张永飞　杨大珊　赖坚仁　易斌　林旭肖

摘要：面对压焊钢格板越来越广阔的市场前景，人工上料和排料显然已不能满足企业大量生产的要求，需要研发一种用于钢格板制造自动追剪排料的系统。基于此，利用上位机—PLC—触摸屏的硬件架构控制系统，开发了一套钢格板数据自动识别、自动追剪和自动排料的控制系统，并且在车间进行试用。试用结果表明，扁钢自动追剪排料控制系统替代人工上料，不仅降低了企业人力成本，而且提高了钢格板的生产效率。

关键词：钢格板制造;自动追剪;自动排料;自动识别;自动下发

0 引言

钢格板是一种由承载扁钢与横杆按照一定的间距正交组合，通过焊接或压锁加以固定的开敞板式钢构件。钢格板广泛应用于石油、化工、冶金、轻工、造船、能源、市政等行业的工业建筑、公共设施、装置框架、平台、地板、走道、楼梯踏板、沟盖、围栏、吊顶等建造中。根据制作方法不同，可以将钢格板分为压焊钢格板和压锁钢格板。其中压焊钢格板是在承载扁钢和横杆的每个交点处通过压力电阻焊固定的钢格板，其横杆通常采用扭绞方钢，如图1所示。

钢格板的传统生产方法包括统一调直裁剪、人工排料、自动压焊、人工裁剪、后处理5个步骤，如图2所示。首先由厂家订购固定长度的直扁钢，或者对卷扁钢进行统一调直裁剪，然后由工人进行排料，接着由压焊机进行压焊，压焊出来的产品只有一种规格，再根据订单的需要对产品进行裁剪，最后进行热浸镀锌等后处理。

传统的人工排料方法，工人劳动强度大;生产出来的钢格板规格是固定的，对于不同规格的订单需求，必须进行后期人工裁剪，导致加工时间长，剪下来的边角料会造成浪费。目前，国内关于压焊设备的研究有很多，但几乎没有针对提高人工排料效率环节的改进研究，这主要是工厂年久、设备陈旧、场地限制、改造难等问题所致。为了进一步提高钢格板的生产效率，钢格板生产行业亟需一种可以实现钢格板任务参数自动识别并下发、自动裁剪长度、自动排料的控制设备。

1 设计方案

针对钢格板传统生产方法的缺点，设计了一种新式生产方法，选择卷扁钢作为材料进行加工，生产过程分为开卷、调直、追剪、自动排料、推料、自动压焊、后处理7个步骤，如图3所示。与传统方法相比，新方法最大的不同就是可以直接生产不同规格的钢格板，不需要额外进行裁剪。

为了实现上面的生产流程，决定采用上位机—PLC—触摸屏界面的形式，由上位機软件自动识别U盘等存储设备的文件数据，自动下发给PLC系统，联网追剪、排料和压焊3台机器按照订单的要求生产各种规格的钢格板。由上位机、追剪调直机系统和扁钢排料机控制系统组成的自动排料系统，可以实现卷钢自动拉直截断、自动排料功能。

2 任务单下发

利用上位机读取U盘内存储好的任务单文件，然后在合适的时候将任务单信息下发到追剪、排料和压焊3台机器上，可以实现参数从U盘到PLC的自动通信传送，不需要操作工在这3台机器上手动输入参数，减少了生产时间，同时直接下发任务单可以避免参数误输入造成的经济损失。

任务单的内容主要是不同规格钢格板的具体参数，其格式为“生产序号—成品数量—扁钢长度—扁钢数量—留头长度—绞钢数量—送料位置”。自动上料机控制系统界面如图4所示。

上位机识别的任务单文件各参数含义如下：

（1）生产序号，是将任务按照一定顺序排列之后得到的，PLC完成当前任务之后会请求上位机按照序号下发下一条任务。

（2）成品数量，就是这一批次产品中相同规格钢格板的生产数量。将同一规格的钢格板合并进一个序号内，可以避免规格参数频繁变化。生产现场经验表明，对比参数经常变化的情况，生产同规格钢格板的机器表现更稳定。

