一种智能夹送辊及其控制方法与流程

本发明涉及高速线材吐丝技术领域，尤其涉及一种智能夹送辊及其控制方法。

背景技术：

夹送辊是高速线材生产线机组中的重要设备，在生产线材机组中的位置为高速线材精轧机之后、吐丝机之前。主要功能是夹持线材顺利通过水冷段区域，并平稳送入吐丝机中，起到防止线材抖动，保证线材在轧线上各机架之间形成微张力，并顺利通过轧线的作用。

其中，夹送辊设备主要分为传动机构和夹持机构两个主要组成部分，其中，传动系统主要包括齿轮结构，用于实现增速以及传送；夹持机构主要包括两根辊体，通过两根辊体同步开闭动作实现对线材的夹持。

夹送辊的主要结构为：电机通过一级或两级齿轮增速传动，将旋转运动传递到夹送辊中间齿轮上，再经过中间轴上齿轮的等速比传递，将旋转运动传递到夹送辊的两根工作轴上。夹送辊的两根工作轴带动夹送辊等速转动，并与精轧机出口线材运动线速度相同，待前方热金属检测器检测到线材头部经过夹送辊后，驱动夹送辊上的辊缝闭合，夹持线材前进。

目前的夹送辊设备主要有两种：齿轮同步夹持机构和多连杆同步夹持机构；其中，齿轮同步夹持机构如图1所示，具体包括：相互对称设置的中间齿轮、工作齿轮、直线伺服机构、扇形齿轮同步机构，其中，各个齿轮之间均为等速传动，以实现工作齿轮等速旋转夹持线材，直线伺服机构通过连杆驱动等速比扇形齿轮同步机构，带动工作齿轮之间的开闭变化。在夹送辊的辊环夹住线材之后，伺服系统可以通过连杆带动扇形齿轮同步运动，向上下辊环输出相应的夹持力作用在线材上。伺服系统可以随时改变输出力参数，用来实时调节夹送辊辊环的夹持力大小。

如图2所示，多连杆同步夹持机构具体包括：相互对称设置的中间齿轮、工作齿轮、直线伺服机构、多连杆同步机构，其中，各个齿轮之间均为等速传动，以实现工作齿轮等速旋转夹持线材，直线伺服机构通过多连杆机构实现同步运动，带动工作齿轮之间的开闭变化。在夹送辊的辊环夹住线材之后，伺服系统可以通过图中的全等多连杆机构，带动向上下辊环输出相应的夹持力作用在线材上。伺服系统可以随时改变输出力参数，用来实时调节夹送辊辊环的夹持力大。

虽然上述夹送辊设备均可通过调节伺服系统的输出力参数以调节夹送辊辊环的夹持力大小，但一旦伺服系统的输出力参数固定，夹送辊辊环之间的夹持力大小就固定，而实际生产过程中，由于钢温、料型、冷却水阻力、摩擦力等外界因素影响，线材所需的夹持力大小并非恒定不变。恒定的夹持力可能造成线材因夹持力过小而打滑，或线材因夹持力过大而塑性变形。

技术实现要素：

本发明提供了一种智能夹送辊及其控制方法，解决了现有技术中不能动态调整夹送辊的夹持力大小，而引起的线材打滑或塑性变形的问题。

依据本发明的一个方面，提供了一种智能夹送辊，包括：

用于挤压成型的第一夹送辊本体和第二夹送辊本体；

传动机构，第一夹送辊本体和第二夹送辊本体分别与传动机构连接，在传动机构的作用下，第一夹送辊本体和第二夹送辊本体分别绕自身轴向方向转动；

伺服机构，第一夹送辊本体和第二夹送辊本体分别与伺服机构连接，在伺服机构的作用下，第一夹送辊本体和第二夹送辊本体相对运动；以及，

控制机构，第一夹送辊本体或第二夹送辊本体或传动机构的输出端与控制机构的输入端连接，伺服机构的输入端与控制机构的输出端连接；其中，控制机构根据预先设定的输入输出关系得到伺服机构的控制信号，以控制伺服机构的输出。

