根据设定的定尺长度和送进速度自动生成驱动飞剪机刀刃运动的数值指令，并与对飞剪机和连续送进的带材检测到的曲拐轴转速、送进速度和送进长度的数值信号进行比较。当送进长度达到一定值时，飞剪机刀刃进行加速或减速，在准确定位于剪切位置时刀刃的水平分速度与带材送进速度同步并进行剪切。完成剪切后
10、飞剪机进行减速或加速回到基准点。定尺测量根据编码器信号的来源可以分为被动式测量和主动式测量两种。被动式测量是由安装在测量轮上的测长编码器反馈带材的速度和位置。测量轮直径要求尽可能精确，测量轮需要进行动平衡。被动式测量的优点是测量轮由带材带动旋转，检测的数据为带材实际的送进速度和位置，没有带材打滑引起的误差；其缺点是测量轮受带材运动及设备本身振动的影响，信号的波动较大。主动式测量是由送料电机轴端的编码器反馈带材的送进速度和位置。为了提高编码器测量的精度，要求尽可能减小传动系统的间隙，应采用小侧隙的精密行星齿轮减速机并与电机直联。主动式测量的优点是不受带材运动及设备本身振动的影响，信号平稳，波动小
11、；其缺点是当带材与送料辊之间打滑时，编码器的反馈信号不能准确反映带材实际送进的速度和位置。编码器信号的波动和检测盼误差，最终会导致带材定尺剪切长度的超差。因此，合理的确定编码器信号来源方式，对飞剪线的精度至关重要。主要是根据带材的表面状况来决定，对于板面无油的带材如不锈钢、彩涂板、镀锌板等可采用主动式测量；对于板面有油的酸洗板等可采用被动式测量。技术方案介绍1、PLC控制方案在定尺剪切机中的应用飞剪机是棒材生产线中的关键设备，其工作是否正常将直接影响产品的质量、产量和成材率为了保证正确切头和切任意定尺的准确性，必须首先建立精确的速度跟踪算法及其动态修正模型 连续型偏心式飞剪机由带剪刃的鼓轮和偏
12、心机构组成，鼓轮和偏心机构各由一套数字直流调速系统拖动飞剪机处于精轧机和给料辊的后部，如图1所示系统工作时，轧件以速度 依次通过精轧机、给料辊和飞剪机为保证可靠剪切，必须使鼓轮和偏心机构同时到达剪切位置，且误差小于6。，同时要保证轧机给料辊和飞剪机鼓轮的线速度一致飞剪机工艺要求为剪切速度27 ms，圆钢或螺纹钢的剪切断面直径l225 mm，定尺范围230 m，剪切误差小于200mm，可连续切头和切定尺飞剪机鼓轮传动系统通过西门子6RA23系列l200A5o0V直流调速器构成的转速电流双闭环结构实现。其结构如图2所示 速度反馈信号可由光电码盘直接获得速度给定信号n 可根据精轧机的速度经计算后得到
13、，以保证飞剪机鼓轮的线速度与精轧机的线速度一致现采用两个光电码盘分别作为精轧机和鼓轮的速度检测器，用MT法计算速度其测速原理如图3所示采用PLC和直流调速器对传统的连续型飞剪机进行全数字改造，已经取得了良好的经济效益，为了保证实时计算的准确性，要求PLC有足够快的响应时间，尤其是其高速计数器应有足够高的计数频率为此我们选择了西门子s7300型PLC，经理论分析和实践验证，完全满足控制要求。2、飞剪机的优化设计飞剪机是轧钢生产环节的重要设备，它的任务是将运行着的轧件按工艺要求的尺寸横向剪断。飞剪机的剪切过程是指从剪刃接触钢坯到钢坯被剪断的过程，剪切过程是否合理影响着剪切产品的质量，图1所示为目前
14、常用的偏心摆式飞剪机剪切机构简图，这是一个两自由度的七杆机构，杆FK以及杆CA为刀架杆，在刀架杆末端K点和A点安装剪刃，通过曲柄1和曲柄6带动剪刃运动，剪刃K和A的运动轨迹如图2所示。钢坯从图示方向进入剪刃剪切区域，通过剪刃的相对运动将运动着的轧件横向剪断。飞剪机的两个剪刃不仅要有剪切动作(剪切刀刃的相对移动)，而且还要有水平方向的运动。优化设计方法能够有效地进行飞剪机剪切过程的优化设计，并且采用基本杆组子程序构造优化目标函数和约束函数能够较好的实现优化程序的模块化和可维护性。设计实例的优化结果表明：该优化方法使剪刃水平速度和刀架杆位置角均满足了剪切要求；提高了飞剪机的剪切性能和剪切质量，是一
15、种有效的机构尺寸综合设计方法。3、飞剪机上刀架有限元分析飞剪机是重要的冶金设备之一，定尺、同步及满足高生产率是生产工艺对飞剪机的基本要求，因而飞剪机机构都十分复杂。IHIR636摆式飞剪是我国某大型钢铁公司热轧带钢厂最早引进的飞剪机，为满足产品规格多样化和高强度钢板生产的需要，本文根据实际测试结果，对上刀架进行了有限元计算，探讨了飞剪机力能参数，并对强度裕量进行了评估。3、1上刀架有限元分析上刀架是飞剪机剪切机构的重要部件，直接承受剪切力。同为冷剪，IHIR636摆式飞剪自引进至今一直运转良好；而冷轧带钢厂同时引进的飞剪机，由于刀架开焊，上刀架上梁断裂等原因，被淘汰、更换到第三代引进产品。对上
