CN101597671A - 全数字控制“一拖二”轧辊双频自动淬火方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了全数字控制“一拖二”轧辊双频自动淬火方法和系统。该方法是：先按照工艺要求将装在第一台淬火机床上的冷轧辊进行淬火；同时，利用该冷轧辊淬火后需要较长的续冷时间的期间，再通过电源转换开关将双频淬火电源提供给第二台淬火机床使用，使该机床上的冷轧辊完成淬火过程。该系统包括控制装置、大电流切换装置、双频感应加热电源及两台具有相同结构的机床本体，控制装置由以控制总线相连的上位工业控制计算机、PLC可编程控制器、交流伺服装置、带串口通讯的数字检测仪表组成；两台机床本体均设有淬火机构、排雾装置和用于安装轧辊的活动框架。本发明结构合理，占地少，自动化程度高，安装轧辊方便，工作效率高，节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及轧辊及轴类工件热处理加工领域，特别是涉及冷轧辊双频淬火方法及系统。
背景技术
现代化多机架连续高速轧制的冷轧带钢表面质量、平直度、厚度差等都有严格的要求，这与轧机的轧辊有密切的关系。为使轧辊的表面获得足够的淬硬层、较缓和的过渡区和良好的残余应力分布，就应该注意对轧辊进行合适的淬火加工。对于冷轧辊淬火加工，目前有采用单频感应加热淬火，也有采用双频感应加热淬火，实践证明双频淬火加工能够提高轧辊的质量。双频淬火的工作原理为：针对不同材质的轧辊，利用加载工频(50Hz)和中频(250Hz)两个感应圈的交变电流在其周围产生交变磁场，金属轧辊被这交变磁场的磁力线所切割，产生感应电动势，在轧辊表面的一薄层内形成封闭的电流回路。这涡流回路产生的感应热使轧辊表面加热，达到所需的淬火温度(相变温度以上)。用水作为淬火剂进行急剧冷却淬火，在轧辊表面形成一定厚度的马氏体组织和过渡组织，即形成一定厚度的淬硬层。因利用双频淬火，两个感应圈的频率不同，其感应热的透入深度也不同，因而经双频淬火后的淬硬层有较缓和的过渡区和均匀的残余应力分布。由于电磁感应圈的功率设定模型在轧辊表面淬火时尤为重要，它对保证淬火轧辊辊端不开裂和控制软带长度起着至关重要的作用，因此，有必要根据国内轧辊使用情况，研制出一种新型轧辊双频自动淬火方法，以保证轧辊淬火加工的质量。另外，双频淬火电源中的工频电源由特殊的感应调压变压器、平衡电抗器和特殊电压等级的电容器及可调电感器组成，设备费用高；中频电源容量大，起振频繁，控制技术复杂，如果能使这些淬火电源得到充分利用，则可以在提高产量的同时降低设备投资成本，所以有必要研究一拖二的技术，以实现一套双频淬火电源为两台淬火机床提供淬火加热电源的功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：目的之一，为了保证淬火轧辊辊端不开裂和控制软带长度，提供一种对冷轧辊进行多级功率进(退)自动淬火的双频淬火方法和系统，以保证轧辊淬火加工的质量。目的之二，为了实现一套双频淬火电源为两台淬火机床提供加热电源的功能，提供一种从硬件和软件上进行新的设计，以便利用同一套双频淬火电源在为1号机床的轧辊淬火后的续冷时间内对2号机床的的轧辊进行加热淬火，从而在提高产量的同时降低设备投资成本。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的全数字控制“一拖二”轧辊双频自动淬火方法，是利用一套双频淬火电源为两台双频淬火机床供电进行自动淬火方法，具体是：先将预热后的冷轧辊安装在第一台淬火机床上，并且按照工艺要求边旋转、边下降，使冷轧辊的辊面通过该淬火机床的工频和中频感应线圈进行感应加热，并以冷轧辊的上、下端面通过50Hz感应线圈上边缘为基点，分为多级进行功率自动升降控制，逐级提升或减少各个感应线圈的加热功率，使冷轧辊的上、下端面淬火后具有保证工艺设定的软带宽度；而软带宽度外的辊面则采用恒温加热控制，使冷轧辊的辊面达到工艺设定的淬硬层深度和硬度；同时，利用该冷轧辊淬火后需要较长的续冷时间的期间，再通过电源转换开关将双频淬火电源提供给第二台淬火机床使用。