可选地，传动机构包括：

用于提供驱动力的驱动电机；

第一传动齿轮，与驱动电机相连接，在驱动电机的作用下，第一传动齿轮 绕自身轴向方向转动；其中，第一夹送辊本体上设置有与第一传动齿轮相啮合的第一工作齿轮；

第二传动齿轮，与第一传动齿轮相啮合；其中，第二夹送辊本体上设置有与第二传动齿轮相啮合的第二工作齿轮。

可选地，传动机构还包括：

设置于驱动电机与第一传动齿轮之间的增速齿轮组。

可选地，第一工作齿轮与第一夹送辊本体同轴设置，第二工作齿轮与第二夹送辊本体同轴设置。

可选地，伺服机构包括：

用于提供伺服动力的直线伺服电机；

曲柄滑块，曲柄滑块的第一端与直线伺服电机连接；

第一连杆，第一连杆的一端与曲柄滑块连接，第一连杆的另一端与第一工作齿轮连接；

第二连杆，第二连杆的一端与第一工作齿轮连接，第二连杆的另一端与第一传动齿轮连接；

第三连杆，第三连杆的一端与曲柄滑块连接，第三连杆的另一端与第二工作齿轮连接；

第四连杆，第四连杆的一端与第二工作齿轮连接，第四连杆的另一端与第二传动齿轮连接。

可选地，当第一夹送辊本体的输出端与控制机构的输入端连接时，上述输入输出关系为：

其中，M_O表示所述伺服机构的总输出力，N表示第一夹送辊本体和第二夹送辊本体之间的夹持力，α表示第一传动齿轮与第一夹送辊本体的轴心所在直线与第一传动齿轮和第二传动齿轮的外公切线所在直线的夹角，L_a表示第一连杆或第三连杆的长度，L_b表示第二连杆或第四连杆的长度，W为常数；其中，

式中，X₀表示第一传动齿轮和第二传动齿轮的切点与曲柄滑块之间的距离，H表示第一传动齿轮或第二传动齿轮的半径。

可选地，当传送机构3的输出端与控制机构5的输入端连接时，上述输入输出关系为：

其中，M_O表示伺服机构的总输出力，T_IN表示驱动电机的输出力矩，i表示传动机构与第一夹送辊本体或第二夹送辊本体之间的速比，η表示传动机构的传送效率，μ表示第一夹送辊本体或第二夹送辊本体与线材之间的摩擦系数，α表示第一传动齿轮与第一夹送辊本体的轴心所在直线与第一传动齿轮和第二传动齿轮的外公切线所在直线的夹角，L_a表示第一连杆或第三连杆的长度，L_b表示第二连杆或第四连杆的长度，W为常数；其中，

式中，X₀表示第一传动齿轮和第二传动齿轮的切点与曲柄滑块之间的距离，H表示第一传动齿轮或第二传动齿轮的半径。

依据本发明的另一个方面，还提供了一种智能夹送辊的控制方法，应用于上述的智能夹送辊，其中，该控制方法包括：

控制机构采集第一夹送辊本体和第二夹送辊本体之间的夹持力，或者采集传动机构的输出力矩；

根据预先设定的输入输出关系，计算夹持力或输出力矩，得到控制伺服机构总输出力的控制信号；

根据该控制信号调整伺服机构的输出。

其中，该控制方法还包括：

伺服机构通过总输出力控制第一夹送辊本体和第二夹送辊本体之间的相对运动，以调节第一夹送辊本体和第二夹送辊本体之间的开闭距离。

其中，该控制方法还包括：

传动机构通过输出力矩控制第一夹送辊本体和第二夹送辊本体分别绕自身轴向方向转动；

通过第一夹送辊本体和第二夹送辊本体之间的夹持力对线材挤压成型；

通过第一夹送辊本体和第二夹送辊本体的相对转动对线材进行传送。

本发明的实施例的有益效果是：

本发明通过控制机构采集第一夹送辊本体和第二夹送辊本体之间的夹持力，或者采集传动机构总的输出力，再根据预先设定的输入输出关系得到伺服机构的控制信号，以控制伺服机构输出力的大小，从而实现夹送辊保持动态稳定状态，避免线材因受到过大的夹持力产生塑性变形，或因受到的夹持力过小与夹送辊本体打滑的问题。

