無(wú)打滑連續(xù)輥軋機(jī)同步性能自動(dòng)化改進(jìn)

薛建平，石益鋒，江龍華，嚴(yán)興朝，徐 興

（1.紹興市天龍錫材有限公司，浙江紹興 312001；2.浙江越宮機(jī)械有限公司，浙江紹興 312071；3.銅陵龍峰新材料有限公司，安徽銅陵 244000）

1 前言

軋制具有比拉絲模拉拔更節(jié)能、污染物排放更少的優(yōu)勢(shì)，因此近年逐步在?3.0mm 以上的有色金屬線(xiàn)材加工中得到應(yīng)用，為糾正有色金屬加工屬高能耗誤區(qū)[1]發(fā)揮一定作用。為提高生產(chǎn)效率，軋制速度往往350m/min 以上，對(duì)軋輥等機(jī)件提出了更高要求，以滿(mǎn)足精度和使用壽命要求。隨著技術(shù)發(fā)展，軋輥等機(jī)件性能等滿(mǎn)足了使用要求，但存在一些問(wèn)題。單電機(jī)驅(qū)動(dòng)適合一種成分合金，變頻控制各道次獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可適應(yīng)多種成分合金軋制。不同成分有色金屬寬展特性不同，因此各道次之間的軋制速度也各不相同，獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軋機(jī)可調(diào)整速度匹配。為建立穩(wěn)定的軋制條件，各道次之間需保持適度的漲緊力，但漲緊力會(huì)導(dǎo)致軋輥與線(xiàn)坯的打滑，打滑率一般控制在0.5%～1.0%。對(duì)于銅、鋁等具有優(yōu)良塑形的材料，打滑率影響不大，但對(duì)熔點(diǎn)低、塑形較差的鋅基等有色合金，則容易造成線(xiàn)坯斷裂、軋輥表面粘附致碎屑增多、線(xiàn)坯表面易受損，同時(shí)打滑率存在會(huì)使附加載荷增加，能耗和機(jī)件磨損也會(huì)有所增加。本文針對(duì)一臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的8 架次連續(xù)軋輥存在的線(xiàn)材易斷、軋輥與線(xiàn)材打滑率等問(wèn)題，試驗(yàn)采用8 臺(tái)獨(dú)立伺服電機(jī)分別控制8 架次軋機(jī)，并結(jié)合各道次之間線(xiàn)坯漲力機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各道次之間速度匹配智能控制，消除打滑率引起的線(xiàn)材異常斷裂、附加載荷等，使一套連續(xù)輥軋機(jī)適合多種成分有色合金材料加工。

2 解決方案

新購(gòu)的8 機(jī)架連續(xù)輥軋機(jī)（一個(gè)機(jī)架軋制一道次），各機(jī)架軋機(jī)獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)線(xiàn)?7.5mm,出線(xiàn)?3.0mm，電機(jī)總功率39.5kW，軋制速度350m/min，適當(dāng)增大各道次軋機(jī)的間距，進(jìn)行以下改進(jìn)。

2.1 電控系統(tǒng)改進(jìn)

2.1.1 獨(dú)立伺服電機(jī)控制

各道次軋輥獨(dú)立使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)與控制系統(tǒng)采用西門(mén)子V90 單軸伺服驅(qū)動(dòng)，V90 支持即插即用式調(diào)試，伺服性能充分優(yōu)化，與SIMATIC PLC 快速集成，可靠性高。與全新的SIMOTICS S-1FL6 伺服電機(jī)配套使用，形成最佳伺服系統(tǒng)。V90 支持內(nèi)部設(shè)定值位置控制、外部脈沖位置控制、速度控制和扭矩控制，整合脈沖輸入、模擬量輸入/輸出、數(shù)字量輸入/輸出及編碼器脈沖輸出接口。通過(guò)實(shí)時(shí)自動(dòng)優(yōu)化和自動(dòng)諧振抑制功能，可自動(dòng)優(yōu)化為一個(gè)兼顧高動(dòng)態(tài)性能和平滑運(yùn)行的系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)V90 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與西門(mén)子的S7-1215PLC 進(jìn)行組合，PLC 與V90 伺服電機(jī)進(jìn)行速度的控制精度可以達(dá)到±0.1r/min,可滿(mǎn)足不同成分材料的穩(wěn)定軋制。

2.1.2 點(diǎn)動(dòng)與聯(lián)動(dòng)控制

考慮生產(chǎn)效率，在線(xiàn)坯頭部穿過(guò)連續(xù)輥軋機(jī)過(guò)程，設(shè)備處于點(diǎn)動(dòng)狀態(tài)，各機(jī)架軋輥之間打滑率控制在1.5%左右，使線(xiàn)坯快速漲緊，進(jìn)入正常軋制后，根據(jù)合金成分寬展特性預(yù)先確定道次間速度匹配參數(shù)，并與漲力機(jī)構(gòu)位控傳感器聯(lián)動(dòng)（設(shè)置于2 臺(tái)軋機(jī)之間），該機(jī)構(gòu)根據(jù)位控傳感器松緊程度產(chǎn)生0～10V 的模擬量信號(hào)，該模擬量信號(hào)反饋到PLC 模擬量輸入通道。PID 控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e（t）與輸出u（t）的關(guān)系為：

