多輥卷板機(jī)設(shè)計(jì)與研究

姜榮升， 于志新， 何三慧， 曹全德

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012）

0 引言

我國(guó)是世界上卷板機(jī)產(chǎn)量最多的國(guó)家，但總體競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，特別是針對(duì)大型和重大型設(shè)備。本文的研究主要是在原有的四輥卷板機(jī)上進(jìn)行改進(jìn)，將四輥卷板機(jī)加工后的卷圓通過(guò)工作輥進(jìn)行修正。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要功能

制造行業(yè)在材料加工尤其是重型工業(yè)領(lǐng)域的板材加工部分程序需要依賴于卷板機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而在四輥卷板機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)卷板機(jī)的結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行重新改進(jìn)和研究，與以往的卷板機(jī)相比，新方案的特點(diǎn)和主要實(shí)現(xiàn)的功能是利用數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)卷板機(jī)制作圓筒直徑。

圖1 工作輥對(duì)加工板材進(jìn)行直徑調(diào)節(jié)

通過(guò)控制工作輥上的各個(gè)電機(jī)的進(jìn)退和旋轉(zhuǎn)控制卷板機(jī)各個(gè)工作輥之間的相對(duì)位置和彼此施加的相互作用，從而完成對(duì)板材的加工。四輥卷板機(jī)完成板材加工后，工作輥對(duì)卷圓進(jìn)行矯圓。卷圓直徑的調(diào)節(jié)通過(guò)連接計(jì)算機(jī)終端，在計(jì)算機(jī)上由USB和控制器進(jìn)行通信，在計(jì)算機(jī)終端的上位機(jī)軟件中輸入調(diào)節(jié)直徑，上位機(jī)軟件經(jīng)過(guò)計(jì)算解析發(fā)送到主控制器，控制器會(huì)對(duì)23個(gè)伺服電機(jī)和尾部發(fā)出指令，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)直徑和尾部電機(jī)角度。在每次進(jìn)行直徑調(diào)節(jié)的時(shí)候，控制器會(huì)讓23個(gè)伺服電機(jī)和尾部電機(jī)運(yùn)動(dòng)到原始位置，進(jìn)行歸零，對(duì)直徑進(jìn)行標(biāo)定，而不是從原本調(diào)節(jié)好的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)減小累計(jì)誤差，如圖1所示。工作過(guò)程中，還可以手動(dòng)控制各個(gè)伺服電機(jī)，以便修正誤差。

2 運(yùn)動(dòng)函數(shù)的解求

卷板機(jī)卷圓加工完成后，在調(diào)節(jié)卷板直徑的過(guò)程中，對(duì)各工作輥的工作狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行修正。卷板機(jī)卷板過(guò)程中各輥工作狀態(tài)及局部圖如圖2所示。

圖2 工作輥卷圓運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖2中，以A為圓心的圓為卷板機(jī)目標(biāo)加工的形狀，其半徑用R表示，即表示卷板機(jī)加工板材的半徑參數(shù)為R，以O(shè)為圓心的圓為卷板機(jī)各個(gè)工作輥在運(yùn)動(dòng)中所卷制的板材的實(shí)際形狀，其半徑用L1表示。

為減小加工誤差，必須對(duì)圓心O進(jìn)行修正，使的圓心O能夠移到A點(diǎn)并且兩圓軌跡重合。具體分析為：OA表示兩圓心之間的距離,即現(xiàn)加工的卷圓圓心和目標(biāo)加工卷圓圓心的距離，OA=1 300-R。式中：1 300為卷板機(jī)卷制半徑的最大卷制能力，以卷板機(jī)最大卷制能力為計(jì)算；AB為目標(biāo)加工卷圓直徑，AB=R?！螦OC為C處工作輥和位于垂直線底部的主動(dòng)輥之間的角度，∠AOC=α。在∠AOC中，已知OA長(zhǎng)度，R為板材目標(biāo)加工半徑（為已知量），OC=1 300，由余弦定理 a2+b2-2abcosα=c2可知，AC2=OA2+OC2-2cosα，整理得 AC=，由于AC=AB+BC，所以整理可知：

BC即為在此角度下所對(duì)應(yīng)的卷板機(jī)工作輥為達(dá)到卷圓的目標(biāo)曲率所需到達(dá)的位置，因?yàn)楦鱾€(gè)工作輥以圓心O為中心、每隔15°間隔分布的，由此可以推出，各個(gè)工作輥以O(shè)為圓心，與中心垂直線的夾角是已知的，板材卷制的目標(biāo)半徑已知，OA已知，依次類推可以計(jì)算出23個(gè)輥目標(biāo)位置的運(yùn)動(dòng)函數(shù)。

設(shè)定以垂直線的下半部分（水平中心線以下）為參考，向左偏15°的工作輥編號(hào)為2號(hào)，相對(duì)2號(hào)工作輥?zhàn)笃?5°編號(hào)為3，以此類推，則初始參考線右偏15°的工作輥編號(hào)為24，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的對(duì)稱性，2號(hào)輥的位置和24號(hào)輥位置對(duì)稱，所以運(yùn)動(dòng)時(shí)也相互對(duì)稱，即運(yùn)動(dòng)函數(shù)相互對(duì)稱。設(shè)定L表示各個(gè)工作輥的移動(dòng)距離，可知，L2=L24，L3=L23，L4=L22，L5=L21，L6=L20，L7=L19，L8=L18，L9=L17，L10=L16，L11=L15，L12=L14。L13是個(gè)特殊的位置，L13工作輥位于最頂端位置，其運(yùn)動(dòng)函數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算可知為L(zhǎng)13=1 300-R/2，其余各處的運(yùn)動(dòng)函數(shù)由公式整理可得：

L表示各個(gè)工作輥的移動(dòng)距離，在現(xiàn)有位置的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)板材目標(biāo)卷制半徑和曲率，工作輥需要對(duì)現(xiàn)有位置進(jìn)行修正，卷制過(guò)程中主動(dòng)輥（動(dòng)力輥）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，壓迫板材向前運(yùn)動(dòng)，各個(gè)工作輥為實(shí)現(xiàn)加工板材的目標(biāo)加工半徑和曲率，電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)動(dòng)函數(shù)到達(dá)各輥制定位置，在移動(dòng)時(shí)對(duì)板材施行受壓，進(jìn)而達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)品要求。為實(shí)現(xiàn)板材不同曲率的加工需求，各個(gè)工作輥通過(guò)程序和手動(dòng)，單獨(dú)運(yùn)動(dòng)和作用。

3 結(jié)論

以原有的四輥卷板機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)設(shè)計(jì)多輥結(jié)構(gòu)，對(duì)四輥卷板機(jī)的加工板材進(jìn)行校正。經(jīng)企業(yè)加工實(shí)踐驗(yàn)證，該卷板機(jī)可以卷制10 mm的加工板材，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)初調(diào)節(jié)板材筒徑快速化的目標(biāo)。

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