本期我们将结合具体案例介绍轮切应用在金属板材定长剪切中的应用，包括常见的机械结构、KPI性能指标、选型配置、调试关键参数及与剪切精度相关的注意事项等。

一、金属板材轮切机的常见机械结构

为了在生产机械上实现快速连续剪切，需要一种机械结构，可以将电机的旋转动作转化为直线方向的剪切动作。目前金属板材剪切设备从机械结构上常见形式及剪切过程如图 1 所示，一般采用对称的双刀架结构，驱动形式有单电机或多电机方案。

图1 金属板材轮切机的常见形式及剪切过程

这种结构的特点是，随着刀辊的旋转，每一个刀头也沿着一个圆形的轨迹运动，并且其线速度与刀辊的圆周速度成正比。与纸机的机械机构相比，金属板材的机械结构较为复杂，运动部件比较多，另外金属板材的剪切力较大，刀架运动机构设计的转动惯量较大，不适合剧烈的快速运转。所以运行速度相对较低，能够达到的刀头位置控制精度也相对差一些。但是这种机构也有很明显的优势，在刀辊的运动过程中，刀头始终与被切割材料保持垂直，不存在刀头横向应力的问题。因此使用这种机械结构可以将刀头做得比较长，来获得较大的刀头纵向行程，可以切割较厚的材料。除了上面两种常见刀辊结构外，还有一些较为特殊的结构，如图 2 所示。

图2 几种特殊的剪切设备结构

这几种机械结构较为复杂，运动零件较多。而且随着旋转机构的旋转，每一个刀口的运动轨迹也不规则，刀口的位置控制不像前面介绍的两种刀辊方便。所以与前面的两种结构相比，这几种结构在实际应用中不是很常见。

另外，在实际应用中为了减小剪切阻力，针对金属板材的剪切设备中刀头与刀辊中轴平行，但刀刃是不平的，即刀头上各点到刀辊中轴的距离不相等，剪切过程采用点接触而不是线接触，如图3所示：a为斜刀结构，b为V型刀结构。

 

图3 金属板材刀架结构形式

常见的金属板材轮切机机械结构如图4所示：

图4 常见的金属板材轮切机结构

二、KPI性能指标

1） 机组最大速度：  90m/min

2） 剪切厚度：   0.5-3.5mm

3） 剪切宽度：  600-1850mm

4） 剪切长度：   200-3200mm

5） 剪切精度：   300-1000mm <± 0.2mm; 1000-2000mm <± 0.3mm;

                                   2000-4000mm <± 0.5mm;匀速时<± 0.3mm;加减速<±0.5mm ;

6） 抗拉强度板厚≤1.6mm：最大780MPa;板厚>1.6mm：最大420Mpa;

7） 屈服强度板厚≤1.6mm：最大590MPa;板厚>1.6mm：最大420Mpa;

8） 延伸率 ：  ≥14%

9） 剪切强度：  ≤600 N/mm2

10） 行程次数： 最大120次/分

机械基本参数：

1）材料规格: 普通冷轧钢板、高强度冷轧钢板、高强度热轧板、冷热镀锌板、热轧酸洗板等。

 2）刀的曲轴半径:     100mm

3）上下刀的重合度:   1.5mm

4）机械减速比：    3.289        转动惯量 0.2kgm2

5）飞剪机械惯量：  36.4 kgm2

6）同步区角度：60°

三、选型配置

检查清单

在选型之前需要先确定客户的机械结构、技术参数及工艺要求，并参照Checklist "Cross cutter" 复核各项参数，如图4所示为金属板材常见机械结构，剪切单元采用偏心轴方式传动，并采用机械同步定位轴，保证上下两个刀座定向、同速、定位，使剪切刀固定刀座作回转运动。

Checklist 机械及工艺要求

 