傳遞函數(shù)為：

式中，u（t）是輸出；kp是比例系數(shù)；e（t）是輸入；TI 是積分時(shí)間常數(shù)；TD 是微分時(shí)間常數(shù)；d（t）是采樣輸入；dt 是采樣時(shí)間，積分的上下限分別是0和t，調(diào)整PID 參數(shù)提高各電機(jī)之間漲力穩(wěn)定[2]。

圖1 軟件設(shè)計(jì)中需完成西門(mén)子的硬件組態(tài)后，V90 伺服與西門(mén)子PLC 采用網(wǎng)口通訊，用100兆速率的西門(mén)子PROFINET 進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)交換，極大的提高了伺服電機(jī)的快速響應(yīng)能力。

在完成PLC 與V90 伺服驅(qū)動(dòng)的硬件組態(tài)后，按圖2 的程序調(diào)用MC-POWER 的功能塊對(duì)軸4進(jìn)行程序編寫(xiě)，同時(shí)在下面左側(cè)畫(huà)面工藝對(duì)象中對(duì)7 個(gè)伺服傳動(dòng)軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)配置。

觸摸屏設(shè)計(jì)中通過(guò)改變傳動(dòng)比、機(jī)械參數(shù)就可以方便精確的調(diào)整電機(jī)的速度，圖3 中設(shè)置點(diǎn)動(dòng)系數(shù)與自動(dòng)系數(shù)，方便點(diǎn)動(dòng)控制狀態(tài)與自動(dòng)控制狀態(tài)下精確的微調(diào)電機(jī)的同步速度。

圖4 是系統(tǒng)漲力設(shè)定畫(huà)面，設(shè)計(jì)顯示7 臺(tái)電機(jī)的漲力設(shè)定與漲張力控制倍率，可以方便調(diào)整各軋制線(xiàn)坯之間的張力變化[3]。

2.2 漲力機(jī)構(gòu)應(yīng)用

圖1 CPU1215C 與軸1 的網(wǎng)絡(luò)通訊組態(tài)畫(huà)面

為實(shí)現(xiàn)連續(xù)軋制零打滑率的目的，本文采用圖5 漲力機(jī)構(gòu)。工作原理如下：當(dāng)線(xiàn)坯頭部穿過(guò)連續(xù)輥軋機(jī)時(shí)，位控滑輪退回至起始位置，設(shè)備處于點(diǎn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)線(xiàn)坯完全穿過(guò)連續(xù)輥軋機(jī)，并進(jìn)入正常聯(lián)動(dòng)軋制時(shí)，位控滑輪前移壓緊線(xiàn)坯，即時(shí)控制線(xiàn)坯的漲緊程度；位控滑輪靠近極限漲緊或松弛位置時(shí)，位控傳感器發(fā)出模擬量信號(hào)，適當(dāng)增或減進(jìn)線(xiàn)側(cè)的軋機(jī)的軋制速度，進(jìn)線(xiàn)側(cè)各道次的軋制速度同步增減，確保線(xiàn)坯始終處于適度的漲緊狀態(tài)，但又不至于過(guò)度拉緊產(chǎn)生打滑。

各道次速度匹配預(yù)先根據(jù)合金寬展特征設(shè)置，在此基礎(chǔ)上才可采用漲力機(jī)構(gòu)，漲力機(jī)構(gòu)的調(diào)整幅度，在軋制速度350m/min 時(shí)參數(shù)變化幅度不應(yīng)超過(guò)±1.5%，控制系統(tǒng)持續(xù)超過(guò)5min 即發(fā)出報(bào)警，提示該種合金成分預(yù)先設(shè)置速度匹配不合理，或軋輥孔型尺寸有磨損變化。試驗(yàn)表明，位控滑輪松弛調(diào)整距離一般不超過(guò)30mm，具體根據(jù)線(xiàn)坯的直徑粗細(xì)及控制系統(tǒng)的靈敏度選擇。

圖2 程序中軸4 調(diào)用MC-POWER 的功能塊

圖3 參數(shù)設(shè)定畫(huà)面

圖4 系統(tǒng)張力設(shè)定畫(huà)面

圖5 漲緊機(jī)構(gòu)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 速度匹配控制系統(tǒng)

該設(shè)備控制系統(tǒng)改進(jìn)完成后投入運(yùn)行一年，初期發(fā)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)時(shí)用的軟件版本過(guò)低，系統(tǒng)有時(shí)會(huì)反映變慢，反饋速度跟不上，軟件升級(jí)后，完成對(duì)各種不同成分合金寬展特征數(shù)據(jù)的提取，及各道次之間速度的匹配參數(shù)。初期軟件設(shè)計(jì)有部分缺陷，連續(xù)軋制過(guò)程還是偶爾異常斷裂，后程序經(jīng)過(guò)不斷的完善，伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制各種參數(shù)進(jìn)行了多次的自學(xué)習(xí)，對(duì)伺服電機(jī)的電子齒輪比進(jìn)行了重新校正，并反復(fù)的調(diào)整重要的伺服參數(shù)，連續(xù)輥軋機(jī)可穩(wěn)定使用。

