新型板带钢轧辊辊型磨损检测系统设计.docx
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新型板带钢轧辊辊型磨损检测系统设计
摘要
带钢板材轧制过程中,轧辊是重要的冶金工具,它的工作状态将直接影响到轧钢产品的质量。
如何有效地检测轧辊辊型及其磨损程度,对于确保轧制的稳定性,提升板型质量和生产效率有着极为重要的意义。
本文提出并设计一种基于两组“和差补偿”原理的轧辊辊型及磨损度的检测系统,针对本检测系统GX-U智能辊型测量仪主要取得以下几个方面的成果:
1、研究轧辊辊型及磨损度检测系统的数学模型并完成建模算法,为辊型仪的制作提供了数学模型和理论基础。
2、设计并制作完成辊型仪的机械结构,实现仪器的定位及平稳移动、测量范围的可调整及测量臂连接安装、传感器的安装与调整等功能,保证GX-U智能辊型测量仪具有高精度、高灵敏度、高稳定性、灵活性好等优点。
3.完成测控系统的硬件总体设计及各功能单元的具体设计.
经过轧钢现场使用GX-U智能辊型测量仪测量轧辊辊型的实验及结果分析得出:
输出结果可以满足板带钢厂对轧辊辊型及其磨损度的测量要求;辊型仪的操作简单,便于使用,具有很大的应用价值。
关键词:
辊型检测,和差补偿,GX-U,嵌入式系统
ABSTRACT
Rollisanimportantmetallurgicaltoolintheprocessofstripsteelplaterolling,itsperformancewilldirectlyaffectthequalityofsteelrollingproducts.Howtoeffectivelydetectroll-typeandweardegreehasaveryimportantsignificanceforimprovingproductstability,qualityandproductionefficiency.
Thispaperputsforwardanddesignsaroll-typeandweardegreedetectionsystembasedon”And-DifferenceCompensation”.WemainlyobtainthefollowingresultsaimedatthedetectionsystemGX-Uintelligentroll-typeinstrument.
1.Studymathematicalmodelofroll-typeandweardegreedetectionsystemandcompletemodelingalgorithm,whichprovidemathematicalmodelandtheoreticalbasisofinstrument.
2.Designandmanufacturemechanicalofinstrumenttoachievesomefunctions:
thelocationandmovementofequipment、adjustablemeasuringrangeandsensorinstallationandadjustment,whichensuresthesystemhastheadvantagesofhighprecision,highsensitivity,highstabilityandgoodflexibility.
3.Completecontrolsystemandtheoveralldesignofthehardwarefunctionalunitofthespecificdesign.
AfterusingtheGX-Uintelligentroll-typeinstrumenttomeasureroll-type,weanalyzetheexperimentalresultsanddrawconclusions:
Theresultscansatisfythemeasurementrequirementsofroll-typeandweardegreeinstripsteelplant;theinstrumentissimple,easytouse,hasgreatapplicationvalue.
