一种防撕裂控制装置、平整机及控制方法与流程

本发明涉及机械加工领域，特别涉及一种防撕裂控制装置、平整机及控制方法。

背景技术：

在冷轧带钢生产过程中，当罩式炉内的钢卷开始冷却时，钢卷外层快速冷却、收缩，而内层温度却超过了600℃，因而钢卷内就产生了很高的径向压力，在长达数小时的高温高压作用下钢卷层间产生粘结。由于粘接力的作用，使开卷展开点偏离切点，并随着卷径的变小，展开角随之增大，造成钢带瞬时法向撕开力远大于粘接点带钢的强度极限，因而常发生开卷时的撕裂或折裂，同时造成张力的波动，严重影响钢带平整质量，对高速平整的薄带尤为明显。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种防撕裂控制装置、平整机及控制方法，以解决在冷轧带钢生产过程中板带撕裂或折裂的问题。

为了解决上述技术问题，依据本发明实施例的一个方面，提供了一种防撕裂控制装置，包括：伸缩油缸、辅助压臂、旋转轴、压臂、压辊和控制装置；

所述伸缩油缸与所述控制装置电连接，所述伸缩油缸设置有伸缩臂和旋转支撑轴；

所述伸缩臂与所述辅助压臂的一端相连；

所述辅助压臂的另一端和所述压臂的一端均与所述旋转轴相连，所述辅助压臂与所述压臂之间预设有第一夹角，所述旋转轴的中心分别与待轧制板卷的中心以及所述旋转支撑轴的中心的连线之间预设有第二夹角；

所述压臂的另一端与所述压辊相连；

所述控制装置用于获取待轧制的板卷的卷径、压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数和测量参数；其中，所述装置参数包括：压臂的长度、压辊的半径或直径、旋转轴中心与旋转支撑轴中心之间的距离、辅助压臂的长度、第一夹角、第二夹角、辅助压臂与旋转轴中心到旋转支撑轴中心连线之间的第三夹角和/或旋转轴中心和板卷中心之间的连线与压臂之间的第四夹角；所述测量参数包括：伸缩油缸的伸缩长度的实际值、板带厚度或伸缩油缸的压力；

所述控制装置还用于根据待轧制的板卷的卷径、压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数和测量参数，得到控制参数；

所述控制装置还用于根据得到的控制参数，向伸缩油缸发送控制信号，进而控制所述压辊的压下位置。

可选地，所述控制装置包括：用于测量所述伸缩油缸的伸缩长度的实际值的位移传感器、用于测量待轧制的板卷的卷径的测量装置和处理器；

所述位移传感器和测量装置均与所述处理器电连接，所述位移传感器设置在所述伸缩油缸上；

所述处理器用于获取待轧制的板卷的卷径、压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数和伸缩油缸的伸缩长度的实际值；

所述处理器还用于根据待轧制的板卷的卷径、压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数计算得到伸缩油缸的伸缩长度的理论值；

所述处理器还用于根据伸缩油缸的伸缩长度的理论值和伸缩油缸的伸缩长度的实际值之间差值得到第一控制参数，根据第一控制参数向所述伸缩油缸发送第一控制信号，通过第一控制信号控制所述压辊的压下位置。

可选地，所述处理器还用于根据待轧制的板卷的卷径、压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离和装置参数的关系式，计算得到伸缩油缸的伸缩长度的理论值，其中，待轧制的板卷的卷径、压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离和装置参数的关系式如下

其中，H表示伸缩油缸的伸缩长度的理论值；a表示旋转轴中心与旋转支撑轴中心之间的距离；b表示辅助压臂的长度；R表示板卷的半径；L表示压臂的长度；r表示压辊的半径；A表示压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离；δ表示第一夹角；γ表示第二夹角。

依据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种防撕裂控制装置的控制方法，包括：

获取待轧制的板卷的卷径、压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数和测量参数；其中，所述装置参数包括：压臂的长度、压辊的半径或直径、旋转轴中心与旋转支撑轴中心之间的距离、辅助压臂的长度、第一夹角、第二夹角、辅助压臂与旋转轴中心到旋转支撑轴中心连线之间的第三夹角和/或旋转轴中心和板卷中心之间的连线与压臂之间的第四夹角；所述测量参数包括：伸缩油缸的伸缩长度的实际值、板带厚度或伸缩油缸的压力；

根据待轧制的板卷的卷径、压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数和测量参数，得到控制参数；

根据得到的控制参数，向伸缩油缸发送控制信号，进而控制所述压辊的压下位置。

可选地，所述根据待轧制的板卷的卷径、压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数和测量参数，得到控制参数，包括：

