步进式厚板冷床的应用

景峰 ,陈大海

摘要：步进式厚板冷床是一种特殊的板材成形设备，在厚板成形工艺中起到了至关重要的作用。一般情况下，对于板材成形来说，主要是使用冷床和固定模架（由立柱、横梁和立柱组成）。步进式厚板冷床具有精度高、可调压力高、承载能力强的特点，因此可应用于各种特殊薄板的制造。该设备主要由上下料架（单料或双料）、下料架（双孔）、立式压力机和卧式压力机组成。本文主要探究步进式厚板冷床的自动化提升控制思路

关键词：步进式；厚板冷床；思路

前言

步进式厚板冷床是专门用来生产厚度小于100mm的钢板的冷床。具有不需要进行热处理，并且能够在高温下快速冷却的特点，这种设备可用于提高板带的综合力学性能，同时提高板材质量。冷床是为厚板型材生产而设计。其优点是使用简单、制造精度高、成本低。一般用于中小截面钢板。它适用于热轧、冷拉弯、成形等各种类型钢板的薄厚成型、冷拉或退火和时效处理。由于其具有重量轻、速度快等优点，所以步进式厚板泠床被广泛应用于生产中，在模具制造设备的制作中发挥了巨大作用。

1、冷床的系统组成

冷床系统大体分为支撑机构、传动机构、液压机构、电气控制机构四个部分，下面对这四个部分的具体组成进行介绍。

1.1支撑机构

冷床采用的是三组步进式钢梁，每组有三条高强度钢梁组成，每条钢梁南北跨度40000mm,东西横跨5000mm.钢梁的下面为轨道轮支撑。

1.2驱动机构

本文所指的驱动机构是指给步进梁的移动提供动力的机构，它分为上升机构和平移机构，上升机构由6个¢280/200~1150mm的液压缸驱动平移机构由3个¢200/125~1260mm的液压缸驱动。

1.3液压机构

液压机构是用来给驱动机构提供动力的液压站，主要有油箱、循环泵、主压力泵、液压泵、液压管道几个部分组成。

1.4电气控制机构

电气控制机构主要是来完成整个运行过程的控制,它的组成部分较多，包括液压站的电机传

动、温度检测、压力给定，现场液压缸的运行监测、操作电路等等，所有这些信号的处理及其控制都由西门子$7-400PLC完成步进梁式冷床的工作原理。

2、步进式厚板冷床

2.1厚板冷床导轨

厚板冷床导轨是厚板冷床轧机前主要零件，导轨是钢板、铸铁或其他材料制成，采用橡胶密封材料制作而成。其作用是使厚板冷床轧机轧制钢板的表面达到所要求的水平，使轧机在轧制钢板时不产生毛刺、飞边、夹渣等质量问题；导轨安装的位置必须正确，使导轨具有良好的导向性。在导轨轴头、导轨与压辊之间装上一个固定轴，即上下导轨分别固定轴上。在每一个固定轴上设有一对上下导轨之间的活动挡板，向导轨移动时，挡板由活动挡板带动运动挡板一起运动。经过活动挡板运动后，导轨与压辊之间留有一定间隙，导轨轴头固定在挡板上。当导轨发生弯曲时，可利用挡板进行补偿，保证导轨在使用过程中不产生松动和弯曲现象。导轨一般由3种材料制成：①铸铁导轨：采用铸铁材料制成；②铝合金导轨：采用铝合金材料制成；③不锈钢导轨：采用不锈钢材料制成。

2.2轴头和压辊

为保证厚板冷床在生产过程中对导轨和压辊的稳定性，在厚板冷床上还应配以大间距的导轨。由于钢板厚度大、导轨间距小、板材薄，为了提高厚板冷床生产效率，建议压辊间距不小于40mm。一般情况下，压辊间距为40mm~50mm为宜，采用大间距的导轨可以保证轧机上薄板有良好的导向性，可以减少压辊的磨损。厚板冷床压辊及导轨之间均采用橡胶密封圈，防止导轨损坏及压辊因磨破而引起轧制不畅。由于导轨及压辊轴在步进式厚板冷床热变形条件下处于动载荷作用下转动和传递热量而产生热变形和疲劳破坏的特点，因此，对于厚度为600mm以上时应对导轨和压辊采用不锈钢等材质进行复合处理，以增加其抗疲劳强度。对于厚度为700mm以下时采用热变形合金(LB400)或热处理后再进行热热处理(CISM460)以消除组织、残余应力、均匀细化晶粒及改善材料晶粒组织、提高塑性及韧性等作用。