附图说明

图1表示现有技术中齿轮同步夹持机构的结构示意图；

图2表示现有技术中多连杆同步夹持机构的结构示意图；

图3本发明的智能夹送辊的结构示意图一；

图4表示本发明的智能夹送辊的结构示意图二。

其中图中：1、第一夹送辊本体，2、第二夹送辊本体，3、传动机构，4、伺服机构，5、控制机构；

11、第一工作齿轮，21、第二工作齿轮；

31、驱动电机，32、第一传动齿轮，33、第二传动齿轮，34、增速齿轮组；

41、直线伺服电机，42、曲柄滑块，43、第一连杆，44、第二连杆，45、第三连杆，46、第四连杆。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

如图3所示，本发明的实施例提供了一种智能夹送辊，具体包括：第一夹送辊本体1、第二夹送辊本体2、传动机构3、伺服机构4和控制机构5。

其中，第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2相对设置，待处理线材放置于第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2之间，利用第一夹送辊本体1和第二 夹送辊本体2之间的夹持力挤压成型。

第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2分别与传动机构3连接，在传动机构3的作用下第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2分别绕自身轴向方向转动，以达到传送线材的目的。

第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2还分别与一伺服机构4连接，在伺服机构4的作用下，第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2发生相对运动，以改变第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2之间的距离和夹持力大小，一方面可适应于不同粗细线材的夹送，另一方面可调节对同一线材的夹持力大小。

控制机构5是本智能夹送辊的智能中心，主要用于根据线材实际受到的夹持力或拉力，调整伺服机构4的输出力，以使整个夹送过程中线材受到的夹持力或拉力平衡均匀，避免因夹持力或拉力过小而造成线材打滑，或因夹持力或拉力过大而造成线材塑性变形的问题。其中，控制机构5的输入端与第一夹送辊本体1或第二夹送辊本体2或传动机构3的输出端相连接，用于采集第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2之间的夹持力，或传动机构3的总输出力，根据预先设定的输入输出关系，即动态平衡状态下第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2之间的夹持力或传动机构3的总输出力与伺服机构4输出力之间的关系，来得到伺服机构4的控制信号，以动态控制伺服机构4的输出。当线材受到的夹持力或拉力，即第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2之间的夹持力或传动机构3的总输出力发生改变时，控制系统利用预设输入输出关系计算得到伺服机构4的控制信号，已控制伺服机构4的输出来平衡线材受到的夹持力或拉力的改变，以达到线材受到的夹持力或拉力平衡稳定的效果，避免了线材因夹持力或拉力过小而打滑，或因夹持力或拉力过大而产生变形的问题。

实施例二

以上实施例一简单介绍了本发明智能夹送辊的功能部件，下面将结合各个功能部件的具体实现结构对其进行进一步的说明。

具体地，如图3和图4所示，传动机构3包括：驱动电机31、第一传动齿轮32、第二传动齿轮33。其中，第一传动齿轮32与驱动电机31相连接，第二传动齿轮33与第一传动齿轮32相啮合，驱动电机31用于为第一传动齿轮32提供驱动力，在驱动电机31的作用下，第一传动齿轮32可绕自身轴向 方向发生转动，通过齿轮配合进一步可带动第二传动齿轮33绕自身轴向方向转动，其中，第一传动齿轮32和第二传动齿轮33为等速传动。

进一步地，第一夹送辊本体1上设置有与第一传动齿轮32相啮合的第一工作齿轮11，第一传动齿轮32可通过齿轮配合的方式带动第一夹送辊本体1转动；同理，第二夹送辊本体2上设置有与第二传动齿轮33相啮合的第二工作齿轮21，第二传动齿轮33可通过齿轮配合的方式带动第二夹送辊本体2转动。值得指出的是，第一工作齿轮11与第一夹送辊本体1同轴设置，第二工作齿轮21与第二夹送辊本体2同轴设置，以保证第一夹送辊本体1与第一传动齿轮32为等转速传动，第二夹送辊本体2与第二传动齿轮33为等转速传动。

其中，第一传动齿轮32和第二传动齿轮33对称设置，第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2也为对称设置。

进一步地，传动机构3除了包括上述零部件外，传动机构3还包括：设置于驱动电机31与第一传动齿轮32之间的增速齿轮组34。顾名思义，增速齿轮组的作用是为第一传动齿轮32增快转速，以提高驱动电机31的效率，以达到节省能耗的问题。

