十輥快開(kāi)式矯直機(jī)輥縫自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的研究

叢陽(yáng)陽(yáng)，王雪峰，汪恩輝，左雁冰，李勇鵬

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

熱處理線中，鋼管經(jīng)過(guò)加熱爐加熱、淬火機(jī)淬火、冷床冷卻等熱處理工藝，造成鋼管的彎曲變形，為了滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)于鋼管直線度的要求，必須對(duì)鋼管進(jìn)行矯直。鋼管矯直后，不僅直線度有很大提高，經(jīng)過(guò)碾壓，還可以去除表面的氧化鐵皮，使表面光亮，提高表面質(zhì)量。中國(guó)重型機(jī)械研究院為湖南衡陽(yáng)某廠熱處理生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的Φ245十輥快開(kāi)式鋼管矯直機(jī)已于2020年7月投入使用，該套設(shè)備包括前臺(tái)上料、主機(jī)、后臺(tái)下料裝置等組成，設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)化程度高，調(diào)整好管材的矯直參數(shù)后，上料、矯直及下料無(wú)需人工干預(yù)，完全自動(dòng)化生產(chǎn)，設(shè)備程序穩(wěn)定，可滿(mǎn)足熱處理生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)奏。

1 矯直機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

主機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，調(diào)整主機(jī)的矯直參數(shù)，主要是調(diào)整矯直輥的角度及輥縫的大小。為提升調(diào)整效率，便于操作，角度與輥縫調(diào)整機(jī)構(gòu)都安裝有編碼器，用來(lái)將調(diào)整時(shí)的參數(shù)讀取至操作室的工控機(jī)中，并通過(guò)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，在工控機(jī)的窗口中設(shè)定生產(chǎn)所需的參數(shù)，角度與輥縫會(huì)自動(dòng)調(diào)整至設(shè)定的參數(shù)值。隨著工廠對(duì)鋼管品質(zhì)的提升，對(duì)矯直機(jī)的矯直精度要求也有所提高，因此，在六輥快開(kāi)矯直機(jī)的基礎(chǔ)上，為湖南衡陽(yáng)某鋼廠研發(fā)了十輥快開(kāi)式矯直機(jī)，矯直后鋼管管體直線度小于1 mm/m。此套設(shè)備具備數(shù)據(jù)庫(kù)，可以存儲(chǔ)各種鋼管矯直時(shí)的參數(shù)，方便鋼管矯直工藝的管理與提升，并可以讀取數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的矯直參數(shù)，輥縫自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)建立以后，可以將輥縫自動(dòng)調(diào)整至數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取的參數(shù)值，提高了輥縫調(diào)整的效率[1]。

十輥快開(kāi)式矯直機(jī)采用十二立柱、五滑動(dòng)梁結(jié)構(gòu)，每個(gè)滑動(dòng)梁由四個(gè)導(dǎo)向套組成，稱(chēng)之為四滑架結(jié)構(gòu)，四滑架結(jié)構(gòu)具備機(jī)架剛性好，導(dǎo)向平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)[2,3]。主機(jī)的機(jī)架采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)[4-8]，可以防止矯直過(guò)程中矯直力過(guò)大造成設(shè)備振動(dòng)，影響矯直效果與設(shè)備穩(wěn)定性。立柱穿過(guò)滑動(dòng)梁的四個(gè)導(dǎo)向護(hù)套，滑動(dòng)梁可以沿著立柱軸向方向上下移動(dòng)，矯直輥安裝在滑動(dòng)梁上，隨著滑動(dòng)梁一起移動(dòng)，達(dá)到調(diào)整輥縫的目的。調(diào)整螺母安裝在滑動(dòng)梁的上表面，不可以旋轉(zhuǎn)，調(diào)整絲桿安裝在上固定梁上(圖中省略)，可以旋轉(zhuǎn)但不可以上下移動(dòng)，調(diào)整絲桿與調(diào)整螺母配合，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，使螺母上下移動(dòng)，調(diào)整矯直輥輥縫的大小。滑動(dòng)梁結(jié)構(gòu)呈Z型，如圖1所示，按照1#～5#的順序，環(huán)環(huán)相扣，如1#滑動(dòng)梁壓在2#滑動(dòng)梁上方，安裝時(shí)要先裝2#滑動(dòng)梁再裝1#滑動(dòng)梁，調(diào)整輥縫時(shí)，1#滑動(dòng)梁與2#滑動(dòng)梁要保證安全距離。

