吳善普， 吳善照

（安徽德系重工科技有限公司，安徽馬鞍山233131）

0 引言

目前市場上對波紋板需求比較旺盛，一些簡易工房和防護(hù)板都采用了波紋板，在高速公路建設(shè)上將鋼波紋管涵（指鋪埋在路基下的涵洞用螺紋波紋管，是由波紋鋼板卷制[1]而成）作為橋涵結(jié)構(gòu)，成為彌補(bǔ)目前普遍使用的混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的替代產(chǎn)品[2]。

而市場上現(xiàn)有的加工設(shè)備是用傳統(tǒng)的三輥卷板機(jī)的軋輥換成表面有波紋的軋輥，但是現(xiàn)有的波紋板卷板機(jī)所加工的波紋板的卷弧半徑基本上是等于或者接近上輥的半徑，加工卷曲不同直徑的波紋板依靠不同直徑的軋輥完成，并且三輥卷板機(jī)卷曲時(shí)，波紋板的兩端加工不到，產(chǎn)品加工后會有一定的回彈，所得到的波紋板弧形的兩端是直線形，所得的產(chǎn)品不是標(biāo)準(zhǔn)的弧形，還要經(jīng)過后續(xù)的加工，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

本文針對上述問題提出了一種新型的波紋卷板機(jī)的設(shè)計(jì)方案，來解決生產(chǎn)中存在的實(shí)際問題。

1 傳統(tǒng)設(shè)備在生產(chǎn)中存在的問題

如前所述，傳統(tǒng)設(shè)備在波紋卷板生產(chǎn)中存在以下問題：1）在卷制不同直徑的板時(shí)需要更換不同直徑的軋輥；2）波紋板的兩端加工不到，同時(shí)由于回彈，得到結(jié)果是兩頭是直線形，需要后續(xù)的加工來達(dá)到要求，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

卷板就是利用卷板機(jī)對板料進(jìn)行連續(xù)三點(diǎn)彎曲的過程[3]。根據(jù)三點(diǎn)成圓的原理利用工作輥相對位置的變化和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動使板材產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，以獲得預(yù)定形狀的工件，如圖1所示。

由于三輥的特點(diǎn),當(dāng)兩端在下輥的中間時(shí)就會出現(xiàn)直線段，故一般都需要在卷前或在卷后，對兩端進(jìn)行彎曲處理，如是平板可以在卷前處理，預(yù)壓彎長度為0.5L＋（30～50）mm（L為下輥中心距）。預(yù)先壓彎可采用壓力機(jī)模壓制或用托板在滾圓機(jī)內(nèi)預(yù)彎，如圖2所示，但是波紋卷板卻只能在卷后再處理。對已經(jīng)卷好的波紋板的兩端進(jìn)行處理，其難度可想而知。

圖1 卷板原理

圖2 卷板出現(xiàn)的問題

2 波紋卷板機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 方案確定

在提出方案之前，我們先看下目前幾種卷圓機(jī)的特點(diǎn)。如圖3所示，卷圓機(jī)分為對稱三輥、非對稱三輥、四輥幾種類型。1）對稱三輥的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成型準(zhǔn)確，但是剩余直邊比較大；2）非對稱三輥的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，剩余邊小，但是板料需要掉頭彎邊；3）四輥的特點(diǎn)是對中方便，通用性強(qiáng)，但軋輥數(shù)量多，卷成圓的圓度不高，操作復(fù)雜。

綜合上面的介紹，根據(jù)前面提出的問題，決定采用在四輥的基礎(chǔ)上優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)四輥操作復(fù)雜的特性，提出采用PLC控制的方式來解決實(shí)際操作復(fù)雜的問題。

2.2 卷圓過程的實(shí)現(xiàn)

通過下面的模擬來看結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

圖3 卷圓機(jī)分類

1）使用時(shí)，首先將進(jìn)料處的上軋輥401升起，將板件穿過第一上軋輥401和第一下軋輥301之間，板件的一端放入第二上軋輥402和第二下軋輥302之間，此時(shí)壓下升起的上軋輥401，4個(gè)軋輥轉(zhuǎn)動方向如圖4所示，板件在軋輥的帶動下向前運(yùn)動，將板件加工成一個(gè)弧形波紋板之后，將軋輥運(yùn)動方向反轉(zhuǎn)，消除回彈，使板件的兩端都能加工到，避免工件兩端有直線段；經(jīng)過多次循環(huán)后所得的產(chǎn)品是標(biāo)準(zhǔn)的弧形，兩端沒有直線段，通過調(diào)整軋輥之間的距離，可以卷成不同半徑的波紋板而不需要更換軋輥（見圖4）。