本发明提供的全数字控制“一拖二”轧辊双频自动淬火系统，包括控制装置、一套双频感应加热电源及两台具有相同结构的机床本体。控制装置由上位工业控制计算机、PLC可编程控制器、交流伺服装置、带串口通讯的数字检测仪表组成，这些部件之间以控制总线相连；两台机床本体均设有淬火机构和用于安装轧辊的活动框架，该活动框架沿机架的前立柱内侧的导轨上、下移动，使轧辊穿过双频感应加热装置和喷水冷却装置时进行淬火加工；设有大电流切换装置，该装置将双频感应加热电源交替给两台淬火机构使用，两台淬火机构的传动控制和温度测量均是独立的，淬火过程由控制装置实施全数字测量、纪录、显示和控制；淬火测温机构设有排雾装置，该装置装在位于喷水环机座的红外线测温仪上。
本发明与现有技术相比，具有以下的主要优点：
其一.可自动进行淬火加工：为了保证轧辊的热处理时的淬火质量，将工艺人员长期积累总结的工艺参数(如表1-4所示)，用数据库的形式存储在工控机中，操作人员只需根据加工轧辊的类型调用相关数据下载到PLC中，即可进行自动淬火加工。
其二.容易操作：数据库采用开放结构，能够随时对工艺参数进行完善和增添，整个人机界面采用全中文说明，这样可使不会计算机的操作者也很容易操作；
其三.便于分析和改进加工工艺：采用工控机和PLC为核心的全数字控制系统，保证了加工指令和过程数据自动管理和存储及逻辑控制准确。同时采用了多种智能仪表对轧辊加热过程参数进行检测，并将检测数据上传到工控机进行存储和显示，从而便于工艺人员对轧辊质量进行分析和改进加工工艺，以保证批量加工轧辊的质量。
其四.提供的系统可以提高设备使用效率和降低生产产品成本：为了实现一拖二双频淬火加工，从硬件上设计了气动式大电流、高频率的电源转换开关，软件上设计了完善的PLC逻辑控制程序和相关数据库及中文显示界面，操作台上设计了相关操作旋钮和控制按键，保证了转换简便，稳定可靠，一拖二的系统结构提高了设备使用效率，降低了生产产品成本。
其五.提供的系统能够实现“一拖二”的淬火功能：利用同一套双频淬火电源在为1号机床的轧辊淬火后的续冷时间内，对2号机床的的轧辊进行加热淬火。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是图1的左视图。
图3是图1中楔形块23和圆弧形球面挂具24的放大示意图。
图4是图3的左视图。
图5是专用夹具10的放大示意图。
图6是图1中A-A向结构示意图。
图7是大电流切换装置的结构示意图。
图8是是图7的B-B向剖视图。
图9是本发明专利的控制装置方框图。
图中：1.快速电机；2.一级减速机构；3.二级减速机构；4.立柱横梁；5.电磁离合器；6.慢速电机；7.传动系统润滑机构；8.轧辊旋转机构；9.上横梁；10.专用夹具；11.轧辊；12.连接拉杆；13.传动丝杆副；14.定向导轨；15.弹性顶尖；16.中横梁；17.下横梁；18.锁紧块；19.定位销；20.喷水环机座；21.红外线测温仪；22.活动单轨葫芦吊；23.楔形块；24.圆弧形球面挂具；25.前立柱；26.电磁抱闸；27.工频感应圈；28.中频感应圈；29.水井；30.中间立柱；31.后立柱；32.吊具；33.钢网防护罩；34.红外线测温仪；35.触点锁紧机构；36.气缸；37.开关活动刀闸；38.开关输出线板；39.开关输入线板；40.开关输出线板；41.开关活动刀闸；42.刀闸固定板；43.上固定板；44.支撑柱；45.下固定板；46.工频淬火变压器；47.中频淬火变压器；48.喷水环；49.圆弧边；50.圆弧边。