Keyword:
Roll-typeDetection,And-DifferenceCompensation,GX-U,EmbeddedSystem;
1引言
1.1课题研究背景
钢铁一贯素有“工业粮食”之称,钢铁材料是诸多工业领域中的“必选材料”,既是许多领域不可替代的结构材料,也是产量最大,覆盖面极广的功能材料。
钢铁工业长期以来是世界各国国民经济的基础产业,在国民经济中具有重要的地位。
钢铁工业发展水平如何,历来是一个国家综合国力的重要标志,钢铁产量与人均钢消费量一直是一个国家经济发展程度的重要指标。
我国历来重视钢铁工业的发展,总把钢铁工业作为基础产业和宏观调控的重点行业,这就使得我国现在的钢铁年生产量己经达到近5亿吨,位居世界第一位,是第二到第六位旧本、美国、俄罗斯、韩国、德国)的总和还强,我国已是名副其实的钢铁大国。
但是,我们要清醒看到我国钢铁工业与发达国家的差距,主要表现在:
自主创新能力不够强;缺少具有自主知识产权的核心技术;一些高附加值品种的质量还不能满足国民经济各部门的需求,特别是在具有高附加值的板带钢生产技术方面,与西方欧美发达国家相比差距更大。
国外先进的钢铁生产技术,不仅实现了对轧钢全过程各种主要工艺参数进行实时测量、记录与监控,还涵盖了对轧件形状、尺寸、表面状态(质量)、轧辊表面状态、设备磨损状况等的测量与监控,为实现全过程的控制和生产线的顺利运行提供着重要依据[1,2]。
据有关专家估算,在轧钢过程中采用生产自动化、智能化的全过程参数控制,可以降低成本至少20%。
由此看来,借助先进检测与控制技术,来提高板带钢产品的竞争力就显得极为重要[3]。
1.2课题研究意义
在板带钢生产中,轧辊是带钢板材轧制过程中的一种重要的设备部件,它是利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来轧碾钢材。
它的工作状态将直接影响到轧制的稳定性及板型质量。
在轧制的过程中,轧辊不断受到变形、热膨胀、磨损等因素的影响,当辊型磨损变化超出了其有效工作状态时,就会使轧制带钢产品质量下降。
所以为了确保轧制的稳定性,不断提升板型质量,轧辊在上轧机前和使用一段时间后必须进行精确测量与检验[5]。
轧辊磨损检测是实现轧钢板形控制和提高轧辊作业率的重要条件,不仅可以大幅度提高轧制后板带材的板形质量,而且还可以最大限度提高轧辊的使用效率,使生产更经济高效。
因此,轧辊磨损的精确检测技术的研究就成为了提高轧机生产效率的一个关键问题。
正确的测量与检验轧辊是认识轧辊的机械性能、几何形状及其精度状况的基本手段。
通过检测可以达到正确判断轧辊是否符合精度要求,并根据测量得到的误差值,分析产生误差的原因,从而采取措施改进工艺,以保证和不断提高轧辊的精度[6]。
对于轧钢厂正使用的轧辊,由于轧钢过程中辊身部分辊型的磨损,下轧机后要测量轧辊的磨损量,以确定其在磨床上修复辊型时的磨削量。
对于磨削后的这些轧辊,除测量辊身直径、轧辊同轴度外,其重点还是测量轧辊辊型。
随着轧制技术的不断成熟与完善,在特定的工艺条件下,轧制某种材质的材料,轧辊应该具备什么样的辊型,才能保证轧制时辊缝均匀一致并生产出高质量的板带材,也日趋成为定数。
目前设计的板带钢的辊型是在保证辊身每一横截面圆度好的前提下,沿辊身长度方向上的凸度、凹度、波度(如s型)、锥度等几何参数[3]。
经磨削后的轧辊,或轧制一定数量的板带材后的轧辊,还能否满足这些设计参数要求,就必须通过测量来检验。
目前,我国板带钢的产量与钢铁总产量的占有比约为33%,年产量达到约1.7亿吨,有数百条生产线,有大量的轧辊检测工作量,市场上需求大量的轧辊辊型检测仪器。
1.3国内外研究与发展现状
随着轧制技术的进步,在板带钢轧制方面,传统的两辊等落后的轧机已经逐渐被淘汰,新的机型仍在不断开发和完善。