圖4 卷制過程

卷制過程分析：首先因?yàn)樯厦嬗辛?個(gè)軋輥（2個(gè)上軋輥中心距不變），可以分別做上下移動，從圖3可以看出單個(gè)上軋輥采取類似于非對稱三輥結(jié)構(gòu)，吸收了非對稱三輥的剩余直邊小的優(yōu)點(diǎn)（非對稱三輥的剩余直邊見圖5[4]），這樣相當(dāng)于組合2個(gè)非對稱的三輥卷板機(jī)在一起，板料在軋輥的帶動下旋轉(zhuǎn)，形成弧形，為了消除回彈，需要來回幾次軋制，同時(shí)也校正了弧形的曲率。為實(shí)現(xiàn)不同大小直徑的弧板，根據(jù)幾何原理（見圖6），如果下軋輥的中心距可以調(diào)整，就可以實(shí)現(xiàn)大小不同直徑的卷圓。

圖5 非對稱三輥的剩余直邊

根據(jù)上面的理論探討，最后決定本機(jī)采用4個(gè)軋輥的方式，上軋輥通過液壓缸的帶動做垂直的上下運(yùn)動，下軋輥通過液壓缸的帶動做水平的前后運(yùn)動，每個(gè)軋輥上的2個(gè)液壓缸保持同步運(yùn)動，使軋輥兩端的移動同步，始終保持下軋輥與對應(yīng)上軋輥的中心軸線保持平行，下軋輥與對應(yīng)上軋輥之間的距離依靠液壓缸帶動軋輥的前后方向運(yùn)動和上軋輥的垂直上下運(yùn)動進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，在加工不同直徑的波紋板的卷板工作時(shí)，不需要更換軋輥（見圖7）。

圖6 幾何原理

2.3 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖7 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

1）機(jī)架的結(jié)構(gòu)。由上面所述，機(jī)架的設(shè)計(jì)思路是首先滿足每個(gè)上軋輥能夠獨(dú)立地上下運(yùn)動，同時(shí)由于是卷壓波紋板，對機(jī)架的剛度要求比一般的卷圓機(jī)要求高，故采用鋼板焊接的方式來制作機(jī)架，還要考慮到左右軋輥的水平移動，機(jī)架的最后形狀采用凸字形狀，為了方便各液壓缸的安裝，在機(jī)架上面焊接了液壓缸安裝板，上液壓缸的安裝板的直徑為左右支架厚度的1.5～1.8倍，利用多個(gè)斜筋肋板與支架焊接在一起，起到加強(qiáng)的作用，左右的液壓缸安裝板也采用多個(gè)斜筋肋板焊接在支架上，因?yàn)樽笥臆堓伒氖撬揭苿?，與支架的凸字底面有摩擦，所以在摩擦面上采用碳氮共滲的工藝處理提高耐磨性。

如圖8中所示，機(jī)架部件皆采用焊接結(jié)構(gòu)。

2）軋輥的設(shè)計(jì)。軋輥分為上軋輥和下軋輥各1對，下軋輥的波紋與上軋輥的波紋一一對應(yīng)，為了實(shí)現(xiàn)對軋輥的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向控制，采用獨(dú)立液壓馬達(dá)來驅(qū)動，利用液壓同步閥，來保證其同步旋轉(zhuǎn)，在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了液壓馬達(dá)的安裝接口，見圖9。

圖8 機(jī)架

圖9 軋輥

3）軋輥架的設(shè)計(jì)。軋輥架在整個(gè)設(shè)備里，起著軋輥的安裝定位作用，同時(shí)對軋輥起著加強(qiáng)剛度的作用，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用焊接結(jié)構(gòu)，利用網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)箱體來增強(qiáng)軋輥架剛度，在軋輥架的內(nèi)表面為弧形，與軋輥的直徑相吻合，兩端為軋輥的軸承安裝座以及液壓馬達(dá)的安裝槽。軋輥架共有4個(gè)，上軋輥架只有上下運(yùn)動，下軋輥架只有左右運(yùn)動，見圖10。