具体实施方式
本发明提供的全数字控制“一拖二”轧辊双频自动淬火方法和系统是一种用于冷轧辊进行六级功率进(退)自动淬火的双频淬火方法和系统，能够保证轧辊生成合理的软带区，并使淬火后的辊面淬硬层达到设计要求。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一.全数字控制“一拖二”轧辊双频自动淬火方法
利用一套双频淬火电源为两台双频淬火机床供电进行自动淬火方法，具体是：先将预热后的冷轧辊安装在第一台淬火机床上，并且按照工艺要求边旋转、边下降，使冷轧辊的辊面通过该淬火机床的工频和中频感应线圈进行感应加热，并以冷轧辊的上、下端面通过50HZ感应线圈上边缘为基点，分为多级进行功率自动升降控制，逐级提升或减少各个感应线圈的加热功率，使冷轧辊的上、下端面淬火后具有保证工艺设定的软带宽度；而软带宽度外的辊面则采用恒温加热控制，使冷轧辊的辊面达到工艺设定的淬硬层深度和硬度；同时，利用该冷轧辊淬火后需要较长的续冷时间的期间，再通过电源转换开关将双频淬火电源提供给第二台淬火机床使用。
全数字控制“一拖二”轧辊双频自动淬火采用包括以下步骤的方法：
准备工作：先将预热后的冷轧辊上夹具，并配合吊车将轧辊准确地安装在第一台淬火机床的活动框架上，启动快速电机，使活动框架带着轧辊下降，直到轧辊将中横梁16上的弹簧顶针15压缩到位后停止；用专用工具将中横梁与光杆锁紧，使轧辊上下两端都固定在活动框架上，松开中横梁与机架之间的固定插销，使中横梁可随活动框架一起移动；再启动快速电机，使冷轧辊下降到该轧辊下倒角与50Hz感应线圈上部平齐位置停止，此为轧辊加热工艺中的正行程“零点”；由操作人员将触摸屏上的行程数据“清零”，并根据工艺要求，通过工控机显示屏上的中文控制界面设置好冷轧辊的旋转速度、慢速进给电机的下降速度及续冷时间，选择相应的六级功率升降数据下载给下位PLC控制器，启动冷却水泵，并使该轧辊旋转，关好铁网门，使第一台淬火机床具备送电的相应条件；
双频感应加热：工频感应加热由感应调压器的输出电压控制功率大小，采用直流电机驱动感应调压器的旋转角度，实现300V～800V之间无级调压控制来实现功率调节，中频感应功率通过PLC可编程控制器的模拟量输出控制实现中频功率调节。当旋钮扳到“自动淬火”档时，冷轧辊开始按规定的速度下降，控制装置根据工艺要求对通过频率为50Hz的第一感应线圈的冷轧辊进行加热控制，当该轧辊下降到工艺要求规定的工频平衡温度加热行程前，第一感应线圈进入逐级提升功率状态，当该轧辊行程达到平衡温度加热行程时，第一感应线圈进入恒温加热状态；同理，当该轧辊行程到工艺要求规定的中频平衡温度加热行程前，频率为250Hz的第二感应线圈进入逐级提升功率状态，当该轧辊行程到工艺要求规定的中频平衡温度加热行程时，第二感应线圈进入恒温加热状态；
恒温加热闭环控制：在平衡温度加热状态，通过红外测温仪测温数据及时修正加热功率，达到恒温加热闭环控制；
淬火：当冷轧辊行程到工艺要求规定的淬火位置时，喷水环开始喷水，该轧辊进入淬火状态；
双频感应功率递减加热：当冷轧辊下降到轧辊上倒角与第一感应线圈上部平齐时，控制装置根据工艺要求对该冷轧辊加热进行逐级功率升降控制，直至该冷轧辊下降到续冷水井中停止加热，但保持旋转运行；续冷时间根据轧辊的材质和尺寸而不同，一般超过50分钟；
续冷：续冷期间淬火喷水环继续喷水，到续冷时间后，淬火喷水环停止喷水，冷轧辊停止旋转；
至此本次冷轧辊自动淬火结束。
在上述准备的工作过程中，上位工控机中事先在数据库中存储有六级功率进或退的自动淬火参数，操作人员通过中文人机界面进行选择和修改，确认后下载到下位PLC可编程控制器中执行，淬火过程中的各种实际测量参数通过数字仪表上传到上位工控机中存储和显示，便于工艺人员对冷轧辊质量进行分析和改进。