（3）扁钢长度，就是根据产品长度计算得到的参数，决定了追剪调直机剪切的长度。

（4）扁钢数量，就是根据产品宽度计算得到的参数，决定了追剪调直机剪切和排料机排料的次数。

（5）留头长度，是钢格板焊接的第一根绞钢到钢格板边缘的距离，实际上就是排料机推料的距离。

（6）绞钢数量，是根据产品长度及压焊机压焊间距计算得到的参数。由于压焊机采用一次压焊两根绞钢的加工形式，所以绞钢数量总是偶数。在长度方向上，绞钢数量、留头长度、扁钢长度和产品长度有这样的关系式：

扁钢长度L=留头长度+（绞钢数量-1）×

绞钢间隔+末端长度

产品长度=扁钢长度+包边料宽度×2（2）

（7）送料位置，是机械手取第一根扁钢放置的位置。由于需要加工不同宽度的钢格板，扁钢数量不一定是34根，为了保证压焊时均匀受力，需要扁钢尽量放在料盘中心位置，所以需要根据扁钢数量计算出送料位置，计算公式如下：

送料位置=roundup[（34-扁钢数量）/2]（3）

其中roundup是Excel中自带的向上取整函数，这里计算出来的结果是放下第一根扁钢的槽位，对应到机械手伺服电机的绝对坐标，计算还要用到第4节的公式（4）。

3 追剪调直机

追剪调直机负责的是生产流程的前3个步骤：开卷、调直和追剪。其中，开卷、调直就是负责将车间得到的卷钢通过拉伸压的方法调整成可用的直扁钢。然后根据任务单要求剪切出长度合适的扁钢。采用追剪的剪切方式的特点就是剪切的时候，切刀与送料机构同步运动，平稳剪切。由于追剪过程中送料机构不停机，追剪的生产效率比一般生产效率高。

追剪过程应用了台达的伺服电机，该款电机自带电子凸轮功能，使用的时候只要PLC下达啮合指令，就能自动完成预设长度扁钢的追剪动作，在同步区发回信号后，PLC控制液压刀进行剪切。追剪速度曲线如图5所示。

4 扁钢排料机系统

扁钢排料机是实现自动化上料不可或缺的一部分，主要排料流程如图6所示。

扁钢排料机的触摸屏包括状态显示、必要的参数显示以及手动控制按钮，可以帮助操作工观察机器工作状态，确认钢格板的参数和必要时对机器进行调整，如图7所示。

钢格板排料时的关键就是将料盘上的槽位和机械手伺服电机的绝对位置进行对应，所以设计了槽位手动示教程序，示教之后自动计算从原点到接货位方向34个槽位对应的伺服电机绝对位置坐标。钢格板排料各位置绝对位置坐标计算公式如下：

式中：x0和x33为手动示教时标定的第1格和第34格槽位的绝对位置坐标;xn为要求的第n+1格绝对位置坐标，n取0到33之间的整数。

由于西门子断电保护存储有限，实际上是将示教的绝对位置坐标存入PLC断电保护区，每次上电时自动计算出34个位置对应的脉冲数，一台机器只需要进行一次示教，操作工使用时即可直接调用示教结果，简化了操作。

5 结语

本次设计的扁钢自动追剪排料控制系统已经应用于车间现场，可以替代人工排料过程，不但极大地降低了工人的劳动强度，而且能直接生产不同规格的钢格板，不需要后期人工裁剪，简化了工艺流程，生产效率得到了明显提高。这套系统不仅实现了钢格板压焊机自动化追剪排料，开发的上位机还能自动识别数据和下发任务单，后期可以拓展为整个车间总的生产控制中心，为实现车间信息化提供基础。

[参考文献]

[1] 顾纯谷.电机及拖动基础[M].2版.北京：机械工业出版社，1982.

[2] 李金城，付明忠.三菱FX系列PLC定位控制应用技术[M].北京：电子工业出版社，2014.

[3] 谢志萍.电机与设备电气控制[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4] 杨琦.钢格板制造执行系统的设计与开发[D].北京：北京工业大学，2016.

[5] 王长波，苏东玉，李月.自动化系统在扁钢生产线上的应用[J].中国科技投资，2014（5）：257.

收稿日期：2021-02-22

作者简介：张永飞（1979—），男，浙江象山人，工程师，研究方向：电气工程及自动化。