前言

隨著建筑業(yè)及建筑技術的迅猛發(fā)展，許多工地均廣泛使用建筑預制構件。在預制構件的制作過程中，對其中使用的鋼筋有嚴格的要求，除材料及其直徑要求外，為使預制構件整齊美觀受力均勻，還需對鋼筋實施調直及定長切斷。目前，由于機械定長裝置的使用，若調直鋼筋超過一定長度，其切斷誤差將超過標準，并且鋼筋直徑越小，其超差越嚴重，必須實施二次切斷，而致勞動生產率降低。特別是低壓供電系統(tǒng)廣泛使用的水泥電線桿，若由于定長誤差的存在，將使拉直成型時各根鋼筋受力不一，致使?jié)沧⒊尚偷乃鄺U內部鋼筋受力不均勻，從而為爾后的工作埋下隱患。因此各廠家為解決定長切斷著實費了不少周折，但到目前，還沒有成功控制超差的報道。本文將對調直定長切斷過程做較詳盡的分析，并對定長切斷過程實施自動控制。

1、調直定長切割機的組成工作原理

原機械式鋼筋調直定長切割機的總體結構主要包括盤料架、調直筒、調直機主傳動箱及牽引壓輥、機座、剪切機構和受料架六大部分。

1、盤料架

需調直加工的鋼筋就繞在上面。

2、調直筒

鋼筋由盤料架上出來后進入該筒，適當調整調直塊的調整螺釘，將調直塊緊固在不同的偏心位置上，以便對不同規(guī)格或不同性質的鋼筋進行調直。調直的方案有高斯曲線型、正弦曲線型和余弦曲線型，分別適用于不同直徑，不同屈服強度的鋼筋。在調直多盤鋼筋后，調直塊會產生磨損，此時，應補調偏心以保證調直效果。

3、調直機主傳動箱及牽引壓輥

傳動箱內由機械減速機構將電機轉速降低，并帶動主動壓輥(上壓輥)旋轉。上料時，轉動一偏心手柄，使上壓輥抬起，將鋼筋穿過上壓輥與下壓輥(被動壓輥)之間的V型槽，然后反向轉動偏心手柄，使上壓輥放下，上下兩壓輥呈夾持鋼筋狀態(tài)。料壓在兩壓輥之間，被調整鋼筋力量的大小取決于壓輥之間的夾持力。與上壓輥機械相連的連桿上有一彈簧與之相連，該彈簧對上壓輥實施加壓，壓輥的牽引力與壓力成正比，故對不同直徑與材質的鋼筋應選擇不同的彈簧壓力，從而較好地握持并牽引鋼筋。同時，為防止在剪切時的連切現(xiàn)象，在鋼筋被頂停下時，鋼筋與壓輥間應能出現(xiàn)明顯的打滑。因此彈簧壓力的調整是調直機能否正常工作的關鍵。

4、剪切機構

傳動箱中偏心軸的雙滑塊機構帶動錘頭作垂直方向的直線往復運動，剪切機構的方刀臺中裝有上下切刀，當裝在方刀臺中的切刀進入錘頭下面時，上切刀被錘擊而實現(xiàn)鋼筋切斷工作。鋼筋被打斷后，方刀臺靠拉桿彈簧復位。

5、受料架

受料架是調直切斷機的定長機構，架上有用于定長的定尺板，根據需要的長度調整好定尺板在拉筋上的位置，并調整好拉筋彈簧的壓力，使被調直鋼筋能頂動定尺板前進，而且又要在鋼筋被切斷后方刀臺能及時復位。當被調鋼筋頂動定尺板前進到位時，定尺板帶動拉筋移動，拖動方刀臺進入錘頭下面而實現(xiàn)剪切。剪切完成后，方刀臺靠拉桿彈簧復位。當鋼筋被切斷時，受料架張開卸料，鋼筋落下后，受料架隨即關閉，接受下一根鋼筋。受料架卸料時，張開時間的長短由時間繼電器控制。

圖1鋼筋調直機的系統(tǒng)示意圖

如圖1所示為鋼筋調直機的系統(tǒng)示意圖，左側是盤繞在一起的鋼筋。彎曲的鋼筋經過中部的調直輪組之后到達需要的筆直程度，之后再由剪切刀做定長切割。其中伺服控制剪切刀，調直輪的動力可以采用伺服也可以采用變頻器，這主要取決于工藝要求以及設備的安裝方式。一般系統(tǒng)采用變頻器來帶動調直輪，在剪切刀右側增加位置開關用于定長檢測。

控制系統(tǒng)的主要技術難點在于驅動系統(tǒng)的過載能力以及抗干擾能力。因為鋼筋在脫離纏繞軸的時候容易出現(xiàn)扭曲或者環(huán)行打結現(xiàn)象。這時候調直輪會出現(xiàn)過載現(xiàn)象。因此根據鋼筋的牌號以及直徑可以大約計算出系統(tǒng)的極限扭矩，這樣方便系統(tǒng)選型。采用伺服作為剪切刀的動力源可以實現(xiàn)不停滯切割，極大地提高鋼筋的通過速度，提高機械的加工效率。