冷轧辊的旋转速度采用变频器进行转速控制，慢速下降速度采用交流伺服电机进行控制，轧辊行程采用光电编码器进行检测。
二.全数字控制“一拖二”轧辊双频自动淬火系统
该系统由两台双频淬火机床本体(分别命名为1号淬火机床、2号淬火机床)和一套双频淬火电源及控制装置组成，双频淬火电源是指工频、中频淬火电源。两台双频淬火机床的结构相同，它们独立存在，均装在地基上，为了便于看图，图1只画了一台双频淬火机床。
该系统的结构如图1至图9所示：每台双频淬火机床均具有由机架、活动框架、机械传动装置、双频感应加热装置、淬火喷水装置构成的机床本体。两台机床共用一套双频感应加热电源和淬火水循环装置，并由全数字控制装置进行控制。其中：所述控制装置由其上位工业控制计算机、PLC可编程控制器、交流伺服装置、带串口通讯的数字检测仪表组成，这些部件之间以控制总线相连。轧辊11采用专用夹具10固定在活动框架上，活动框架沿机架的前立柱25内侧的导轨上、下移动，使活动框架内的轧辊11通过双频感应加热装置进行加热；再通过喷水环48进行淬火，并在喷水环下的水井29内进行续冷。通过大电流切换装置，将一套双频淬火电源分别提供给1号或2号淬火机床使用，由所述控制装置对两台双频淬火机床的淬火过程实施全数字测量、纪录、显示和控制。在喷水环机座20上装有红外测温仪21和红外测温仪34，两台红外测温仪上面均装有淬火时用的排雾风管。
双频感应加热主要通过50Hz工频感应圈27和位于其下方的250Hz中频感应圈28实现的。所述双频感应加热装置，其由工频感应加热装置和中频感应加热装置构成，它们分别安装在工频淬火变压器46和中频淬火变压器47的次边。其中：由50Hz淬火电源、大电流切换装置，工频淬火变压器46和工频感应圈27组成工频感应加热装置，由250Hz淬火电源、大电流切换装置，中频淬火变压器47和中频感应圈28组成中频感应加热装置；50Hz淬火电源由感应调压器和相应的电容、电感线路组成，采用PLC可编程控制器控制感应调压器上的电机，改变感应调压器的旋转角度，可以实现输出电压300V～800V无级可调，达到控制工频感应功率调节；250Hz淬火电源由中频电源和相应的电容、电感线路组成，通过PLC可编程控制器的模拟量输出控制中频电源输出电压的高低，实现中频功率调节。
所述机架为龙门钢架结构，其由立柱横梁4、前立柱25、中间立柱30和后立柱31焊接而成，各立柱为方钢管，各立柱之间的连接部分为矩形钢管。在前立柱25的一侧装有活动单轨葫芦吊22。
所述机械传动装置由快速电机1、慢速电机6、一级减速机构2、二级减速机构3、电磁离合器5，传动丝杆副13和定向导轨14及电磁抱闸26等组成。其中，快速电机1、电磁离合器5，慢速电机6、一级减速机构2、二级减速机构3、传动丝杆副13上端和电磁抱闸26安装在立柱横梁4上。传动丝杆副13为T型双头螺纹结构。慢速电机6为交流伺服电机。
所述的活动框架，其由传动丝杆副13带动上下运行，该活动框架由上横梁9、中横梁16、下横梁17和两根连接拉杆12及相关附件组成。上横梁9装有传动系统润滑机构7、轧辊旋转机构8、传动丝杆副13和圆弧形球面挂具24。中横梁16上装有使轧辊11下端定位的弹性顶尖座15；中横梁16与喷水环机座20间的定位销19，中横梁16与活动框架连接拉杆12之间是否锁紧，由锁紧块18确定；中横梁16能在两根连接拉杆12上移动，用来调节安装轧辊的长短，并用锁紧块18来固定中横梁16在连接拉杆12上的位置。用吊具32先将需要淬火的轧辊11通过专用夹具10装在上横梁9下方的圆弧形球面挂具24上，然后下降轧辊使其下端的中心孔将弹性顶尖15压下50mm停止运行，再将中横梁16与连接拉杆12锁紧，并抽出与喷水环机座20之间的定位销19，固定了轧辊的活动框架就能再向下运行了。