3.2 漲力機(jī)構(gòu)使用

漲緊機(jī)構(gòu)投入使用后，一直較為正常。通過(guò)位置傳感器對(duì)各道次進(jìn)線(xiàn)側(cè)的速度進(jìn)行微調(diào)，微調(diào)的范圍基本不超過(guò)設(shè)定匹配速度數(shù)據(jù)±1%，消除了各道次之間的打滑現(xiàn)象和坯異常拉斷。

3.3 線(xiàn)坯表面和碎屑產(chǎn)生情況

消除打滑后，軋輥表面粘料現(xiàn)象也消失，線(xiàn)坯表面的質(zhì)量有明顯的提高，圖6a 是有打滑軋制的線(xiàn)坯表面照片，圖6b 是無(wú)打滑軋制的線(xiàn)坯表面照片，軋制過(guò)程產(chǎn)生的碎屑明顯降低。

圖6 線(xiàn)坯表面

3.4 節(jié)能效果

常規(guī)連續(xù)輥軋機(jī)為建立正常的連續(xù)軋制，各道次之間需維持適度漲緊力成為反漲力，反漲力有助于降低合金的寬展特征[4]，但也增加附加負(fù)載，致能耗增加。本文無(wú)打滑連續(xù)輥軋機(jī)，以350m/min速度連續(xù)軋制抗拉強(qiáng)度280MPa 的有色金屬線(xiàn)材，與原先的一臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，節(jié)能20%左右。

3.5 軋輥及其他機(jī)件使用壽命

無(wú)打滑連續(xù)輥軋機(jī)消除了附加負(fù)載，軋輥的孔型磨損現(xiàn)象明顯降低，軋輥的使用壽命增加了30%左右，同時(shí)其他機(jī)件的損耗也同步降低。

4 結(jié)論

（1）獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的多道次輥軋機(jī)控制速度精度高，可滿(mǎn)足?7.5mm 以下、抗拉強(qiáng)度低于300MPa 的有色金屬連續(xù)軋制速度匹配控制。

（2）增設(shè)的漲緊機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步解決了各道次的同步軋制問(wèn)題，消除連續(xù)輥軋前后道次之間的打滑率，節(jié)能效果顯著，改善了線(xiàn)坯表面質(zhì)量，減少了碎屑產(chǎn)生，機(jī)件的使用壽命延長(zhǎng)，是以后有色金屬連續(xù)輥軋機(jī)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的主流方向。

5 探討

5.1 斷面減縮率適應(yīng)性設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的連續(xù)輥軋機(jī)各道次之間存在的打滑率形成漲緊力，有利于提高線(xiàn)坯的斷面減縮率。本文的漲力機(jī)構(gòu)消除了打滑現(xiàn)象，反漲力消除或可控，因此各道次軋輥的斷面減縮率設(shè)計(jì)需要考慮該因素。也可以為探討和研究漲緊力氣缸提供適當(dāng)且穩(wěn)定的反漲力，以彌補(bǔ)無(wú)打滑消失的反漲力，但以不產(chǎn)生打滑為準(zhǔn)。

熔點(diǎn)低于450℃的有色合金線(xiàn)材，變形熱容易造成材料軟化，進(jìn)而使寬展特征發(fā)生變化，帶來(lái)軋制不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此一道次軋橢及后一道次軋圓結(jié)合的斷面減縮率宜不超過(guò)25%，具體視不同合金成分確定。

5.2 軋輥孔型設(shè)計(jì)及導(dǎo)衛(wèi)的配置

需軋制多種合金材料的連續(xù)輥軋機(jī)，宜采用寬展因素[5]最大的一種合金材料來(lái)設(shè)計(jì)軋輥孔型，以橢-圓孔型工藝參數(shù)為佳，孔型形狀建議采用唇形結(jié)構(gòu)[6]。各機(jī)架間距有所加大，進(jìn)入圓孔型軋輥的橢形線(xiàn)坯宜用導(dǎo)衛(wèi)導(dǎo)入。

5.3 各機(jī)架的間距

各機(jī)架間距，可依據(jù)線(xiàn)坯的粗細(xì)確定合理的距離，間距越大，易于控制同步精度，但會(huì)增加設(shè)備的占地面積，具體可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。

5.4 設(shè)備適用范圍

試驗(yàn)表明進(jìn)線(xiàn)坯直徑不宜大于?7.5mm，否則不易控制同步精度。線(xiàn)徑小于?3.0mm，則會(huì)影響產(chǎn)能，需根據(jù)金屬材料的品種和產(chǎn)能綜合考慮。