2.3传动齿轮和控制传动机构

步进式厚板冷床上的传动齿轮为双齿面齿轮，齿数多，齿面接触面积大，具有良好的传递扭矩和导向性。双齿面齿轮齿数一般为10~16齿，齿形有两种，一种为单齿面齿轮，另一种为双齿面齿轮。其传动效率较高，有较好的耐磨性，但容易产生径向载荷。在步进式厚板冷床上，由于两个导轨的相对运动均由齿轮驱动，因此产生径向载荷较小，但径向载荷过大时易产生较大的径向载荷与导轨接触部位产生局部应力变形而造成导轨损伤。为了解决这一问题就需要对齿轮进行合理设计。齿轮结构根据其制造精度要求分为低、中、高三种齿形。低齿形齿轮在承受轴向载荷时齿形较圆滑，不会产生径向载荷时齿形较圆滑；中齿形齿轮在承受轴向载荷时齿形较圆滑，不会产生径向载荷时齿形较圆滑。齿形越宽其承载能力越大，但磨损较大。因此对齿形的选择也是由用户选择最适合自己要求的齿型。

2.4厚板冷床机床控制

厚板冷床机床控制系统，包括厚板冷床信号装置、厚板冷床控制柜、厚板冷床控制中心、厚板冷床控制信号反馈装置、厚板冷床运行系统集成平台、厚板冷床设备检修平台及备件存储平台等。

厚板冷床信号装置用于厚板冷床的生产调度和设备状态的监控，厚板冷床控制中心用于厚板冷床的监控与数据采集。厚板冷床运行系统集成平台用于厚板冷床市电和信号设备（包括仪表）及各类控制装置，并提供信息交换服务。厚板冷床信号设备通过计算机或光纤通信接口与数控系统和外部装置相连，形成厚板冷床数控技术与计算机网络技术相结合的闭环信息处理系统。该系统的主要功能是：第一，提供厚板冷床市电和各种控制装置；第二，将市电（AC）转换为标准的 PLC指令输出；第三，完成厚板冷床数控运行控制；第四，将标准 PLC指令输出。机床运行监测中心由传感器、变送器以及变频器组成。厚板冷床控制中心设置有厚板冷床控制柜，该柜体分为上下两部分。上下两部分采用金属镀锌而成，具有良好的耐蚀性和耐磨性。中间设置了一个传动机构，使厚板冷床在运转中具有良好的传递扭矩和平稳度。

3、自动化提升控制思路

针对钢铁的三条物流路线和冷床的控制需求，对冷床区进行了智能分区，在（1）区段的智能物流控制部分，采取了一种特殊的生产工艺的思想。

智能分区冷床区的平面布置图：

图1冷床区域智能化分段示意图

图中：

-区段（1）为智能化物流控制区段；

-区段（2）为智能化冷床控制区段；

-区段（3）为物流过渡区段；

-区段（4）为智能化检查台架区段。

以下对各个区段的智能化改造的控制功能进行描述。

3.1智能化物流控制区段（面向工艺）

部分（1）为智能的后勤控制部分，它包括：热矫直机外辊道、2#冷床进口辊道和冷床出口辊道。它的主要功能是接收从轧机上传送进来的钢板，并能实现对钢板的自动分流（2#CB，下行，分别为第二节中的三个方向）。在改建之前，这一地区的钢板分流，要求操作人员根据钢材的特性，和上、下工艺进行交流。在经过改进后，L2在钢板的特性中加入了一个新的物流说明，L1将会实现自动的分流。

钢板自动分流控制思路如下所示：

Step1.L2在钢板处于热矫直区时发出板材的资讯（包括NPZ编码及下边标记的后勤特性）；

步骤2.在钢板到达冷床区后，L1程式会从钢板上读出NPZ编码；

步骤3:L1系统将会读出NPZ编码，NPZ编码为1330时，该NPZ将被放置在冷床轧机上；NPZ编码1830时，表明该板片将位于检验冷床下料辊上。

步骤4.将钢板进行自动处理，将NPZ的钢板和辊道自身的NPZ码进行对比，如果编码是一样的，那么将钢板放置到轧辊上，如果编码的不一样，那么钢板就会继续往下移动（注：如果在运输时，如果有位置滚轮的位置被占据，那么首先停止在前一套滚轮上，等待松开后，再进行调整）。

步骤5.当定位完毕时，读出下纸标记，若标记为1，在此点上启动司机的下落指令；若标记比特是0,NPZ码1330就会引发2号冷床加料命令，而NPZ码1830会引发直通命令。