表1 检查清单

选型工具Sizer选型计算

在选型工具Sizer中提供了Cross Cutter机械模型，用于校验计算不同工况下需要的电机、驱动器及控制系统性能。

根据客户提供技术参数，从Sizer中选择CrossCutter模型并依次组态（图5）。由于轮切在加工短板时返程需要加速返回，故此时电机扭矩需求最大，在选择电机及驱动装置时需要着重考虑。

通过Sizer计算选型的一般步骤如下：

1、新建项目选择CrossCutter模型

 

2、输入机械参数

3、输入剪切参数

4、依次组态驱动系统及控制系统

5、驱动系统选择

6、减速箱参数

7、选择电机类型及冷却方式

8、选择合适的电机

9、复核电机负载及转动惯量比，推荐负载转动惯量与电机转动惯量比不要超过3:1，惯量比太大会导致动态性下降。

10、电机可选参数

11、电机模块选择

12、电机输出电缆选择

13、整流部分需求

14、整流单元选择

由于负载峰值功率、平均功率差距较大，如果按照峰值功率选择整流装置就会很大，现实使用中我们一般采用增加电容组增容的方式，通过电容储存的能量满足峰值扭矩。具体计算方法见后边章节。

15、控制系统选择

1）、运动控制周期建议0.5ms或者1ms

2）、Simotion或者S7-1500T

16、电机参数曲线

 

 图5 Sizer计算过程

整流单元选型

图6 整流和回馈方式

金属板材的轮切应用特别适用于短板的定长剪切，能够获得较高的生产效率，但是在剪切短板时需频繁的加速和减速,整流单元的选型需要特殊考虑和设计，目前整流和回馈方式有两种方案如图6所示，其中a为直接整流和回馈，特点是整流单元必须提供全速时的峰值负载；b为带电容缓冲的整流和回馈，整流单元只提供损失(以及所需能量和缓冲能力之间的差值)，可以选择相对较小功率的整流单元，在金属板材剪切行业大部分采用b方案，即在直流母线扩展电容模块的方式，减少整流单元的功率进而降低成本（如图7所示）。

图7 带电容扩展能量缓冲方案

电容容量计算

根据能量守恒,通过电容充放电实现加减速时的能量缓冲，计算公式如下（图8）：

图8 计算公式

另外在西门子官网轮切库及SCOUT安装盘同样也提供了Excel计算表格CalculationToolForShearApplications，用于核对电机参数。根据该计算表格可计算出不同板长对应速度关系，这里就不展开介绍。

项目中轮切部分所使用的产品

 

表2 配置清单

四、调试时需要注意的关键点

1）同步区的非线性特点

图9 厚材料剪切轮廓

由于金属板材刀架机械结构设计及材料厚度等原因，同步区内需要考虑到材料厚度的影响进行补偿如图10所示，SIMATIC及SIMOTION平台的轮切库可通过3点速度叠加近似获得材料厚度的补偿曲线，如果要精确补偿同步区刀轴的位置需要编程修改CAM同步区的曲线实现。

图10 不同平台同步区补偿方式

2）剪切精度相关

主值的稳定性，特别是测量轮编码器的机械安装及速度波动会影响到剪切精度。

同步区主值处理，可根据现场情况选择开环匀速剪切，当有强烈的冲击干扰切割时切刀运行时应该激活此功能。在这种情况下，当切刀在同步切割区域时，进入切割区域之前辅助轴将会和主轴（引导轴）脱开耦合并按照最后一个测量到的速度继续运行，在切割区域末尾，辅助轴再次和主轴耦合。期间有可能导致的切割长度误差通过色标纠偏的方法来纠正。（是否激活色标纠偏功能不影响此处纠偏）

驱动的优化，可借助Trace曲线分析电机优化效果。

五、实际剪切效果

图11 实际剪切效果

通过以上的方案选型、程序集成及现场联机调试，本案例最终剪切效果如图11所示，满足客户的技术要求，运行稳定。

以上是本期的轮切应用在金属板材轮切机的案例分享，欢迎大家留言讨论，谢谢大家！

 

【声明：本文/视频版权归西门子1847工业学习平台所有，未经允许，不得转载。】