圖2鋼筋彎箍機系統(tǒng)示意圖

鋼筋彎箍機的折彎頭有很多種，主要取決于設計者。圖2中的是手輪式樣的折彎頭，大盤上有一個突出的小圓棒，大輪運動帶動小輪移動實現(xiàn)對鋼筋的折彎，之后返回原位在做下一次下壓動作。折彎花樣完成后，剪切刀對鋼筋實現(xiàn)定長切割。

2、定長誤差存在的原因

被調直的鋼筋調直完畢后，需對其長度進行測量以便給出定長切斷信號。從調直筒出來的鋼筋由上下壓輥牽引而前進，通過剪切機構后進入受料架。在受料架中鋼筋頂住定尺板并帶動拉筋前進，到位后靠鋼筋的頂力使拉筋帶動行程開關動作，給剪切機構送出剪切信號，并將帶有下切刀的方刀臺送到錘頭下面，錘頭錘擊上切刀從而使鋼筋剪斷。從其定長工作的過程不難分析其定長誤差存在的原因，分析如下：

(1)鋼筋頂動定尺板因彎曲引起的誤差。受料架上定尺板及拉筋均有一定的質量，且存在滑動摩擦力，而且還要拖動行程開關動作，鋼筋或多或少地存在一定的彎曲，不可避免地存在定長誤差。

(2)由于鋼筋在行走且錘頭位置不確定而存在的誤差。調直鋼筋被壓輥拖動以一定速度行進(一般情況鋼筋前進速度為30m/min)，錘頭上下往復運動頻率為600次/分，則錘頭完成一個行程需要0.1s，即剪切機構從接收到信號到錘頭落下剪切完成，時間在0～0.1s范圍內變化。若讓鋼筋自由行走，鋼筋必須會存在0～50mm之間的行走誤差。而目前的定長方法是到位后迫使鋼筋停止前進來獲得所需的剪切精度，則夾輥與鋼筋間將存在相對運動而打滑，勢必在鋼筋表面形成劃痕。同樣，迫使鋼筋停止前進亦會產生上節(jié)所出現(xiàn)的情況，而且鋼筋越長，誤差越嚴重。

3、新的定長與控制措施

很顯然，前述定長方案無法消除切斷誤差，需從其它途徑進行探討。

對象給定參數(shù)：鋼筋d=3～8mm;定長300～6000mm,可加長至8000～18000mm;鋼筋前進線速度30m/min;調直筒轉速n=2400r/min;壓輥直徑D=90mm,轉速142r/min。

(1)定長的檢測

為實現(xiàn)準確定長，在調直機下壓輥(被動壓輥)上裝上同軸測量盤，盤厚2mm直徑取197mm，在盤的邊緣均勻加工寬1mm，深4mm的槽300個，在邊緣距周邊3mm處裝上光電開關管(光軸距邊緣3mm)，則光電管光軸所在點對應的測量盤周長為π(D-6)=600mm，測量孔軸線的速度v=30×191/90=63.67m/min，每秒鐘光電管發(fā)出脈沖63.67×1000÷60÷2＝530.6個脈沖，脈沖間距1.885ms，兩脈沖間距離代表長度2×90÷191＝0．942mm，顯然這樣的測量精度是難以滿足要求的，為此，對光電開關管輸出脈沖實施倍頻，即脈沖頻率f=1061Hz，脈沖間距0.942ms，脈沖間距離代表長度0.471mm。計數(shù)器最大計數(shù)值216，即最大可定長30.88mm，滿足實際要求。

(2)切斷控制

定長切斷裝置存在切斷誤差的關鍵在于，當控制系統(tǒng)發(fā)出切斷指令時，除系統(tǒng)自身有一響應時間外，鋼筋仍在以一定速度前進著；只有鋼筋頂住定尺板后，鋼筋才在上下壓輥間打滑，等待切斷。倘若在實際操作中，使控制系統(tǒng)在發(fā)出切斷操作指令時鋼筋已經停止前行，或者在切斷操作開始前鋼筋已經停止前行，則可以有效地減少由于錘頭位置的隨機性而引起的切斷誤差。根據這一構想，我們對原定長切斷機構作了改進，改上下壓輥一直驅動鋼筋前進為間斷驅動方式，其控制過程是這樣的：當一次切斷操作完成后，裝有上切刀的方刀臺退出，控制器控制電磁鐵線圈，使其失電，牽引電磁鐵放下上壓輥，使下壓輥壓住鋼筋拖動其前進，裝在下壓輥上的測量盤旋轉，它所發(fā)出的脈沖送到控制器進行計數(shù)。當計數(shù)脈沖所對應的長度等于設定長度時，控制器給電磁鐵發(fā)出信號，令其抬起上壓輥。上壓輥抬起后，鋼筋前進的驅動力消失，鋼筋停止前進，(注：調直機構在對鋼筋調直操作過程中，不存在使鋼筋軸向移動的驅動力)，此時，控制器使裝在方刀臺上切刀進入錘頭下面，上切刀被錘頭錘擊而切斷鋼筋，然后重復另一個新的循環(huán)。由于從控制器發(fā)出抬上壓輥的命令，到上壓輥被抬起，鋼筋因無軸向驅動力而停止前進，一般需要150～180ms左右，視具體裝置構成而定，故在控制器中，長度設定值應減去在這段時間內鋼筋行走的長度，具體數(shù)值應由具體裝置經實際調試而得。