其自动分流流程图如下所示：

图2钢板自动分流流程图

这样的话，钢板就会自动进行分流，将流程中的物流数据切实做在程序中，从而达到以流程为导向的自动化提升。

3.2智能化冷床控制区段

区段（2）为智能冷床控制区段，它包括上料装置、2#冷床本体和下料装置。此区段的主要功能是利用上料机将2#冷床入口辊道上等待上料的钢板输送到冷床上，在冷床主体的推进过程中，在输送钢板的同时，对其进行降温，在达到冷床出口并达到一定的温度时，冷床就会停下来，并通过下料设备将其输送到2#冷床的出料辊上。在此之前，本区段的上料、下料等控制功能，多由作业人员进行半机械化作业。本区段的自动升降系统主要包括：冷床自动上料功能，冷床自动布料功能，冷床自动下料功能。

冷床自动上料控制思路如下：

在冷床进口滚轮上，钢板的靶位为上2#CB，位置结束后，L1首先确定钢板的入口位置，如果未占用，则上料装置自动执行上料操作，如果被占用了，则会等待，直至解除这一区域的占有，然后钢板自动上料。

因此，判断冷床入口区的大小，对冷床自动上料功能至关重要。

在钢板上料完毕后，冷床的进料区会被占据，见图3：

图3冷床上料区域占用HMI图（红色方框内的黑色方框为占用标记）

此时，L1将对入口空闲区域数值初始化，计算公式如下：

S1FreeArea=2100mm–PL_Width/2（1）

S2FreeArea=2100mm–PL_Width/2（2）

式中：S1FreeArea为2#冷床1区的入口空闲区域数值；S2FreeArea为2#冷床2区的入口空闲区域数值；PL_Width为上料钢板的宽度。

当冷床本体运行时，每次冷床的步进完成时，入口空闲区域的数值重新计算一次，计算公式如下：

S1FreeArea[n]=S1FreeArea[n-1]+STEP_LEN（3）

S2FreeArea[n]=S2FreeArea[n-1]+STEP_LEN（4）

式中：STEP_LEN为钢板的步进长度。当S1FreeArea和S2FreeArea到达一定的数值（自动优化参数：入口区域空闲阈值）之后，冷床入口区域占用状态被释放，此时冷床上料装置方可自动执行上料动作。

冷床自动布料控制思路如下：

L1控制器基于2#冷床输入辊道上钢板的最大宽度自动计算所需的冷床入口区域的空闲空间，从而自动优化参数：入口区域空闲阈值。

当冷床进口自由面积的计算结果S1自由距离和S2自由距离比进口区域自由临界点小时，冷床层继续阶梯；如果冷床进口自由面积的计算结果S1自由距离和S2自由距离比进口区域自由临界点高，则冷床进口面积占据状况解除，冷床停止步进。

冷床自动下料控制思路如下：

冷床的自动下料思路与自动上料相似，它可以根据排出面积的大小来判定钢板的落点，此处不再赘述。

3.3物流过渡区段

区段（3）为物流转换部分，它主要包括2#CB出口辊道和检查台架进口辊道。此部分的主要功能是将2#CB下料的钢板输送到检验平台的进口滚轮上。在此地区，在进行改型之前，要增加或删除此区域的钢板追踪图像，并将其放置在人工或半自动化的位置。此部分的自动化升降部分，包括自动产生下料板图像和IB进口轧辊的剩余空间。下料钢板图像的自动产生功能仅由L2信息或栅格占据增加图像IB进口辊道剩余运算与区段1中的辊道定位功能相似。

3.4检查台架区段

区段（4）为智能检验平台部分，它包括1至6区域的横移装置、入口提升装置、出口提升装置、出口提升装置和出口侧装置。它的主要功能是把2#CB的出料口的钢板从IB进口辊道通过1-6区域的横向移动设备输送到IB的出口处，然后通过侧壁，把钢板放置到IB的出辊道上；在IB作业期间，需要经常停车，IB平台上对钢板的表面进行手工检验，由于此特点，本部位没有进行自动升级，仍然维持原有钢板上料、横移、侧边、下料，大部分依靠手工或半机械化作业。

4、使用效果

本项目于2019年4月竣工并投入使用，除了检验台由于技术原因，其他全部都实现了自动控制，人工操作负荷降低50%以上，操作岗位从原来的2岗降到了1岗。同时，该项目所提的以过程为导向的工艺控制思路。也为板加库、精整中间库、热处理冷床等复杂的后勤管理领域的成功实施，具有良好的推广应用价值。

5、总结

总之，一个系统设备不管有多繁杂，了解其设计原理和工作特性，能很快掌握设备的特性，从而由繁变简。有效地提高工作效率。掌握了设备的设计原理和工作特性，可以更好地发现制造和安装的重难点，把握设备制造的关键。

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