根据待轧制的板卷的卷径、压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离和装置参数，计算得到伸缩油缸的伸缩长度的理论值；

将伸缩油缸的伸缩长度的理论值与伸缩长度的实际值的差值作为第一控制参数。

可选地，所述根据待轧制的板卷的卷径、压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离和装置参数，计算得到伸缩油缸的伸缩长度的理论值，包括：

根据待轧制的板卷的卷径、压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离和装置参数的关系式，计算得到伸缩油缸的伸缩长度的理论值，其中，待轧制的板卷的卷径、压辊的外表面与板卷的外表面之间的距离和装置参数的关系式如下

其中，H表示伸缩油缸的伸缩长度的理论值；a表示旋转轴中心与旋转支撑轴中心之间的距离；b表示辅助压臂的长度；R表示板卷的半径；L表示压臂的长度；r表示压辊的半径；A表示压辊的外表面与板卷的外表面距离；δ表示第一夹角；γ表示第二夹角。

依据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种平整机，包括如上所述的防撕裂控制装置。

本发明的实施例具有如下有益效果：

通过控制装置与所述伸缩油缸、辅助压臂、旋转轴、压臂和压辊(或称为防撕裂辊)之间的配合连接，可解决在冷轧带钢生产过程中板带撕裂或折裂的问题。该防撕裂控制装置有效降低了带钢法向撕开力及撕开速度，采用位置闭环控制，实现压辊的随动压下，并具有抗张力扰动功能，其控制精度高。该防撕裂控制装置提高了深冲板的成材率，使冷轧板质量得到提高，从而带来较大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为现有技术提供的一种平整机的机构原理图；

图2为现有技术提供的一种满卷轧制时轧制过程中的板带开卷示意图；

图3为现有技术提供的一种尾卷轧制时轧制过程中的板带开卷示意图；

图4为本发明实施例提供的一种防撕裂控制装置的结构示意图之一；

图5为本发明实施例提供的一种防撕裂控制装置的结构示意图之二；

图6为本发明实施例提供的一种钢卷直径与防撕裂辊跟随卷径变化的关系曲线示意图；

图7为本发明实施例提供的一种控制装置的自定义功能块的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种防撕裂控制装置的控制方法的流程示意图；

图9为本发明实施例提供的另一种防撕裂控制装置的控制方法的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

图1为平整机的机构原理图，平整机包括：开卷机1、S辊2和轧辊3。当板卷(或称为钢卷)在图1所示的开卷机1张力T的作用下打开时，假设带钢是完全柔性且没有发生粘结，带钢应在与钢卷相切的图2和图3所示的a处打开。但由于带钢之间存在粘结，带钢与钢卷的实际打开点在图2和图3所示的b处。因带钢有一定的刚性，故在接近打开处有一段反弯区。将张力T的方向与钢卷表面过b点切线的夹角定义为展开角θ。展开角θ与粘结强度和张力T大小有关：粘结越强，θ角越大；张力T越大，θ角越小。

显然，在开卷过程中，带钢受到拉、弯联合作用，处于比较复杂的受力状态,带钢的应力大小与开卷张力T、板带厚度t、粘结程度σF、板卷半径R等有关。当表面应力超过屈服极限时,就可能出现造成表面横折印缺陷的塑性变形。为了预防带钢撕裂，可在开卷机1头部增设防撕裂控制装置，并采用自学习模型的控制方法实现对钢带(或称为板带)的防撕裂控制。

基于以上原理，本发明实施例提供了一种防撕裂控制装置，参见图4，所述防撕裂控制装置包括：伸缩油缸4，5、辅助压臂6、旋转轴7、压臂8、压辊(或称为防撕裂辊)9和控制装置(图中未示出)。其中，

所述伸缩油缸4，5与所述控制装置电连接；所述伸缩油缸4，5设置有旋转支撑轴4和伸缩臂5，所述伸缩臂5与所述辅助压臂6的一端相连；所述辅助压臂6的另一端和所述压臂8的一端均与所述旋转轴7相连，所述辅助压臂6与所述压臂8之间预设有第一夹角，所述旋转轴7的中心分别与待轧制板卷的中心以及所述旋转支撑轴4的中心的连线之间预设有第二夹角；所述压臂8的另一端与所述压辊9相连。

所述控制装置用于获取待轧制的板卷的卷径、压辊9的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数和测量参数。