16、刀架进行有限元分析的目的有两个，一是验证剪切力计算修正公式的准确性，二是对该飞剪的强度进行裕量评估。3、2上刀架有限元模型如图4b所示，上刀架是焊接结构件，组元材料均为25Mn钢。前面板、顶后板、底面板、后面板、内、外侧面板及刀片座焊接构成上刀架上梁。而后面板、水平板及内、外侧面板互相焊接构成两侧立柱。上梁与立柱内用拐角筋板联结，上梁内焊接纵、横筋板，各焊缝交错。侧面板、后面板与端盖构成主轴轴承座。图5是上刀架有限元模型，采用三维块单元，单元总数为162449个，节点总数为98703个。3、3外载荷与约束剪切力用公式(4)计算，按集中载荷作用于刀刃，作用部位随剪切过程而变；连杆7作用力根据测试
17、值按集中载荷作用于上刀架铰点；因水平速度不同步而产生的钢板对刀刃拉力，取带材延伸率为5进行近似计算；上刀架上各部位的惯性力由加速度测试值计算；忽略上下刀架滑道之间的相互作用力。约束施加在主轴轴承座上。如此，剪切钢板厚度为4mm，板宽为1130mm，强度极限为b=630MPa，主轴转速112RPM 时，计Pl= 81650N，K1=1.65，K2 =2.8，钢板拉力=7385N，连杆力=138360N，P=377223N。而剪切钢板厚度为6.5mm，板宽为1125mm时，计Pl=215600N，K =165,K2=22，钢板拉力=12000N，连杆力=224800N，P=782628N。3、4有
18、限元计算结果有限元计算是用线性静力学的方法进行的。计算表明，当剪力即将结束时上刀架应力水平最高。板厚为65mm时的上刀架有限元计算应力分布见图5。剪切钢板厚度为4mm时，测点1的计算应力与实测应力1 (MPa)分别为l777与1837，计算应力与实测应力之比相对误差为327。测点2的计算应力与实测应力2(MPa)分别为835与891，计算应力与实测应力之比相对误差为629。剪切钢板厚度为65mm时，测点1的计算应力与实测应力1(MPa)分别为3125与3647，计算应力与实测应力之比相对误差为1431。而测点2的计算应力与实测应力2(MPa)分别为1358与12-45，计算应力与实测应力之比相
19、对误差为908。计算误差均小于15。这说明外载荷计算与约束施加合理，有限元模型基本正确。因此，飞剪机力能参数计算时，必须考虑剪切时的冲击力。实习调研心得回顾整个实习调研过程，我收获了硕硕果实，这些果实不在是书本中的枯燥的知识，取而代之的是我的社交能力和我设计的定尺飞剪机的工作原理。在此，这是我自己的调研心得。1、关于现场实习虽然去包钢实习了短短几天，但是收获确实很多很多，毕业实习调研是毕业设计的准备阶段，也是重要的实践环节，我在实习调研期间就根据自己设计的飞剪机来到薄板厂，深入现场调查研究。上学期轧钢机械学到的飞剪机在脑海里虽有映象，但是我连它的大体框架结构都没弄明白，去现场一看，很直观的就明
20、白了其中的原理和结构，实习和学习真是不一样的感觉。书本学习的过程，我总体感觉是很枯燥，没兴趣，以我设计的飞剪机来说，在没实习之前，对它根本不了解，只是知道剪切设备上有这么个装置，对它的特点只是机械的记忆，经过现场这么一看，立刻就明白这个设备是怎么回事。所以，现场实习才能感觉到学有所得，学有所用。2、关于资料的查阅对于查阅的资料，在调查的方向上主要是和我们毕业设计所要做的课题有关，这样有利于我们做毕业设计。我调研的主要是剪切机的一些资料。经图书馆和在网上查阅，尤其是校内网络上利用图书馆网络资源，我又对飞剪机理论知识和前沿发展有了更深一步的了解。通过这次毕业实习调研，总的来说我有所得，有所未得，我
21、进一步加深对本专业知识的理解，拓宽知识面，但也有些自己想了解和学习的东西，没有学到手，想明白的地方没明白了。所以在以后，我会对自己所设计的剪切机有更深入的学习，把自己的毕业设计尽量做到优秀。最后，我想说调研很重要，如果大家认真对待，一定会有很大的收获。在此，感谢帮助我们调研的设计老师和同学们。参考文献:【1】徐济声，沈宏，等新型飞剪机结构探讨锻压装备与制造技术，2006，41(3)：2022【2】余俊中国机械设计大典南昌：江西科学技术出版社，2002【3】周尚文组合式飞剪设计要点钢铁技术，2004，(5)：1621【4】邹家祥车L钢机械北京：冶金工业出版社，2000【5】刘海昌，等飞剪力能参数研究中国冶金；2006，(4)【6】1黄华清轧钢机械【M】北京；冶金工业出版社，1979【7】赵华国，李伟，陈波涛滚筒式切头飞剪剪切速度对剪切力的影响J一重技术，2003，96(2)：78【8】刘海昌，汪建春，刘抗强飞剪力能参数研究J冶金设备,2006,43839【9】柳冉，胡光华按工艺要求直接求解飞剪机构参数J钢铁，1996，3l(12)：6266【10】黄鹤辉，陈晨基于MATLAB的飞剪机剪切机构设计及优化J锻压技术，2003，12(4)：5861