圖1 十輥快開(kāi)式矯直機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，快開(kāi)缸固定在上固定梁上，調(diào)整絲桿通過(guò)軸承和鎖緊螺母固定在快開(kāi)缸的活塞上，可以旋轉(zhuǎn)并隨著活塞上下動(dòng)作，起到快開(kāi)作用[9-12]。右側(cè)滑動(dòng)梁的高處護(hù)套與左側(cè)滑動(dòng)梁的低處護(hù)套在同一根立柱上滑動(dòng)，如不限定其上下移動(dòng)的位置，高處護(hù)套的下表面會(huì)與低處護(hù)套的上表面碰撞，造成設(shè)備的損壞。因此，在兩個(gè)護(hù)套間的最小允許距離處要安裝接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)有信號(hào)時(shí)，輥縫調(diào)整電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，防止兩個(gè)護(hù)套碰撞，起到安全保護(hù)作用。在輥縫自動(dòng)調(diào)整過(guò)程中也要考慮安全因素，防止在無(wú)人觀察的情況下對(duì)設(shè)備造成損壞。圖2中當(dāng)兩個(gè)滑動(dòng)梁的高度一致時(shí)，高低護(hù)套的間距X=60 mm，快開(kāi)缸的行程為S=30 mm，因此快開(kāi)缸伸出和縮回的動(dòng)作不會(huì)造成高低護(hù)套碰撞。由于矯直工藝[13-16]的需要，主機(jī)的2#、3#、4#上下矯直輥可以給定反彎量W，相鄰的兩個(gè)滑動(dòng)梁高度不一致，高低護(hù)套的距離Y=X-S-W，設(shè)定高低護(hù)套間的最小距為5 mm，則矯直過(guò)程中的最大反彎量為25 mm。

圖2 兩滑動(dòng)梁相對(duì)位置示意圖

2 輥縫調(diào)整系統(tǒng)的建立

2.1 輥縫調(diào)整系統(tǒng)的配置

結(jié)合矯直機(jī)主機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，配置了矯直機(jī)輥縫調(diào)整系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以西門(mén)子可編程邏輯控制器CPU1511-1PN為載體，S120變頻器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輥縫檢測(cè)絕對(duì)值編碼器為反饋的控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 輥縫調(diào)整系統(tǒng)的配置圖

2.2 單個(gè)矯直輥輥縫調(diào)整流程

圖4為單個(gè)矯直輥輥縫調(diào)整流程。首先，根據(jù)設(shè)定的數(shù)值判定輥縫的增大與減小，如果增大，則電機(jī)正傳，輥縫每增大0.01 mm，PLC讀取此時(shí)編碼器的輥縫數(shù)值，與設(shè)定值對(duì)比，若不滿(mǎn)足判定條件，則輥縫繼續(xù)增大，若滿(mǎn)足判定條件，則電機(jī)停轉(zhuǎn)，輥縫調(diào)整結(jié)束；同理可進(jìn)行輥縫減小的調(diào)整流程[17-20]。

圖4 單個(gè)矯直輥輥縫調(diào)整流程

根據(jù)矯直機(jī)主機(jī)的結(jié)構(gòu)，輥縫調(diào)整分為A方案與B方案，A方案按照1#～5#矯直輥的順序調(diào)整輥縫的大小，B方案則按照5#～1#矯直輥的順序調(diào)整輥縫，具體每個(gè)方案調(diào)整流程參照?qǐng)D5所示。

圖5 輥縫調(diào)整方案

2.3 多個(gè)矯直輥輥縫調(diào)整流程

由于結(jié)構(gòu)限制，矯直機(jī)的反彎量最大為25 mm，即相鄰矯直輥輥縫的差值不超過(guò)25 mm，否則高低護(hù)套便會(huì)碰撞，造成設(shè)備損壞。圖6為矯直機(jī)輥縫設(shè)定的界面，當(dāng)前值為輥縫調(diào)整之前的實(shí)際值，輥縫的設(shè)定值為需要調(diào)整后的參數(shù)值。為了保證設(shè)備的安全，輥縫的設(shè)定值需滿(mǎn)足條件：

圖6 輥縫設(shè)定示意圖

|i#輥縫設(shè)定值-j#輥縫設(shè)定值|≤25 mm，其中，i、j=1、2、3、4、5。

(1)

根據(jù)此條件設(shè)定參數(shù)，按照正確的順序調(diào)整輥縫，可滿(mǎn)足矯直的反彎要求，也不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞。參數(shù)設(shè)定結(jié)束后，如果相鄰矯直輥輥縫的差值不滿(mǎn)足設(shè)定要求，此刻操作畫(huà)面會(huì)提示輸入值錯(cuò)誤，并定位是哪一個(gè)輥縫設(shè)定有問(wèn)題。

按照式(1)設(shè)定輥縫調(diào)整參數(shù)，在調(diào)整輥縫時(shí)按照A方案與B方案的順序調(diào)整輥縫，至于選哪種方案，與輥縫設(shè)定值有關(guān)，分三種情況，一是只能按照A方案調(diào)整，二是只能按照B方案調(diào)整，三是A方案與B方案都可行。具體判定流程如圖7所示。