所述的轧辊11通过专用夹具10安装在活动框架上的圆弧形球面挂具24上，该挂具下端为凸圆弧结构，具有圆弧边49。专用夹具10与圆弧形球面挂具24的结合面为凹圆弧面结构，该夹具具有圆弧边50，配合面为锥圆弧球面结合，在轧辊11自重和轧辊下端弹性顶尖15的作用下，轧辊旋转时具有自动定心功能；圆弧形球面挂具24与上横梁9通过连接芯轴上的正、反向旋转螺纹互锁固定，并将连接芯轴传递的旋转力矩由楔形块23传递给轧辊11。
所述的排雾装置，其压缩空气的进气管与红外线测温仪冷却套的进风管头相连接，为红外线测温仪21、和红外线测温仪34提供冷却用的压缩空气，将排气管的管口对准测温点，用来吹开测温点周围因淬火产生的水雾。
本系统采用的一套双频感应加热电源，为现有技术，其由感应调压器和相应的电容、电感线路组成工频50Hz淬火电源，采用PLC可编程控制器控制感应调压器上的电机，改变感应调压器的旋转角度，可以实现输出电压300V～800V无级可调，达到控制工频淬火功率调节，由中频电源和相应的电容、电感线路组成中频250Hz淬火电源，通过PLC可编程控制器的模拟量输出控制中频电源输出电压的高低，实现中频淬火功率调节。
本系统采用的控制装置，其结构如图9所示：TCH1和TCH3为工频淬火变压器46。50Hz工频淬火电源采用的是三相感应调压变压器，通过一台0.25KW的直流电机和减速机拖动该变压器的调压机构，使该变压器的输出电压从300～800V之间无级平滑调节，通过工频三相平衡电路和单相谐振电路，为工频淬火变压器46提供工频电源。工频淬火变压器46的次边连接加热轧辊的工频感应圈27(50Hz)。TCH2和TCH4为中频淬火变压器47，250Hz中频淬火电源采用的是晶闸管并联谐振中频电源，通过PLC的模拟量(4～20mA)可以控制中频电源输出功率的大小，为中频淬火变压器47提供中频电源。中频淬火变压器47的次边连接加热轧辊的中频感应圈28(250Hz)。
图9中的转换开关K1-K4，均采用大电流切换装置，实现电源的相互切换，即分别向两台淬火机床提供感应加热所用的工频、中频淬火电源。
大电流切换装置的结构如图7和图8所示：主要由4个气缸36、四套触点锁紧机构35、开关活动刀闸37、开关活动刀闸41、两对开关输出线板和一对开关输入线板39部件组成，其连接关系是：汽缸36安装在固定板43上。刀闸固定板42采用绝缘材料制作，与气缸36的连杆相连接。开关活动刀闸37和开关活动刀闸41安装在刀闸固定板42上。在下固定板45上，装有开关输入线板39、触点锁紧机构35、开关输出线板38和开关输出线板40。上固定板43和下固定板45均采用绝缘材料板制作，之间由四个不锈钢材料的支撑柱44连接固定。
大电流切换装置的工作原理为：由电磁气动阀控制汽缸36，带动开关活动刀闸37(或开关活动刀闸41)提升(或压下)，当开关活动刀闸37压下，开关活动刀闸41提升时，开关输入线板39与开关输出线板38连通，电源由开关输入线板39输入，通过开关活动刀闸37向开关输出线板38端输出。反之，开关活动刀闸37提升，开关活动刀闸41压下时，开关输入线板39与开关输出线板40连通，电源由开关输入线板39输入，通过开关活动刀闸37向开关输出线板40端输出。为了防止气压不稳会影响触点接触，增加了触点锁紧机构35，该触点锁紧机构用弹簧的拉力来保证开关活动刀闸的位置不变，从而保证在气压波动时开关活动刀闸能正常工作。
本发明淬火水循环系统由蓄水池、抽水泵、输水管道和控制阀门、喷水圈、续冷水井和汇流水道组成。水泵将蓄水池中的水抽起，通过输水管道和控制阀门供给需要淬火的喷水圈对加热轧辊进行冷却，淬火后的冷却水进入续冷水井，到达一定水位后经汇流水道返回到蓄水池中，进行循环使用。