伺服机构4作为智能夹送辊的重要部件，具体包括：直线伺服电机41、曲柄滑块42、第一连杆43、第二连杆44、第三连杆45和第四连杆46。其中，直线伺服电机41用于为第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2提供伺服动力，以使其达到动态平衡的工作状态。曲柄滑块41与直线伺服电机41连接，并可在直线伺服电机41的驱动下发生直线移动。第一连杆43的一端与曲柄滑块42连接，第一连杆43的另一端与第一工作齿轮11连接，当曲柄滑块42在直线伺服电机41的带动下发生移动时，驱使第一连杆43带动第一工作齿轮11(或第一夹送辊本体1)移动；第二连杆44的一端与第一工作齿轮11(或第一夹送辊本体1)连接，第二连杆44的另一端与第一传动齿轮32连接，当第一夹送辊本体1移动时，在第二连杆44的牵引作用下，第一夹送辊本体1与第一传动齿轮32不会脱离，第一夹送辊本体1绕第一传动齿轮32公转，及第一连杆43和第二连杆44之间的夹角发生变化。同理，第三连杆45的一端与曲柄滑块42连接，第三连杆45的另一端与第二工作齿轮21连接，当曲柄滑块42在直线伺服电机41的带动下发生移动时，驱使第三连杆45带动第二工 作齿轮21(或第二夹送辊本体2)移动；第四连杆46的一端与第二工作齿轮21连接，第四连杆46的另一端与第二传动齿轮33连接，当第二夹送辊本体2移动时，在第四连杆46的牵引作用下，第二夹送辊本体2与第二传动齿轮33不会脱离，第二夹送辊本体2绕第二传动齿轮33公转，及第三连杆45和第四连杆46之间的夹角发生变化，第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2之间的距离发生改变。

以上分别介绍了智能夹送辊的第一夹送辊本体1、第二夹送辊本体2、传动机构3和伺服机构4的具体实现结构，结构简单、零部件较少，便于生产制造，在一定程度上节省了设计和生产成本。

实施例三

以上实施例一和实施例二介绍了本发明的智能夹送辊的具体实现结构，下面本实施例三将对该智能夹送辊的控制方法做进一步介绍。

其中，该控制方法具体包括以下步骤：

控制机构采集第一夹送辊本体和第二夹送辊本体之间的夹持力，或者采集传动机构的输出力矩。在智能夹送辊正常工作过程中，实时采集检测第一夹送辊本体和第二夹送辊本体之间的夹持力，或者传动机构的输出力矩，以实时了解线材的加工状态。

根据预先设定的输入输出关系，计算夹持力或输出力矩，得到控制伺服机构总输出力的控制信号。由于夹持力或输出力矩与伺服机构总输出力之间存在一动态平衡状态关系，当夹持力或输出力矩因外界因素影响而发生变化时，为了避免对加工线材的不利影响，可利用该关系计算的到伺服机构总输出力的控制信号。

根据该控制信号调整伺服机构的输出，以通过伺服机构中和或抵消夹持力或总输出力矩发生变化时对线材的不利影响，使线材加工始终处于一动态平衡稳定的状态，以保证线材的加工质量。

其中，该控制方法还包括：

伺服机构通过总输出力控制第一夹送辊本体和第二夹送辊本体之间的相对运动，以调节第一夹送辊本体和第二夹送辊本体之间的开闭距离。

其中，该控制方法还包括：

传动机构通过输出力矩控制第一夹送辊本体和第二夹送辊本体分别绕自身轴向方向转动；

通过第一夹送辊本体和第二夹送辊本体之间的夹持力对线材挤压成型；

通过第一夹送辊本体和第二夹送辊本体的相对转动对线材进行传送。

实施例四

以上实施例一至实施例三分别介绍了本发明智能夹送辊及其控制方法的具体实现方式，下面将结合具体应用场景对其控制机构及原理做进一步说明。

由于线材在轧制过程中受到钢温、料型、冷却水阻力、摩擦力等外界因素影响，夹送辊本体夹持线材后所需的夹持力或拖动力矩并非恒定不变。为了使该智能夹送辊的伺服机构输出的拉力与线材受到的拖动力矩之间保持动态稳定关系，避免线材因受到过大的夹持力产生塑性变形，或者因受到过小的夹持力与辊环打滑，本发明的实施例的控制机构可根据预先设定的输入输出关系对伺服机构的输出进行调整，具体地输入输出关系的设定可根据不同的连接关系确定。