轧机的辊型根据轧制的需要,也由要求平辊型发展到正凸、正凹辊型,再到曲线(如正弦曲线、抛物曲线、CVC轧机的S型曲线,还有综合叠加的二次、三次、四次方曲线等),伴随着轧辊辊型曲线要求的高精度和多样化,对辊型检测的要求也越来越高[7]。
国外发展中国家的检测设备与技术水平与我国现阶段大多数生产厂家情况相当,不及我国的宝钢、鞍钢、武钢等大型钢铁企业。
而美国、日本、德国等发达国家的轧辊辊型的检测设备与技术水平,总体看来要比我国强的多,他们己经很少使用传统的千分尺、马鞍仪等,取而代之的是电子类辊型测量仪或在线测量。
轧辊辊型测量的工具和方法有多种,采用不同的测量方法其测量效果和经济性不同,如:
●千分尺测量;
●鞍式辊型测量仪;
●ZDC系列轧辊多参数测量仪;
●CADNO电子辊型测量仪;
●PWT便携式轧辊测量仪。
1.4本论文主要研究内容
本课题的主要研究内容是研制一种智能化的检测轧辊辊型及其磨损的高精度测量仪器。
要求其结构简单、体小质轻、操作方便、测量快准、配有接口便于和计算机相连实现测量的智能化,在实现测量轧辊辊型曲线的同时可测量轧辊表面的温度数据。
围绕这种智能化的检测轧辊辊型及其磨损的高精度测量仪器,我们必须在以下几个方面进行研究:
第一、轧辊辊型磨损检测系统的数学模型研究。
第二、测量架体的设计与制作:
主要实现仪器的定位及平稳移动、测量范围的可调整及测量臂连接安装、传感器的安装与调整等功能。
第三、测微电路设计与制作:
实现对微信号的采集接收、信号放大、和差运算等处理功能。
第四、电源电路设计与制作:
实现对测量传感器、测微电路、专用嵌入式计算机系统提供工作电源保障。
2GX-U辊型机械结构整体设计方案
研究“和差补偿”原理,并建立基于“和差补偿”原理的数学模型,并根据此数学模型进行机械结构设计,主要是设计鞍车测量架体,该测量架体具有带刻度滑动臂及四轮可滚动鞍车,使仪器测量范围可调节、操作方便、测量稳定。
2.1基于“和差补偿”的数学建模
2.1.1“和差补偿”原理
“和差补偿”原理是利用一组传感器,分组安装在轧辊同一轴向剖面的相隔跨距对径位置上,传感器A和传感器B是一组,传感器C和传感器D是一组,这两组传感器在被测轧辊上进行轴向移动时采集大量轧辊轴径变化数据,再把这些数据分组传输到专用电器箱中进行加法运算处理以消除误差。
例如当测量架体沿着轧辊轴向移动的同时往某一方向横向摆动,传感器A值(c值)如果增加,那么传感器B值(D值)就会减少,同组传感器求和后就排除了由于测量架体横向摆动产生的误差,从而提高测量精度。
测量时起始点尽量靠近轧辊端部,测量方向为沿辊身从驱动侧向操作侧,以指定间距采集测量数据,通过对上轧机前及下轧机冷却均匀后的同一个轧辊的测量和比较处理,就可得到轧辊实际辊型曲线。
2.1.2“和差补偿”轧辊辊型数学模型的建立
该原理的数学模型建立分为五步。
1.确定初值零点:
由于本数学模型主要是测量变化量,测量结果都以相对值形式保存,即测量起始点处数值应为零,其它点数值为该点与起始点的直径差值。
所以要在被测轧辊的最右端确定各路传感器的初始点Va0、Vb0、VcO、Vd0,并把他们作为初值零点。
2.“和差补偿”算法:
测完初值零点后可以移动辊型仪,每移动一个设定步距,辊型仪自动进行一点测量。
测量时传感器A值和传感器B值、传感器C值和传感器D值将通过专用电脑电器箱内的“加法器”各合成一路,也就是未去除零点值的数据Vab’=Va’+Vb’,Vcd’’=Vc’’+Vd’’,每个测量点一组有两个数据Vab和Vcd’,其中:
Vab=Vab’一(Va0+Vb0),Vcd’=Vcd’’-(Vc0+Vd0)。
3.归一化处理:
测量仪在测量时从一端移动到另一端,传感器A、传感器B无法测量轧辊的前半部分,传感器C、传感器D无法测量轧辊的后半部分,所以采用两组传感器使测量仪在一次移动过程中,可以采集完轧辊上的所有数据并进行处理。
但利用这种方法在进行数据处理时,要依据客观一致协调条件:
在覆盖段的右端点处有两个测量值:
Vab(n)和Vcd’(0),两者值实际上应该是相等的,但由于AB和CD两组传感器测零点时轴向位置不同,使得Vab(n)和vcd’(0),未处理前不等。
由于Vcd(0)’=0,说明Vab和Vcd由于零点位置不同造成的基准差值为Vab(n),要进行归一化处理。
因此它的数据处理模型如图2-2所示:
图2-2“归一化”原理数据处理模型
设轧辊测长为L(mm),跨距为l(mm),步距为s(mm),总测点数为N,两端不覆盖点数为n,中间覆盖点数为m,施测点序号为i,则
总测点数为:
N=k-n+1 = (L一l)/s+1;
总数据点数为:
Z=L/s+1=k+1;
两端不覆盖点数:
n=l/s;
中间覆盖点数:
m=Z一2n=L/s+1一2l/s=(L一2l)/s+l
①零点:
轧辊的右端记为VaO、乃O、VcO、附0
②和差补偿:
Vab’是未去除零点值的数据:
Vab’=Va’+Vb’
Vcd’是未去除零点值的数据:
Vcd’=Vc’’,+Vd’’
则:
Vab=Vab’-(Va0+Vb0)
Vcd’=Vcd’’-(Vc0十Vd0)
③归一化处理:
由于Vab(n)=Vcd’(0),则在覆盖段:
Vcd(i-n)=Vcd’(I-n)+Vab(n)
i=n,n+1,n+2,,k-n
在左结束段:
Vcd(i)=Vcd’(i)+Vab(n)i=k-n+l,k-n+2,……k
4.车L辊辊型数据处理值:
每测量点一个数据,K-n+1个测量点,K+1个数据。
在右开始段:
Vi=Vab(i)i=0,1,2,……,n-1
在中间覆盖段:
Vi=[Vab(i)+Vcd(i-n)]/2=[Vab(i)+Vcd’(i-n)+Vab(n)]/2
(i=n,n+l,n+2,……,k-n)
在左结束段:
Vi=Vcd(i)=vcd’(i)+Vab(n)i=k-n+1,k-n+2,……
以轧辊测长L为横坐标,Vi/2(半径差)为纵坐标,绘制的各测量点的连线即为被测轧辊的辊型曲线。
5.轧辊磨损数据的取得
同一个轧辊:
上轧机前的辊型数据Vi初下轧机冷却均匀后的辊型数据Vi末,则轧辊磨损数据:
Vi磨=Vi初-Vi末,其中(i=1,2,3,……,k+l)
各测量点两次测量数据的差值即为轧辊磨损数据,以轧辊测长L为横坐,Vi磨/2为纵坐标,绘制的各测量点的连线就是轧辊实际磨损曲线。
2.2机械结构的整体设计
根据以上推导出来的算法进行机械设计,主要是设计鞍车测量架体,该测量架体具有带刻度滑动臂及四轮可滚动鞍车,滑动臂上轧辊的对径位置上前后安装了两组(4个)高精度电测量传感器,使仪器测量过程中具有“和差补偿”,它的右视图与俯视图如图2-2、2-3所示:
图2-2辊型测量仪测量架体示意图(右视图)
图2-3辊型测量仪结构连接示意图(俯视)
仪器设计有测长脉冲编码器机构,使得轧辊轴向测量步距的高精度及测量点数的可选择。
仪器设计有温度测量机构,使得仪器在测量辊型的同时可测量轧辊表面的温度数据,为减少温度影响而引起的辊型测量误差及分析轧辊的热凸度等提供了方便。
3GX-U辊型机械结构具体设计
3.1鞍车的设计
鞍车是跨骑在被测轧辊上并且承载着带刻度的滑动臂的部件,它的主要作用是:
连接安装测量臂;连接安装嵌入式系统及外壳;连接安装测长编码器机构;保证仪器沿轧辊辊身(圆柱体)平稳运行,鞍车与各部件的连接如图3-1所示:
图3-1鞍车与各部件的连接示意图
如上图所示:
由于被测轧辊的直径参数设计为500-1000mm,为保证鞍车在移动时运动平稳和定位准确,四轮的前后轮距设计为250mm,左右轮距为220mm。