其中，所述装置参数包括：压臂8的长度、压辊9的半径或直径、旋转轴7的中心与旋转支撑轴4的中心之间的距离、辅助压臂6的长度、第一夹角、第二夹角、辅助压臂6与旋转轴7中心到旋转支撑轴4中心连线之间的第三夹角和/或旋转轴7中心和板卷中心之间的连线与压臂8之间的第四夹角；所述测量参数包括：伸缩油缸4，5的伸缩长度的实际值、板带厚度或伸缩油缸4，5的压力。

所述控制装置还用于根据待轧制的板卷的卷径、压辊9的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数和测量参数，得到控制参数。

所述控制装置还用于根据得到的控制参数，向伸缩油缸4，5发送控制信号，进而控制所述压辊9的压下位置。

在本发明实施例中，通过控制装置与所述伸缩油缸4，5、辅助压臂6、旋转轴7、压臂8、压辊(或称为防撕裂辊)9配合连接，可解决在冷轧带钢生产过程中板带撕裂或折裂的问题。该防撕裂控制装置有效降低了带钢法向撕开力及撕开速度，采用位置闭环控制，实现压辊的随动压下，并具有抗张力扰动功能，其控制精度高。该防撕裂控制装置提高了深冲板的成材率，使冷轧板质量得到提高，从而带来较大的经济效益和社会效益。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供了一种防撕裂控制装置，该防撕裂控制装置通过控制伸缩油缸4，5的伸缩长度来实现对所述压辊9的压下位置的控制。

具体地，所述控制装置包括：用于测量所述伸缩油缸4，5的伸缩长度的实际值的位移传感器、用于测量待轧制的板卷的卷径的测量装置和处理器；所述位移传感器和测量装置均与所述处理器电连接，所述位移传感器设置在所述伸缩油缸4，5上。

所述处理器用于获取待轧制的板卷的卷径、压辊9的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数和伸缩油缸4，5的伸缩长度的实际值；所述处理器还用于根据待轧制的板卷的卷径、压辊9的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数计算得到伸缩油缸4，5的伸缩长度的理论值；所述处理器还用于根据伸缩油缸4，5的伸缩长度的理论值和伸缩油缸4，5的伸缩长度的实际值之间差值得到第一控制参数，根据第一控制参数向所述伸缩油缸4，5发送第一控制信号，通过第一控制信号控制所述压辊9的压下位置。

所述处理器还用于根据待轧制的板卷的卷径、压辊9的外表面与板卷的外表面之间的距离和装置参数的关系式，计算得到伸缩油缸4，5的伸缩长度的理论值，即为伸缩臂长度的理论值，其中，待轧制的板卷的卷径、压辊9的外表面与板卷的外表面之间的距离和装置参数的关系式如下

其中，H表示伸缩油缸4，5的伸缩长度的理论值；a表示旋转轴7中心与旋转支撑轴4中心之间的距离；b表示辅助压臂6的长度；R表示板卷的半径；L表示压臂8的长度；r表示压辊9的半径；A表示压辊9的外表面与板卷的外表面距离；δ表示第一夹角；γ表示第二夹角。

需要说明的是，压辊9的外表面与板卷的外表面距离A是在实际生产过程中得到的经验值，当然并不仅限于此。

公式(1)的推导过程如下

H²＝a²+b²-2ab*cos β (2)

其中，β表示第三夹角。

通过开平方得到

β＝δ-γ-θ (4)

其中，θ表示第四夹角。

根据图5所示的三角函数关系，简化后的θ角计算如下

根据正弦定理得到

根据公式(2)～公式(6)整理得到所述伸缩油缸4，5的调整距离H随卷径R变化的计算公式(1)。

假若，钢卷允许的最大直径为Φ2000mm，钢卷允许的最大宽度为1300mm，所述伸缩油缸4，5的直径为125mm，所述伸缩臂5为90mm，伸缩油缸4，5行程为550mm，旋转轴7中心与伸缩油缸4，5中心之间的距离a为1506mm；辅助压臂6的长度b为800mm，压臂8的长度L为1971mm，压辊9的半径r为155mm，第一夹角δ为153.8度；第二夹角γ为36.7度。将以上参数的数值代入公式(1)中。

根据公式(7)得知，钢卷半径R是油缸伸缩位置的函数，结合生产工艺对压辊9轨迹和位置要求，在控制上使压辊9能够根据卷径的变化沿着轨迹平稳的调整距离A值，使A值保持在一个精度范围内进行闭环跟随调节。

图5为轧制过程中压辊9与钢卷外径的距离控制在22mm的调节情况，参见图5，可以看出随着钢卷的卷径不断减少，压辊9平滑压下，始终保持与带钢表面距离在22mm范围内浮动调节跟随，验证了所述防撕裂控制装置可行性以及精度。

