前言

隨著建筑業(yè)及建筑技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多工地均廣泛使用建筑預(yù)制構(gòu)件。在預(yù)制構(gòu)件的制作過程中，對其中使用的鋼筋有嚴(yán)格的要求，除材料及其直徑要求外，為使預(yù)制構(gòu)件整齊美觀受力均勻，還需對鋼筋實施調(diào)直及定長切斷。目前，由于機(jī)械定長裝置的使用，若調(diào)直鋼筋超過一定長度，其切斷誤差將超過標(biāo)準(zhǔn)，并且鋼筋直徑越小，其超差越嚴(yán)重，必須實施二次切斷，而致勞動生產(chǎn)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(nèi)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(diào)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(diào)直定長切割機(jī)的組成工作原理

原機(jī)械式鋼筋調(diào)直定長切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)主要包括盤料架、調(diào)直筒、調(diào)直機(jī)主傳動箱及牽引壓輥、機(jī)座、剪切機(jī)構(gòu)和受料架六大部分。

1、盤料架

需調(diào)直加工的鋼筋就繞在上面。

2、調(diào)直筒

鋼筋由盤料架上出來后進(jìn)入該筒，適當(dāng)調(diào)整調(diào)直塊的調(diào)整螺釘，將調(diào)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(zhì)的鋼筋進(jìn)行調(diào)直。調(diào)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(qiáng)度的鋼筋。在調(diào)直多盤鋼筋后，調(diào)直塊會產(chǎn)生磨損，此時，應(yīng)補(bǔ)調(diào)偏心以保證調(diào)直效果。

3、調(diào)直機(jī)主傳動箱及牽引壓輥

傳動箱內(nèi)由機(jī)械減速機(jī)構(gòu)將電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，并帶動主動壓輥(上壓輥)旋轉(zhuǎn)。上料時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)整鋼筋力量的大小取決于壓輥之間的夾持力。與上壓輥機(jī)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(zhì)的鋼筋應(yīng)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(yīng)能出現(xiàn)明顯的打滑。因此彈簧壓力的調(diào)整是調(diào)直機(jī)能否正常工作的關(guān)鍵。

4、剪切機(jī)構(gòu)

傳動箱中偏心軸的雙滑塊機(jī)構(gòu)帶動錘頭作垂直方向的直線往復(fù)運動，剪切機(jī)構(gòu)的方刀臺中裝有上下切刀，當(dāng)裝在方刀臺中的切刀進(jìn)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(fù)位。

5、受料架

受料架是調(diào)直切斷機(jī)的定長機(jī)構(gòu)，架上有用于定長的定尺板，根據(jù)需要的長度調(diào)整好定尺板在拉筋上的位置，并調(diào)整好拉筋彈簧的壓力，使被調(diào)直鋼筋能頂動定尺板前進(jìn)，而且又要在鋼筋被切斷后方刀臺能及時復(fù)位。當(dāng)被調(diào)鋼筋頂動定尺板前進(jìn)到位時，定尺板帶動拉筋移動，拖動方刀臺進(jìn)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(fù)位。當(dāng)鋼筋被切斷時，受料架張開卸料，鋼筋落下后，受料架隨即關(guān)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(diào)直機(jī)的系統(tǒng)示意圖

如圖1所示為鋼筋調(diào)直機(jī)的系統(tǒng)示意圖，左側(cè)是盤繞在一起的鋼筋。彎曲的鋼筋經(jīng)過中部的調(diào)直輪組之后到達(dá)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(diào)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(shè)備的安裝方式。一般系統(tǒng)采用變頻器來帶動調(diào)直輪，在剪切刀右側(cè)增加位置開關(guān)用于定長檢測。

控制系統(tǒng)的主要技術(shù)難點在于驅(qū)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(jié)現(xiàn)象。這時候調(diào)直輪會出現(xiàn)過載現(xiàn)象。因此根據(jù)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(jī)械的加工效率。

圖2鋼筋彎箍機(jī)系統(tǒng)示意圖

鋼筋彎箍機(jī)的折彎頭有很多種，主要取決于設(shè)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(diào)直的鋼筋調(diào)直完畢后，需對其長度進(jìn)行測量以便給出定長切斷信號。從調(diào)直筒出來的鋼筋由上下壓輥牽引而前進(jìn)，通過剪切機(jī)構(gòu)后進(jìn)入受料架。在受料架中鋼筋頂住定尺板并帶動拉筋前進(jìn)，到位后靠鋼筋的頂力使拉筋帶動行程開關(guān)動作，給剪切機(jī)構(gòu)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(zhì)量，且存在滑動摩擦力，而且還要拖動行程開關(guān)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(diào)直鋼筋被壓輥拖動以一定速度行進(jìn)(一般情況鋼筋前進(jìn)速度為30m/min)，錘頭上下往復(fù)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(jī)構(gòu)從接收到信號到錘頭落下剪切完成，時間在0～0.1s范圍內(nèi)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(jìn)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(jìn)亦會產(chǎn)生上節(jié)所出現(xiàn)的情況，而且鋼筋越長，誤差越嚴(yán)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(jìn)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(jìn)線速度30m/min;調(diào)直筒轉(zhuǎn)速n=2400r/min;壓輥直徑D=90mm,轉(zhuǎn)速142r/min。