圖7 主機(jī)上輥輥縫調(diào)整流程圖

如圖7所示，判定選用A方案還是B方案調(diào)整輥縫的流程，首先在界面中按照公式(1)的要求輸入設(shè)定值，根據(jù)輸入的設(shè)定值，判定1#輥縫的設(shè)定值是否大于2#輥縫調(diào)整前的輥縫值，如果大于，則1#輥縫在調(diào)整過(guò)程中，1#滑動(dòng)梁與2#滑動(dòng)梁的高低護(hù)套不會(huì)碰撞；如果小于，則進(jìn)一步判斷，如果兩個(gè)差值的絕對(duì)值大于25 mm，則高低護(hù)套就會(huì)有碰撞的危險(xiǎn)，例如：1#與2#輥縫的初始值為200 mm，設(shè)定1#與2#輥縫調(diào)整值為100 mm，按照判定流程，則不能進(jìn)行先減小1#輥縫再減小2#輥縫的操作，否則兩個(gè)滑動(dòng)梁的護(hù)套會(huì)相碰，應(yīng)先將2#輥縫減小至100 mm后再將1#輥縫減小至100 mm。若1#與2#輥縫的初始值為100 mm，設(shè)定二者的調(diào)整值為200 mm，則按照判定流程，應(yīng)先調(diào)整1#輥縫增大至200 mm，再調(diào)整2#輥縫至200 mm，否則也會(huì)造成高低護(hù)套碰撞。此例是兩個(gè)滑動(dòng)梁的判定情況，主機(jī)共有五個(gè)相互影響的滑動(dòng)梁，如流程圖所示，按照判定條件依次從1#輥縫判定至4#輥縫，若全部滿(mǎn)足條件，則按照方案A執(zhí)行輥縫調(diào)整流程；若有任何一個(gè)步驟不滿(mǎn)足條件，則按照方案B執(zhí)行輥縫調(diào)整流程。按照上述步驟，完成所有矯直輥的輥縫調(diào)整，在調(diào)整的過(guò)程中滑動(dòng)梁的高低護(hù)套不會(huì)相碰。

結(jié)合圖7流程圖進(jìn)行PLC編程，可以對(duì)輥縫調(diào)整進(jìn)行預(yù)判，待滿(mǎn)足相關(guān)條件后，執(zhí)行自動(dòng)調(diào)整程序。對(duì)應(yīng)的輥縫調(diào)整功能模塊“FB51輥位置調(diào)整”如圖8所示?！癛oller_Set”為輥縫位置設(shè)定值，“Roll_Current”為輥縫位置實(shí)際值，“P_Tolerance”為上升啟動(dòng)參考值，“N_Tolerance”為下降啟動(dòng)參考值，“Up_limit”為上限位，“Down_Llimit”為下限位；該功能塊啟動(dòng)后，先執(zhí)行反饋值與給定值的比較運(yùn)算，當(dāng)該差值大于“P_Tolerance”值，啟動(dòng)上升，當(dāng)該差值小于等于“N_Tolerance”值，啟動(dòng)下降；當(dāng)該差值介于“P_Tolerance”值與“N_Tolerance”值中間時(shí)，既不上升，也不下降，當(dāng)前調(diào)整結(jié)束。

圖8 輥縫調(diào)整功能模塊

需要注意的是，5個(gè)上輥輥縫調(diào)整電機(jī)采用一個(gè)S120變頻器拖動(dòng)，通過(guò)變頻器出口側(cè)的接觸器通斷來(lái)控制不同的輥縫電機(jī)。因此，無(wú)論手動(dòng)或自動(dòng)，絕對(duì)不允許變頻器在運(yùn)行過(guò)程中在線切換電機(jī)，只有在停止?fàn)顟B(tài)下方可，否則會(huì)導(dǎo)致變頻器報(bào)過(guò)流故障或損壞設(shè)備。

3 結(jié)論

本文結(jié)合十輥矯直機(jī)滑動(dòng)梁的機(jī)械結(jié)構(gòu)，考慮反彎量和快開(kāi)缸行程對(duì)矯直輥輥縫調(diào)整的影響，首先建立單個(gè)矯直輥輥縫的調(diào)整流程，確定輥縫調(diào)整的A方案與B方案；根據(jù)多個(gè)輥縫調(diào)整的判定條件，選用合適的方案進(jìn)行輥縫調(diào)整，最終建立了主機(jī)上輥輥縫調(diào)整系統(tǒng)。此系統(tǒng)的建立，可對(duì)矯直機(jī)輥縫進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，提升了輥縫調(diào)整的效率，方便了矯直工藝參數(shù)的管理與優(yōu)化。