专利名称：水平下调式三辊卷板机的控制方法
技术领域：
本发明属于机械设备的控制方法，具体的说是一种卷板机的卷板控制方法。
背景技术：
水平下调式三辊卷板机结构紧凑，操作简单，剩余直边小，进料安全方便是特重型卷板的理想机型。但是目前国内的卷板技术依据是根据前苏联的力学模型下面对这种机型卷板机的几何模推导出的控制模型，也就是参照《机械设计手册第七册“第五章卷板”的42-35页到42-45页的几何模型、力学模型推导出的控制模型来进行控制，目前卷板工艺也是基于这种模型而编制出来的。这个控制模型在相当长的一段时期起到了对卷板的操作的指导作用。它的缺点是控制精度不高，卷板精度误差较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种水平下调式三辊卷板机的控制方法，具有控制精度高，卷板精度误差小的优点。
本发明的技术方案是一种水平下调式三辊卷板机的控制方法，其特征在于按下列步骤算出在理想状态下上辊的水平位移量和3个垂直位移量及2个下压值，用以进行卷圆或预弯，从而卷出不同大小直径的圆筒； 步骤如下 第一步首先确定加工件的半径，板材宽度，板材厚度，和工件材料的强化系数和屈服强度； 第二步通过对剩余直边的优化求出水平位移和垂直位移1，就是将以上已知量代人公式4-10和25-36反复验算优化求出水平位移x和y1，y1即垂直位移1； 第三步根据不起弧条件将已知数代入公式25-36求出预算值y2值和上辊压力P1，用于得出第一次下压的垂直位移量2； 第四步将已知量代人公式4-10和25-36求出预算值y3，再将y3减去y1之差的绝对值除以40，然后对每一次的压力进行求极值；如果极值范围在设备最大压力范围以内，就确定该预算值为垂直位移2，并得出预弯的上辊压力P，回弹前直径R1，否则返回第一步重新优化； 第五步将已知量代入公式1-9和10-24求出垂直位移3，卷圆的上辊压力值P。
本发明控制方法的原理是下面对这种机型卷板机的几何模型、力学模型分别进行阐述。
1>几何模型 本机型的几何模型分为两种一种是卷圆，一种是预弯。
1.卷圆 参见图1.1和图1.2。公式如下 其中α是待卷圆圆心和下辊圆心的连线与两个下辊圆心中垂线的夹角 t是两个下辊圆心之间的距离 R是待卷圆的半径 S是卷圆板材的厚度 Dc是下辊的直径 x＝0 (2) 其中x水平位移，即上辊圆心到两个下辊圆心连线的中垂线的水平距离 其中 y垂直位移，即上辊圆心到两个下辊圆心连线的垂直距离 Da是上辊的直径 以上为卷圆的几何模型，根据以上公式可以算出在理想状态下上辊对下辊的垂直移动y，卷出不同大小直径的圆筒。
卷圆方式分为一次进给与多次进给。多次进给根据设备的最大承受能力来决定的，进给次数的选择必须满足两个条件第一工艺限制条件，冷卷时不得超过允许的最大变形率。第二设备限制条件，不打滑条件和设备的最大输出功率以及输出压力。在满足这些条件的基础上依照本发明给出的力学模型逐步逼近计算可得出每次的进给参数。
2)预弯 参见图2。公式如下 B＝(1.5-2)S (4) 其中B是预弯时直边的最小长度范围 α1＝Arcsin(B/R) (5) 其中α1是直角边B对应的夹角 其中x1是过渡变量 其中θ是待卷圆圆心和下辊圆心b的连线与两个下辊圆心中垂线的夹角Db是下辊的直径(与Dc相等) x＝x1-cosθtgα(R-S/2-Da/2) (8) 以上为预弯的几何模型。平板开始弯曲时的最小力臂叫做理论剩余直边，其大小与设备及其弯曲形式有关，为了避免板材从辊筒间脱落，实际直边比理论大，三辊水平下调式卷板机的直边一般等于1.5到2倍的板材厚度。结合设备的最大输出功率进行优化直边系数是一个多目标优化的过程。设备在设计完成时它的性能已经基本固定，这里需要通过对控制的优化来最大程度的发挥设备的工作能力，以上几何模型加上本发明给出的的力学模型可以推导出优化的预弯控制方法。
2>力学模型 本机型的力学模型分为两种一种是卷圆，一种是预弯。