下面结合附图叙述本系统的工作过程。
先将需淬火轧辊11的端头装入专用夹具10中，用吊具32将专用夹具10和轧辊11一起吊起来，装入固定在活动框架上横梁9下的圆弧形球面挂具24上，轧辊11上端的专用夹具10利用轧辊11自重自动在圆弧形球面挂具24上定位，并由圆弧形球面挂具24上的楔形块23和结合面间的磨擦力传递轧辊11旋转力矩。打开电磁抱闸26，启动快速电机1，通过一级减速机构2、二级减速机构3和两个传动丝杠副13传动，使活动框架的上横梁9、下横梁17、连接拉杆12和轧辊11沿着前立柱25内侧的两条定向导轨14快速下降。当轧辊11下端的中心孔与中横梁16上的弹性顶尖15对齐，并下降压缩达到设定的预紧力时，限位光电开关动作，PLC切断快速电机1和电磁抱闸26的电源，轧辊下降停止。
然后，通过锁紧块18将中横梁16锁紧在活动框架的连接拉杆12上，使轧辊11固定在上横梁9与中横梁16中间，并能无摆动旋转，再将中横梁16与喷水环机座20间的定位销19从定位销孔中拉出，启动快速速电机1将轧辊下降到轧辊11的下倒角与工频感应圈27上部平齐。并使轧辊11旋转，关好铁网门；再将触摸屏上的行程“清零”，由操作人员根据工艺要求，在人机控制界面上，设置好冷轧辊的旋转速度、升降速度及续冷时间；若用“自动淬火”模式时，还要选择相应的六级功率升降数据下载给下位PLC控制器；启动冷却水泵，使双频淬火机床具备送电的相应条件后，可以开始淬火加工。
淬火过程中，由慢速电机6通过电磁离合器5带动轧辊11均速通过工频感应圈27、中频感应圈28和喷水环48，由红外线测温仪21和红外线测温仪34分别监视工频和中频感应圈内的轧辊加热温度，将用于测温仪冷却的压缩气体出气管对准测温点，可以直接吹开测温点周围由于淬火产生的水雾，提高测温精度。
淬火后的轧辊11在地坑水井29中续冷达到一定的时间后，喷水环48停止喷水，关闭工件旋转电机并启动快速电机1上升，活动框架带动轧辊11上升，当中横梁的定位销19到达销孔位置时，接近开关动作，快速电机1停止上升，先将中横梁16的定位销19插入喷水环机座20的定位销孔中，再松开中横梁16与连接拉杆12间的锁紧块18，快速电机1方能继续启动上升，轧辊11离开中横梁16，随活动框架的上横梁9上升到初始轧辊安装位置时，上限位开关动作，快速上升电机1停止。用吊具32将专用夹具10和轧辊11吊离淬火机床即完成一次淬火过程循环。
本发明实现“一拖二”的工作过程参考图9说明如下：
在一台机床(1号机床)进行淬火时，另一台机床(2号机床)可做好淬火前的准备工作。当1号淬火机床淬火完后且轧辊处于地下水槽续冷时，通过大电流切换装置K1～K4，为2号淬火机床提供淬火加热电源，即通过大电流切换装置共用一套双频淬火电源对两台淬火机床的机架上的两个轧辊分别进行淬火加工。
如果选择1号淬火机床进行轧辊淬火加工，PLC根据操作台上的选择旋钮控制指令，驱动汽缸36使转换开关K1、K2闭合，K3、K4断开，50HZ感应电源通过K1传递给工频淬火变压器TCH1，TCH1的次边接工频感应圈27；250HZ感应电源通过K2传递给中频淬火变压器TCH2，TCH2的次边接中频感应圈28，轧辊11慢速下降，通过工频感应圈27、中频感应圈28时被加热到工艺要求的温度，然后通过喷水环48进行淬火处理；轧辊在1号淬火机床上淬火完毕后，进入续冷阶段。这时，如果选择2号淬火机床进行轧辊淬火加工，由PLC控制汽缸36动作，使转换开关K1、K2断开，K3、K4闭合，同上所叙，工频与中频感应加热电源分别为工频淬火变压器TCH3和中频淬火变压器TCH4提供能量，2号淬火机床上的轧辊可以进行淬火加工。两套机床的电气传动控制是独立的，轧辊的吊装和加工互不干涉。