需要说明的是，该方式可以通过传感器较好的控制所述压辊9的压下位置，而且还能有效抑制如张力波动等扰动的影响，起到稳定有效的预防带钢轧制过程中因粘接而产生的撕裂情况。位移传感器可选用康宇系列KYDM-LP1A4210，其测量精度为±0.3mm，可满足测量精度的要求。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供了另一种防撕裂控制装置，该防撕裂控制装置通过控制辅助压臂6或压臂8的旋转角度来实现对所述压辊9的压下位置的控制。

具体地，所述控制装置包括：用于通过辅助压臂6或压臂8的旋转角度来控制所述压辊9的压下位置的编码器；所述伸缩油缸4，5的控制器与所述编码器电连接，所述编码器设置在所述旋转轴7上。

此时，所述装置参数还包括：编码器的脉冲数。

所述编码器用于获取编码器的脉冲数和板带厚度；所述编码器还用于根据编码器的脉冲数和板带厚度计算得到辅助压臂6或压臂8的旋转角度，所述辅助压臂6或压臂8的旋转角度为第二控制参数；所述编码器还用于根据所述第二控制参数向所述伸缩油缸4，5发送第二控制信号，通过第二控制信号控制所述压辊9的压下位置。

在本发明实施例中，因压辊的摆动为扇形区域面的摆动，故辅助压臂6或压臂8只是在0度～46度范围内摆动，待轧制的板卷的卷径变化与脉冲变化相对应，待轧制的板卷的卷径变化所对应的脉冲变化公式为：脉冲数*板带厚度/360。

假设选择的高脉冲数绝对值编码器为8000脉冲/转，板带厚度为0.3mm，待轧制的板卷的卷径变化所对应的脉冲变化为：8000*0.3/360≈6。则开卷机1每旋转一周，辅助压臂6或压臂8所旋转的脉冲数为6个脉冲，但是该种方式很难控制精度。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供了又一种防撕裂控制装置，该防撕裂控制装置通过控制伸缩油缸4，5的压力来实现对所述压辊9的压下位置的控制。

具体地，所述控制装置包括：用于测量所述伸缩油缸4，5的压力以及根据所述伸缩油缸4，5的压力来控制所述压辊9的摆动位置的压力传感器；所述压力传感器与所述伸缩油缸4，5电连接，所述压力传感器设置在所述伸缩油缸4，5上。

所述压力传感器用于测量伸缩油缸4，5的压力，所述压力传感器还用于根据测量得到所述伸缩油缸4，5的压力，向所述伸缩油缸4，5发送第三控制信号，通过压力闭环控制所述压辊9的摆动位置。

在本发明实施例中，因所述压辊9摆下过程中自重非线性，在轧制过程中，张力抖动有可能会造成所述压辊9的压下力不稳定等问题，因此采用压力传感器方式有可能会出现很难使闭环控制达到稳定的情况。

需要说明的是，由于采用编码器和压力传感器方式分别存在精度难控制和难以稳定控制所述压辊9的压下位置的问题，因此以上三种方式中优选的为采用位移传感器的方式，该方式可以通过传感器较好的控制压辊9的压下位置，而且还能有效抑制如张力波动等扰动的影响，起到稳定有效的预防带钢轧制过程中因粘接而产生的撕裂情况，且满足测力量精度要求。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供一种平整机，包括如上所述的防撕裂控制装置。继续参加图1，所述平整机还包括：轧辊3、S辊2和开卷机1，当然并不仅限于此处所列零部件。

为了实现平整机基础自动化控制，系统可采用西门子系列PLC(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)构成两部分硬件系统，第一部分专门用于工艺控制，选用S7-458CPU作为处理器，第二部分选用S7-400CPU414-2DP作为顺控处理器，及其它方面的控制。

可采用ProfiBus-DP的ET-200M分布式I/O站做现场总线设备，3台工业电脑做人机界面(HMI，Human Machine Interface)，HMI用WinCC((Windows Control Center，视窗控制中心)编程，WinCC使用直观方便，按系统提示进行操作，可创建各种功能画面，用于轧制表的输入，机组设备的状态及报警限时、打印、汇总等等。

基础自动化系统使用了两种通信网络：1)ProfiBus-DP现场总线；2)工业以太网。这样自动化控制系统和传动控制系统就构成了一个完成的数据通信。

参见图6，可根据公式(1)编制自定义功能块ARC(Anti-rip Roll Control，防撕裂辊控制)，将测量得到的卷径计算量、检测得到的压辊9伸缩位置值RefH和需要保持的压辊9与钢卷外圈距离值A连接到变量，并在实际生产中对PI(Proportion Intergral，比例积分控制器)参数进行参数调节，以达到快速响应和精确定位。输出OUT经过限幅控制后直接送给油缸开口度控制，以达到使油缸根据卷径变化的动态跟随调节。