当第一夹送辊本体1的输出端与控制机构5的输入端连接时，输入输出关系为：

其中，M_O表示伺服机构4的总输出力，N表示第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2之间的夹持力，α表示第一传动齿轮32与第一夹送辊本体1的轴心所在直线与第一传动齿轮32和第二传动齿轮33的外公切线所在直线的夹角，L_a表示第一连杆43或第三连杆45的长度，L_b表示第二连杆44或第四连杆46的长度，W为常数；其中，

式中，X₀表示第一传动齿轮32和第二传动齿轮33的切点与曲柄滑块42之间的距离，H表示第一传动齿轮32或第二传动齿轮33的半径。

其中，线材在被夹持过程中满足静力学平衡关系，在忽略零件自重、外界干扰源因素时，根据虚功原理可以得到方程(1)：

其中，表示力F在如图4所示水平方向的虚位移，表示力F在如图4所示的垂直方向的虚位移，X_F和Y_N的表达式如下：

X_F＝L_b cosα+L_a cosβ (2)

Y_N＝L_b sinα (3)

对表达式(2)和(3)进行微分可得到：

令：

L_b cosα+L_a cosβ＝X₀ (6)

L_a sinα+L_b sinβ＝-H (7)

将公式(6)和公式(7)分别平方后，可得：

为了简化计算，令则公式(8)可简化为：

β＝α-arccosW (9)

将公式(4)、(5)和(9)代入公式(1)，可得到第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2之间的夹持力N与伺服机构4的输出力F之间的关系：

其中，M_O＝2F，则得到：

控制机构5在采集到第一夹送辊本体1和第二夹送辊本体2之间的夹持力时，根据公式(10)得到伺服机构4的总输出力，从而控制伺服机构4的输出。其中，受到钢温、料型、冷却水压、水量等外界变化因素干扰时，驱动电机 31的电流发生变化，从而导致线材受到的夹持力发生变化，为了防止线材拉断或者线材与夹送辊本体之间夹不紧打滑，需要对伺服机构4的输出拉力进行调节，使驱动电机31与伺服机构4的直线伺服电机41处于动态平衡状态。

实施例五

实施例四对本发明的智能夹送辊的控制机构及原理做出了示例性说明，下面本实施例四将介绍其控制机构及原理的另一种实现方式。

当传送机构3的输出端与控制机构5的输入端连接时，输入输出关系为：

其中，M_O表示伺服机构4的总输出力，T_IN表示驱动电机31的输出力矩，i表示传动机构3与第一夹送辊本体1或第二夹送辊本体2之间的速比，η表示传动机构3的传送效率，μ表示第一夹送辊本体1或第二夹送辊本体2与线材之间的摩擦系数，α表示第一传动齿轮32与第一夹送辊本体1的轴心所在直线与第一传动齿轮32和第二传动齿轮33的外公切线所在直线的夹角，L_a表示第一连杆43或第三连杆45的长度，L_b表示第二连杆44或第四连杆46的长度，W为常数；其中，

式中，X₀表示第一传动齿轮32和第二传动齿轮33的切点与曲柄滑块42之间的距离，H表示第一传动齿轮32或第二传动齿轮33的半径。

其中，由于轧制线以下的曲柄滑块42与轧制线上的机构完全相同，因此线材所受到的拉力T为：

T＝2Nμ (11)

将公式(11)代入公式(10)可得到直线伺服电机41的总输出力M_O与夹送辊本体对线材的拉力T之间的关系：

由于，驱动电机31的输出力矩T_IN与线材受到的拉力T之间的关系为：T＝T_INiη，其中i为夹送辊传动系统的速比，η为传动系统的效率。将其带入方 程(12)中，得到伺服机构4的总输出力M_O与驱动电机的输出力矩T_IN之间的关系：

控制机构5在采集到驱动电机31的输出力矩时，根据公式(13)得到伺服机构4的总输出力，从而控制伺服机构4的输出。其中，受到钢温、料型、冷却水压、水量等外界变化因素干扰时，驱动电机31的电流发生变化，从而导致其输出力矩发生变化，为了防止线材拉断或者线材与夹送辊本体之间夹不紧打滑，需要对伺服机构4的输出拉力进行调节，使驱动电机31与伺服机构4的直线伺服电机41处于动态平衡状态。

以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。