4、系統(tǒng)的控制與運行

系統(tǒng)的定長與切斷控制裝置由MCS-51單片機構成，如圖2所示。由測量盤送的脈沖，經脈沖整形、倍頻，送到8031的T0入口，作為定長計量輸入。定長設定由三位BCD撥碼盤輸入，偏移量由操作者根據實際裝置進行調整，計算機給定計數(shù)值等于BCD碼盤設定值所對應的脈沖數(shù)值減去偏移量。則在鋼筋前進過程中，測量盤旋轉發(fā)出的脈沖，經整形、倍頻送到8031進行計數(shù)。在計測過程中，計算機不斷地將計數(shù)值與給定值比較；當計數(shù)值等于給定值時，計算機送出信號使牽引電磁鐵得電，將上壓輥抬起，使鋼筋停止前行，計算機發(fā)出切斷信號使鋼筋切斷。計算機在發(fā)出切斷信號之后，經一定時間的延時，發(fā)出新一輪計量開始信號，使牽引電磁鐵釋放，上壓輥被放下，夾持鋼筋并驅動其前行。

圖3控制系統(tǒng)示意圖

控制系統(tǒng)中，為避免由于電源電壓的變化對牽引電磁鐵動作時間的影響，在電磁鐵線圈主回路中，設置了容量為牽引電磁鐵啟動功率5倍的交流穩(wěn)壓器，以保證每次動作的狀態(tài)與條件相同，同時，應保證電磁鐵動作部分充分潤滑。

為避免電源電壓波動，以及電磁操作對計算機系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)運行可靠性，采取了以下抗干擾措施。

(1)硬件方面采用有靜電屏蔽的變壓器作為控制電源變壓器，并在電源輸入設有兩級LC濾波電路。為防止計算機系統(tǒng)前后級間的影響，在每一片集成塊的電源與地之間并聯(lián)一只0.47μF的電容，以吸收集成電路工作時產生的脈沖干擾。從測量盤到控制器之間用屏蔽電纜進行脈沖傳輸，系統(tǒng)的控制部分置于接地良好的金屬箱體內，這可防止空間電磁脈沖對系統(tǒng)的影響。

(2)軟件方面設置了軟件定時監(jiān)視器，以防止程序因干擾進入非程序區(qū)，造成系統(tǒng)運行不正常。只要程序運行時間超過設定時間，定時監(jiān)視器便申請中斷，迫使系統(tǒng)進入初始狀態(tài)。

(3)伺服通過通訊電纜接收上位機的控制信號，并執(zhí)行上位機的運動指令。伺服控制器接線端口的左部中端是上位機控制伺服啟停信號，以及緊急情況下可以獨立切斷伺服運行的控制信號。伺服控制器接線端口右部上端的是伺服輸出的位置信號，此處做了分頻處理，主要是為了滿足上位機對于位置信號的識別。此信號與伺服編碼器信號有關聯(lián)，供上位機讀取系統(tǒng)的運行速度以及幫助上位機進行位置對比。伺服控制器接線端口右部下端是伺服驅動器與上位機進行伺服狀態(tài)的通訊連接口，其包含了伺服狀態(tài)以及報警輸出兩部分。

伺服系統(tǒng)這類機械上有三處作用。第一是扭矩輸出，作為調直工藝的動力源。這里要保證大功率輸出能力，避免系統(tǒng)因卡線而停機。第二高速剪切，伺服通過高速往復運動帶動剪切頭上下移動，并且利用伺服的高速動態(tài)性能避免鋼筋撞到刀頭。第三是折彎頭，這既需要伺服的高的動態(tài)響應速度，快速起停以及往復運動，也需要有一定的柔性來實現(xiàn)對鋼筋的保護。

該控制裝置在一調直切斷機投入使用，設定長度0.3～30m，對不同定長量時的偏移量已經由實際調試后固化到程序存貯器中。經實際試運行，該裝置在整個設定長度內，切斷長度誤差2mm，滿足實際要求，目前已經入投現(xiàn)場運行。

5、結論

伺服系統(tǒng)在鋼筋調直機以及彎箍機方面的應用成功，其解決了因為傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)固有問題帶來的噪音、震動，效率低下，控制不便等問題，同時有效地提高了機械的系統(tǒng)響應性，位置控制精度以及加工效率，得到了客戶的好評。

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