1.卷圆 参见如图3。公式如下 上辊的压力 下辊的压力 x＝0(14) 其中M是板材的最大变形弯矩 K1 是板材的屈服系数 K0 是板材的相对强化系数 W 是抗弯截面模数 σs是板材的屈服极限 M0＝K1Wσs (17) 不打滑的条件Mp≥Mn1+Mr+Mn4 (18) 其中Mn1 是板材半径从R1到R时的变形弯矩 Mr 是板材进料的摩擦力 Mn4 是卷板机空载的扭矩 其中M1是板材半径从R1到R2时的变形弯矩 R1是回弹前直径 其中Rn是大端半径与小端半径之比 Mn1＝(M1+M)(1/R-1/R1)Dc/4(21) 其中f是滚动摩擦系数 μ 是滑动摩擦系数 da是下辊轴颈的直径 其中G1是加工工件的重量 G2是万向接头的重量 G3是下辊的重量之和 2.预弯 参见图4。公式如下 M0＝K1Wσs (27) Mp≥Mn1+Mr+Mn4 (28) Mn1＝(M1+M)(1/R-1/R1)Db/4(31) 根据以上力学模型可以算出不打滑条件的力矩和作用在上辊上的压力Pa以及回弹预弯量，根据这些再结合几何模型的水平位移量和垂直位移量就可以准确地控制设备的卷板和预弯操作。
图1.1，是上下辊的位置示意图。图1.2，是卷圆几何示意图。
其中，a是上辊圆心 b是下辊圆心 c是下辊圆心 α是待卷圆圆心和下辊圆心的连线与两个下辊圆心中垂线的夹角 R是待卷圆的半径 S是卷圆板材的厚度 t是两个下辊圆心之间的距离 t′是卷圆板材与两个下辊接触点之间的距离 Dc是下辊的直径 图2，是本发明实施例预弯几何示意图。
其中，B剩余直边，即预弯时直角边的最小长度范围 α1是剩余直边B对应的夹角 β是待卷圆圆心和上辊圆心a的连线与下辊圆心c和待卷圆圆心连线的夹角 θ是待卷圆圆心与下辊圆心b和两个下辊圆心中垂线的夹角 x上辊的水平位移，即上辊圆心到两下辊圆心连线的中垂线的水平距离 x1是过渡变量 y是上辊圆心到两下辊圆心连线的垂直距离 图3，是本发明实施例卷圆力学模型示意图。
其中，Pa 是上辊接触压力，作用在上辊圆心与上辊辊切点连线方向 Pb、Pc 是下辊的压力 图4，是本发明实施例预弯力学模型示意图。
其中，P是上辊垂直压力 图5和图6，是实施例控制步骤1示意图。
图7和图8，是实施例控制步骤2示意图。
图9，是实施例控制术语含义示意图。
图10，是实施例控制步骤1进料操作示意图。
图11，是实施例控制步骤2预弯操作示意图。
图12和图13，是实施例控制步骤3卷圆操作示意图。
具体的实施方式 下面我们拿一组具体数据进行事例演算，演算卷板机的型号为本公司生产的水平下调式36×2000。具体设备参数为 上辊直径Da＝500mm 下辊直径Db＝260mm 下辊直径Dc＝260mm 主缸直径Din＝320mm 下辊中心距t＝490 最大卷板厚度Smax＝36mm 最大卷板宽度bmax＝2000mm 主缸最大输出压力值Pmax＝20Mpa 上辊自重Ga＝5200Kg 上辊跨度La＝2145mm 下辊跨度Lb＝2400mm 水平最大行程Hmax＝120mm 用户输入参数为 板厚 35mm 板宽 2000mm 卷圆内半径 1500mm 屈服极限 245 相对强化系数 11.6第一步通过对剩余直边B的优化求出水平位移X和垂直位移1，就是将以上已知量代人公式4-10和25-36反复验算优化求出水平位移X＝74毫米和y1＝124.5毫米，垂直位移1＝y1＝124.5毫米。如图5和图6。
第二步根据不起弧条件将已知数代入公式25-36求出预算值y2＝5.3毫米，压力值P＝6.7兆帕。
第三步将已知量代入公式4-10和用25-36求出预算值Y3＝108.4，再将Y3减去y1之差的绝对值除以40，然后对每一次的压力进行求极值。极值范围在设备最大压力范围以内，则输出预算值Y3＝108.4mm＝垂直位移2、预弯的上辊压力P＝9.9Mpa，回弹前直径R1＝1488.4mm。如图7和图8 第三步将已知量代入公式1-9和10-24求出垂直位移3＝106.2mm，卷圆的上辊压力P＝8.9Mpa。
工艺说明 在介绍卷板工艺之前先必须了解几个概念，“预弯”和预弯的“剩余直边”、“对中”、“卷圆”。剩余直边的定义是把工件从直径无穷大弯曲到直径为R的最小力臂。剩余直边的大小与上辊下压量和待卷圆的直径以及工件厚度等因素有关系。如图9。剩余直边是可以尽量减小的，但是由于机械误差以及操作时工件的最后预弯定位目前没有实现自动化，人工很难准确定位，因此剩余直边其实是很难消除的。为了减小剩余直边所以第一步就需要对工件进行预弯，预弯的目的是减小剩余直边。对中是使工件的母线与下辊辊筒的轴线平行，其目的是防止卷出的圆柱发生错边现象。卷圆是指将工件圆筒反复滚动使之达到预期的卷制半径。