(1)定長的檢測

為實現(xiàn)準(zhǔn)確定長，在調(diào)直機(jī)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(guān)管(光軸距邊緣3mm)，則光電管光軸所在點對應(yīng)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(guān)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(guān)鍵在于，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出切斷指令時，除系統(tǒng)自身有一響應(yīng)時間外，鋼筋仍在以一定速度前進(jìn)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(jīng)停止前行，或者在切斷操作開始前鋼筋已經(jīng)停止前行，則可以有效地減少由于錘頭位置的隨機(jī)性而引起的切斷誤差。根據(jù)這一構(gòu)想，我們對原定長切斷機(jī)構(gòu)作了改進(jìn)，改上下壓輥一直驅(qū)動鋼筋前進(jìn)為間斷驅(qū)動方式，其控制過程是這樣的：當(dāng)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(jìn)，裝在下壓輥上的測量盤旋轉(zhuǎn)，它所發(fā)出的脈沖送到控制器進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)計數(shù)脈沖所對應(yīng)的長度等于設(shè)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(jìn)的驅(qū)動力消失，鋼筋停止前進(jìn)，(注：調(diào)直機(jī)構(gòu)在對鋼筋調(diào)直操作過程中，不存在使鋼筋軸向移動的驅(qū)動力)，此時，控制器使裝在方刀臺上切刀進(jìn)入錘頭下面，上切刀被錘頭錘擊而切斷鋼筋，然后重復(fù)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(qū)動力而停止前進(jìn)，一般需要150～180ms左右，視具體裝置構(gòu)成而定，故在控制器中，長度設(shè)定值應(yīng)減去在這段時間內(nèi)鋼筋行走的長度，具體數(shù)值應(yīng)由具體裝置經(jīng)實際調(diào)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(jī)構(gòu)成，如圖2所示。由測量盤送的脈沖，經(jīng)脈沖整形、倍頻，送到8031的T0入口，作為定長計量輸入。定長設(shè)定由三位BCD撥碼盤輸入，偏移量由操作者根據(jù)實際裝置進(jìn)行調(diào)整，計算機(jī)給定計數(shù)值等于BCD碼盤設(shè)定值所對應(yīng)的脈沖數(shù)值減去偏移量。則在鋼筋前進(jìn)過程中，測量盤旋轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖，經(jīng)整形、倍頻送到8031進(jìn)行計數(shù)。在計測過程中，計算機(jī)不斷地將計數(shù)值與給定值比較；當(dāng)計數(shù)值等于給定值時，計算機(jī)送出信號使?fàn)恳姶盆F得電，將上壓輥抬起，使鋼筋停止前行，計算機(jī)發(fā)出切斷信號使鋼筋切斷。計算機(jī)在發(fā)出切斷信號之后，經(jīng)一定時間的延時，發(fā)出新一輪計量開始信號，使?fàn)恳姶盆F釋放，上壓輥被放下，夾持鋼筋并驅(qū)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(shè)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(yīng)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(jī)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(shè)有兩級LC濾波電路。為防止計算機(jī)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(chǎn)生的脈沖干擾。從測量盤到控制器之間用屏蔽電纜進(jìn)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(nèi)，這可防止空間電磁脈沖對系統(tǒng)的影響。

(2)軟件方面設(shè)置了軟件定時監(jiān)視器，以防止程序因干擾進(jìn)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(shè)定時間，定時監(jiān)視器便申請中斷，迫使系統(tǒng)進(jìn)入初始狀態(tài)。

(3)伺服通過通訊電纜接收上位機(jī)的控制信號，并執(zhí)行上位機(jī)的運動指令。伺服控制器接線端口的左部中端是上位機(jī)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(jī)對于位置信號的識別。此信號與伺服編碼器信號有關(guān)聯(lián)，供上位機(jī)讀取系統(tǒng)的運行速度以及幫助上位機(jī)進(jìn)行位置對比。伺服控制器接線端口右部下端是伺服驅(qū)動器與上位機(jī)進(jìn)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(jī)械上有三處作用。第一是扭矩輸出，作為調(diào)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(jī)。第二高速剪切，伺服通過高速往復(fù)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(yīng)速度，快速起停以及往復(fù)運動，也需要有一定的柔性來實現(xiàn)對鋼筋的保護(hù)。

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

5、結(jié)論

伺服系統(tǒng)在鋼筋調(diào)直機(jī)以及彎箍機(jī)方面的應(yīng)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(jī)械的系統(tǒng)響應(yīng)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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