3 電氣控制

卷板機(jī)鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)行業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備多采用強(qiáng)電控制、手動操作的方式進(jìn)行生產(chǎn)，這種控制方式效率低，難以保證加工精度。近年來隨著數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外已有基于工控機(jī)加板卡形式的數(shù)控卷板機(jī)投入使用[6]。

為了解決上述問題，我們根據(jù)波紋卷板機(jī)的工作原理，對機(jī)器控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，考慮到實(shí)際現(xiàn)場操作的要求，對控制輸入力求簡化明了,設(shè)計(jì)了如圖11所示的控制流程圖，并據(jù)此設(shè)計(jì)了軟硬件。

圖10 軋輥架

3.1 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)硬件包括：液晶顯示屏、PLC控制器、控制開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器、水平和豎直磁珊尺、電器控制柜等。采用三菱的FX3u為核心，對各運(yùn)動部件進(jìn)行控制，并將各工作輥的實(shí)際工作位置通過工作軋輥兩端的旋轉(zhuǎn)編碼器反饋回CPU,在CPU內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整平行功能,最終將各工作輥的實(shí)時(shí)位置顯示在液晶顯示屏上。本機(jī)與其他三輥機(jī)器的區(qū)別在于，上輥的位置有2根上輥，也就形成本機(jī)在數(shù)控控制上的不同，需要對2個(gè)上輥分別控制上下位置。所有的控制按鈕和顯示屏都集中在控制柜上，通過按鈕控制使其具有上下和左右的位置數(shù)值輸入和軋輥的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，液晶顯示器通過RS232C標(biāo)準(zhǔn)通訊接口與CPU相連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸終端操作及報(bào)警信息的顯示[5]。

圖11 制流程圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為PLC梯形圖設(shè)計(jì)和顯示軟件設(shè)計(jì)，在PLC梯形圖開發(fā)中主要注意以下幾點(diǎn):首先是編碼器的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，其次是采集數(shù)據(jù)的運(yùn)算，然后是工作軋輥運(yùn)行中的自動調(diào)平問題。解決好以上3個(gè)問題卷板機(jī)PLC程序的開發(fā)問題既告完成。我們采用三菱公司的GX Developer開發(fā)軟件，液晶顯示屏屏幕開發(fā)環(huán)境采用NTST4.8C。

編碼器有2種方式：一種是絕對型編碼，一種是增量型編碼。兩者的區(qū)別是：絕對型輸出的是二進(jìn)制，BCD，格雷碼，絕對型具有記憶性；增量型編碼輸出脈沖信號，無記憶功能，根據(jù)需求我們選用絕對型編碼器。

絕對式編碼器一般采用格雷碼計(jì)數(shù)。格雷碼是二進(jìn)制碼的一個(gè)變形,其基本特征是：2個(gè)順序的編碼之間只有1位二進(jìn)制位改變狀態(tài)。在PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)只能識別普通二進(jìn)制數(shù)據(jù),不能識別格雷碼,如果要使用絕對式編碼器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和顯示,就必須對格雷碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換[5]。轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)就能在PLC中進(jìn)行計(jì)算，通過轉(zhuǎn)換后能在液晶顯示屏顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

卷板機(jī)共有4個(gè)軋輥，彼此之間保持相對的平行，因此需要對軋輥?zhàn)詣颖３制叫?，通過各軋輥的位置編碼器傳來的位置數(shù)據(jù)，通過PLC處理后驅(qū)動相應(yīng)的液壓缸來調(diào)整各自位置，以保持平行。

液晶顯示屏顯示控制中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和警告，需要各種按鈕輸入相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)來控制各運(yùn)動部件，同時(shí)在顯示器同步顯示各狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)，會在顯示器上報(bào)故障。

4 結(jié)語

通過試運(yùn)行，該機(jī)器實(shí)現(xiàn)了之前的技術(shù)需求，機(jī)器在PLC系統(tǒng)的控制下可靠地運(yùn)行。隨著國內(nèi)波紋卷板的運(yùn)用越來越廣，對此類卷板機(jī)的需求也會隨之上升，因此該設(shè)備的具有廣闊的推廣應(yīng)用空間。