操作步骤 1.打开微机电源，首先输入加工件的半径，也可以输入加工件的长度计算机会自动计算出半径，再输入板材宽度，板材厚度，然后选择工件材料的材质，或直接输入材料的强化系数和屈服强度，计算机就可以计算出下辊的水平位移量和下辊的三个垂直下压量。
2.开启卷板机的电源，给润滑处加润滑油。如果气温低于零度，先按下“加热”按钮启动液压油加热装置再启动油泵，将上辊升起到适合位置。
3.升起当料板，将下辊水平移动到计算机算出的水平位移量，将待卷钢板送入上下辊之间。
4.将上辊下压到垂直位移1的位置，这时下辊应该刚好和钢板接触。(如图10) 5.将垂直位移2的值输入自动到位文本框，降下档料板，点击自动到位，同时反向驱动下辊，直到板材的尾部。当下辊到位时，这时的及时曲率稍微大于工件要求半径(如图11) 6.先将辊上升到垂直位移1的位置，再将下辊水平移动到相反方向的水平位移值，然后将上辊下压到垂直位移2的位置，进行另一边的预弯。(如图12) 7.将下辊水平回中，再将上辊下压到垂直位移3的位置进行滚圆。(如图13) 8.滚圆完成后，上辊上升到垂直位移最大值的位置，然后倒头，取出工件，合上倒头架。
9.本次作业完成。如果长时间不作业，上辊下降到与下辊接触的位置。
权利要求
1.一种水平下调式三辊卷板机的控制方法，其特征在于按下列步骤算出在理想状态下上辊的水平位移量和3个垂直位移量及2个下压值，用以进行卷圆或预弯，从而卷出不同大小直径的圆筒；
步骤如下
第一步首先确定加工件的半径，板材宽度，板材厚度，和工件材料的强化系数和屈服强度；
第二步通过对剩余直边的优化求出水平位移和垂直位移1，就是将以上已知量代人公式4-10和25-36反复验算优化求出水平位移x和y1，y1即垂直位移1；
第三步根据不起弧条件将已知数代入公式25-36求出预算值y2值和上辊压力P1，用于得出第一次下压的垂直位移量2。
第四步将已知量代人公式4-10和25-36求出预算值y3，再将y3减去y1之差的绝对值除以40，然后对每一次的压力进行求极值；如果极值范围在设备最大压力范围以内，就确定该预算值为垂直位移2，并得出预弯的上辊压力P，回弹前直径R1，否则返回第一步重新优化。
第五步将已知量代入公式1-9和10-24求出垂直位移3，卷圆的上辊压力值P；
公式如下
其中α是待卷圆圆心和下辊圆心的连线与两个下辊圆心中垂线的夹角
t是两个下辊圆心之间的距离
R是待卷圆的半径
S是卷圆板材的厚度
Dc是下辊的直径
x＝0(2)
其中x水平位移，即上辊圆心到两个下辊圆心连线的中垂线的水平距离
其中
y垂直位移，即上辊圆心到两个下辊圆心连线的垂直距离
Da是上辊的直径
B＝(1.5-2)S(4)
其中B是预弯时直边的最小长度范围
α1＝Arcsin(B/R)(5)
其中α1是直角边B对应的夹角
其中；x1是过渡变量
其中θ是待卷圆圆心和下辊圆心b的连线与两个下辊圆心中垂线的夹角
Db是下辊的直径
x＝x1-cosθtg α(R-S/2-Da/2)(8)
上辊的压力
下辊的压力
x＝0 (14)
其中M是板材的最大变形弯矩
K1 是板材的屈服系数
K0 是板材的相对强化系数
W 是抗弯截面模数
σs是板材的屈服极限
M0＝K1Wσs(17)
不打滑的条件Mp≥Mn1+Mr+Mn4 (18)
其中Mn1 是板材半径从R1到R时的变形弯矩
Mr是板材进料的摩擦力
Mn4是卷板机空载的扭矩
其中M1 是板材半径从R1到R2时的变形弯矩
R1 是回弹前直径
其中Rn是大端半径与小端半径之比
Mn1＝(M1+M)(1/R-1/R1)Dc/4(21)
其中f是滚动摩擦系数，μ是滑动摩擦系数，da是下辊轴颈的直径
其中G1是加工工件的重量，G2是万向接头的重量，G3是下辊的重量之和
M0＝K1Wσs (27)
Mp≥Mn1+Mr+Mn4 (28)
Mn1＝(M1+M)(1/R-1/R1)Db/4(31)
全文摘要
一种水平下调式三辊卷板机的控制方法，其特征在于首先确定加工件的半径，板材宽度，板材厚度，和工件材料的强化系数和屈服强度；通过对剩余直边的优化求出水平位移和3个垂直位移及2个下压值，用以进行卷圆或预弯，从而卷出不同大小直径的圆筒。具有控制精度高，卷板精度误差小的优点。
文档编号G05B19/18GK101109945SQ20071005298
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月17日 优先权日2007年8月17日
发明者张柏兴 申请人:湖北鄂重重型机械有限公司