测量臂回转轴是连接测量臂V型滑架与鞍车的载体;测长编码器在仪器的左边,由外边的长方体金属保护盒包裹着安装在鞍车上;右边则是放嵌入式系统;温度传感器座安装在鞍车的右前端;滚轮选用耐磨不锈钢材料,内镶铜套轴承。
鞍车滚轮的连接如图3-2所示,四滚轮通过相应的滚轮轴、调整垫片,连接在鞍车体上四滚轮连接在鞍车体上。
图3-2鞍车滚轮连接示意图
3.2测量臂的设计
测量臂V型滑架通过测量臂回转轴与鞍车座的上部连接,下部的两边有两个“丁”字型的测量臂体,测量臂体在测量臂的上部有V型滑架上可移动,以满足轧辊测量范围(Dmin-Dmax)变化的需要,指标线对正滑杆上的数字刻线为被测直径,并能通过紧定螺将其固定。
每个“丁”字型的测量臂体上,各连接安装有相距250mm的用于安装两个传感器的测量头,如图3-3所示:
图3-3适应测量范围变化示意图
3.2.1测量臂V型滑架的设计
为使测量仪结构紧凑且满足使用要求,测量臂V型滑架设计成如图3-4所示它由横梁和滑尺组成,横梁上部设计有提把,横梁下部连接两个带有刻度的滑杆横梁的中部设计有连接鞍车座的安装孔。
图3-4测量臂V型滑架设计
3.2.2测量臂体的设计
测量臂体设计为两个,分前测量臂体和后测量臂体,为便于鞍车座对应位置的安装,测量臂体设计成了非对称型状,以滑尺孔的中心面分左短右长。
测量臂体上加工有滑尺安装孔,上部以螺纹连接有测量臂体紧定螺,将测量臂体安装在滑尺的适当位置后,旋紧测量臂体紧定螺,可将测量臂体固定在需要的位置。
下中部螺纹连接有保护测量头的限位螺,在限位调整螺上安装有限位紧定螺圈,限位调整螺调到适当位置后,通过旋紧螺圈将其固定。
在后测量臂体的左端设计有安装C传感器测量头的安装孔,右端设计有安装A传感器测量头的安装孔。
在前测量臂体的左端设计有安装D传感器测量头的安装孔,右端设计有安装B传感器测量头的安装孔。
各传感器的测量头通过对应的测量头紧定螺固定其位置,见图3-5,图3-6所示:
图3-5后测量臂体
图3-6前测量臂体
3.3测量头的设计
设计了四个测量头,前、后测量臂体各安装两个,分别用于安装调整A、B、C、D四个传感器,它的结构型式完全一样,如图3-7所示:
图3-7测量头总体结构图
3.3.1传感器的连接关系
测量头通过微调连接体安装在测量臂体的测量头安装孔内。
传感器测头部身有一向外的弹力,其前端与测杆接触,通过弹性套和传感器安装紧定螺帽将感器安装在传感器连接体上。
传感器后端的外部通过连接螺丝安装有传感器保套。
传感器连接体内装有测力弹簧、测杆、测杆防转套、测杆扶向套,弹簧一抵压弹性套,另一端抵压测杆后部,使测杆获得一个始终向外的力,在扶向套向外运动至测杆后端环型部与测杆防转套接触。
测杆的中部设计有防转销,该可在防转套的滑槽内沿测杆轴向移动。
测杆与测杆扶向套精密配合,以保证测的移动精度。
测杆的行程设计为4.2-4.5mm,以保证仪器测量变化范围-2mm--+2mm实际测量时,调整仪器使测杆端部与被测轧辊相接触并压缩至测杆在行程的中位置。
当被测轧辊的直径变大时,推测杆向内压缩测力弹簧及传感器测杆向内当被测轧辊的直径变小时,在测力弹簧及传感器弹性向外的力共同作用下,测及传感器测杆向外。
3.3.2测量头的微调设计
传感器连接体安装在微调座体内,其后部抵住微调座体,通过其前端的螺纹与传感器连接体螺圈固定连接。
微调座体外部套有柱体微调弹簧(压簧),安装在微调连接体的空腔内,一端抵住微调连接体,另一端抵住微调座体。
微调紧定螺与测量臂体螺纹连接,其端部置入微调座体的防转滑槽内。
微调螺圈与微调座体外端部的螺纹连接,在微调弹簧的弹力作用下,保证微调螺圈的内端面与微调连接体的外环型的端面相接触。
其微调机构的连接图如图3-8所示:
图3-8测量头的微调机构图
旋松微调紧定螺,顺时针旋微调螺圈,微调座体在微调紧定螺端部防转制动下,压缩微调弹簧,带动传感器连接体、传感器、测杆等部件一起向外移动。
逆时针旋微调螺圈时,在微调弹簧胀力的作用下,微调座体带动传感器连接体、传感器、测杆等部件一起向内移动。
此仪器设计的微调范围为10mm,实际测量时,就是靠旋微调螺圈的不同方向,来实现测量头的前后微小移动调整的,调整到合适的位置后,旋紧微调紧定螺,固定测量头。
3.4编码器测长机构的设计
测量轧辊辊型时,沿轧辊轴线方向的长度测量(包括轧辊测长、步距)设计为利用脉冲编码器机构实现,测长滚轮与被测轧辊的接触部位设计成无滑动的纯滚动。
编码器选用无锡生产的ZSP3-806-G03G-100BZ/05P,接入+SV电源,每转脉冲数为1000个,外部直径38mm。
考虑到仪器整体结构的可使用性,摩擦测长滚轮外径D应设计在44mm-50mm之间,πD为摩擦滚轮每转直线长度,每脉冲长度当量占δ=πD/1000,lmm的脉冲数Ns=1/δ=1000/πD。
当D=44时,Ns=l/δ=1000/πD=1000/44π=7.234
当D=50时,Ns=l/δ=1000/πD=1000/50π=6.366
要使测量步距计算误差最小,lmm的脉冲数Nsl应为:
6.366 当Nsl=7时,既有D=1000/7π=45.473mm,就是说,当摩擦测长滚轮外径D为45.473mm,摩擦测长滚轮在被测轧辊上无滑动的滚动时,带动编码器旋转,每产生7个脉冲,代表仪器移动lmm。 3.4.1测长机构的设计 编码器安装座的两边设计有连接安装孔,将该轧辊轴向测长机构安装在鞍车座体上。 设计扶向套,套内装有压力弹簧、脉冲编码器连接体,与编码器安装座过盈配合连接。 设计连接体的上中部圆杆与扶向套的扶向孔精密滑动配合,其上端为螺纹,用螺帽连接并下定位,其中部圆柱体与扶向套的大内孔精密滑动配合,上设计有防转槽,用防转螺钉限制脉冲编码器连接体的转动,连接体的下端通过曲拐板焊接有编码器圆型法兰盘,通过三螺钉连接编码器。 编码器回转轴上装有测长滚轮,通过紧定螺定位,设计轴向测长机构图如图3-9所示: 图3-9轴向测长机构图 3.4.2测长机构编码器上下行程的设计 见图3-10,鞍车左右轮距AB=22Omm,被测轧辊半径为R,AD=AB/2,CD为弓高。 图3-10编码器上下行程的设计原理 在ΔAOD中,AD=1l0mm, 仪器设计轧辊测量范围500mm-l000mm,即Rmin=250mm,Rmax=500mm。 Rmin=25Omm时,CD=R-CD=25.5mm Rmax=5O0mm时,CD=R-OD=12.25mm 两种极限情况的弓高差=25.5mm-12.25mm=13.25mm 设计测长机构编码器上下行程要大于两种极限情况的弓高差13.25mm,加之考虑测长滚轮与被测轧辊的无滑动的纯滚动,要有约5mm的压行程,最终设计的测长机构编码器上下行程是18-19mm。 脉冲编码器连接体在压力弹簧张力(800-1200g)助的作用下,自由状态时螺帽面抵住扶向套的上平面,使脉冲编码器处于下极限位。 仪器放置在被测轧辊上量时,测长滚轮与被测轧辊接触受压,与编码器、连接体等一起向上移动,压压力弹簧,待鞍车四滚轮与被测轧辊同时接触时,测长机构的可运动部分处在个相对稳定状态。 测量时仪器沿辊身轴向移动,编码器测长滚轮带动编码器转,获得测长信号。 被测轧辊直径大小发生变化时,由于压力弹簧张力的作用,测长滚轮始终与被测轧辊接触并有一个压力存在,保证了测长滚轮的纯滚动。 3.5温度测量机构的设计 温
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- 新型 带钢 轧辊 磨损 检测 系统 设计