经过调试以及对PI参数的优化调节，最终该防撕裂辊有效降低了带钢法向撕开力及撕开速度，采用位置闭环控制，该防撕裂控制装置和平整机可实现压辊9的随动压下，并具有抗张力扰动功能，其控制精度高。该防撕裂控制装置和平整机提高了深冲板的成材率，使冷轧板质量得到提高，从而带来较大的经济效益和社会效益。

参见图8，本发明实施例提供了一种防撕裂控制装置的控制方法，所述防撕裂控制装置的控制方法包括如下步骤：S801～S803。

S801，获取待轧制的板卷的卷径、压辊9的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数和测量参数；其中，所述装置参数包括：压臂8的长度、压辊9的半径或直径、旋转轴7中心与旋转支撑轴4中心之间的距离、辅助压臂6的长度、第一夹角、第二夹角、辅助压臂与旋转轴7中心到旋转支撑轴4中心连线之间的第三夹角和/或旋转轴中心和板卷中心之间的连线与压臂之间的第四夹角；所述测量参数包括：伸缩油缸4，5的伸缩长度的实际值、板带厚度或伸缩油缸4，5的压力；

S802，根据待轧制的板卷的卷径、压辊9的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数和测量参数，得到控制参数；

S803，根据得到的控制参数，向伸缩油缸4，5发送控制信号，进而控制所述压辊9的压下位置。

在本发明实施例中，通过根据待轧制的板卷的卷径、压辊9的外表面与板卷的外表面之间的距离、装置参数和测量参数，得到控制参数，进而根据得到的控制参数，向伸缩油缸4，5发送控制信号，进而控制所述压辊9的压下位置，这样可解决在冷轧带钢生产过程中板带撕裂或折裂的问题。该防撕裂控制装置的控制方法有效降低了带钢法向撕开力及撕开速度，采用位置闭环控制，实现压辊的随动压下，并具有抗张力扰动功能，其控制精度高。该防撕裂控制装置的控制方法提高了深冲板的成材率，使冷轧板质量得到提高，从而带来较大的经济效益和社会效益。

在本发明实施例中，防撕裂控制装置的控制方法可通过多种方式来实现对所述压辊的控制，参见图9，根据公式，通过位移传感器来检测伸缩油缸4，5的伸缩长度，根据伸缩长度与钢卷半径、压辊9的外表面与板卷的外表面距离A的关系，通过调整所述伸缩长度使A值保持在一个精度范围内进行闭环跟随调节。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供另一种防撕裂控制装置的控制方法，所述S802包括：S8021～S8022。

S8021，根据待轧制的板卷的卷径、压辊9的外表面与板卷的外表面之间的距离和装置参数，计算得到伸缩油缸4，5的伸缩长度的理论值；

S8022，将伸缩油缸4，5的伸缩长度的理论值与伸缩长度的实际值的差值作为第一控制参数。

所述S8021包括：S80211。

S80211，根据待轧制的板卷的卷径、压辊9的外表面与板卷的外表面之间的距离和装置参数的关系式，计算得到伸缩油缸4，5的伸缩长度的理论值，其中，待轧制的板卷的卷径、压辊9的外表面与板卷的外表面之间的距离和装置参数的关系式为公式(1)，在此不再赘述。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供另一种防撕裂控制装置的控制方法，所述S802包括：S8023～S8024。

S8023，获取编码器的脉冲数和板带厚度；

S8024，根据编码器的脉冲数和板带厚度计算得到辅助压臂6或压臂8的旋转角度，辅助压臂6或压臂8的旋转角度为第二控制参数。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供另一种防撕裂控制装置的控制方法，所述S802包括：S8025～S8026。

S8025，测量所述伸缩油缸4，5的压力；

S8026，根据测量得到所述伸缩油缸4，5的压力，向所述伸缩油缸4，5发送第三控制信号，通过压力闭环控制所述压辊9的摆动位置。

在本发明实施例中，经过调试以及对PI参数的优化调节，该防撕裂控制装置的控制方法有效降低了带钢法向撕开力及撕开速度，采用位置闭环控制，实现压辊的随动压下，并具有抗张力扰动功能，其控制精度高。该防撕裂控制装置的控制方法提高了深冲板的成材率，使冷轧板质量得到提高，从而带来较大的经济效益和社会效益。

以上所述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技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。