轧辊11的行程由安装在二级减速机构3上的光电编码器进行检测，通过PLC的高速器将脉冲信号转换成轧辊移动的行程数据显示在触摸屏和电脑显示屏上，操作人员可以根据轧辊行程，手动控制轧辊加热功率，也能选择“自动淬火”模式，由PLC根据从上位工控机工艺数据库中下载的工艺参数，控制工频和中频电源分别输出不同的功率，实现自动感应加热和淬火。
本发明的自动淬火过程是：参见图9和图10，开始时，由淬火工及相关人员给双频淬火机床送电，启动水路各水泵。冷轧辊已装夹完毕，冷轧辊手动快速下降到轧辊下端点与50Hz上端面平齐的位置停止，此处定位为“正行程”的“起始”点，淬火工将触摸屏上的行程数据清零，设置好旋转速度、升降速度及续冷时间。点击“自动淬火”，选择工艺参数下载到PLC的DB数据块中，将控制旋钮扳向“自动淬火”，PLC开始根据工艺单(例如表1至表4)的要求对冷轧辊加热进行自动控制，正行程进行增功率控制，当行程到189mm位置，第一感应器进入平衡状态；当行程到391mm位置，第二感应器进入平衡状态。在平衡状态，根据工艺单要求轧辊表面温度稳定在890℃，通过红外测温仪测温数据及时修正淬火功率，达到平衡阶段温度闭环控制。正行程到440mm的位置，淬火环开始喷水；当冷轧辊上端点与50Hz上端面平齐的位置此处定义为“倒行程”的“零点”，根据工艺单的要求对冷轧辊加热的两个感应圈分别进行自动功率增减控制，当行程到150mm位置，50Hz淬火电源功率降为200KW，在180mm位置关闭50Hz淬火电源；当行程到220位置，250Hz淬火电源功率降为50KW，在250mm位置关闭250Hz淬火电源。行程到430mm的位置，下降停止，但旋转正常运行。续冷时间开始计时，到续冷时间后，淬火环停止喷水，停止旋转。本次自动淬火结束。
本发明的自动淬火过程可实现功率和温度自动闭环控制，轧辊淬火过程曲线和参数由数字仪表自动上传给工控机，能够存储和数据库管理，便于工艺人员查询和进行质量追溯管理，大大提高了设备的自动化水平。
本发明提供的全数字一拖二双频自动淬火的控制装置，如图9所示：由采用全数字控制的上位工业控制计算机(简称工控机)，以及通过数据线与工控机相连的PLC可编程控制器、交流伺服系统、变频器和各种数字化智能仪表组成。工控机可采用台湾研华公司的产品，其配有西门子4511通讯板和232/485通讯接口模块，可以实现与西门子S7-300PLC装置和智能数字仪表的通讯。本控制装置采用全中文人机界面，操作方便，由于冷轧辊进行六级功率进(退)自动淬火的工艺参数可以事先都存储在工控机的数据库中，操作时由现场操作人员选择确认后下传给PLC可编程控制器执行就可以了。该人机界面可采用杰控公司生产的组态软件进行开发和设计，能够存储各种轧辊进行六级功率进(退)自动淬火的工艺参数和采集纪录每根加工轧辊的过程技术参数，实时显示加工过程中的参数变化曲线，打印加工报表，查询历史记录和显示历史曲线。
所述控制装置采用分站结构，每台淬火机床都安装ET200分站控制模块，大大减少了控制电缆的布线数量；操作台上安装有工控机和液晶显示器及西门子公司的S7-300PLC的CPU控制模块和触摸屏，控制台上的各种控制旋钮与PLC的输入模块连接，信号灯与输出模块连接，能够进行控制和显示，控制台上的各种测量数字仪表，通过串口通讯电缆与工控机相连接，可实时纪录和显示各种测量仪表数据，与CPU相连接的触摸屏能进行轧辊多种运行参数显示和行程参数“清零”控制，并能将故障报警用中文显示。
附表
表1 Φ380×＊×＊冷轧辊双频淬火工艺表
表2 Φ420×*×*冷轧辊双频淬火工艺表
表3 Φ470×*×*冷轧辊双频淬火工艺表
表4 Φ610×*×*冷轧辊双频淬火工艺表
注*：平衡温度是测量仪表在感应圈下端面半圆孔处测量的稳态温度。
注**：初始出口温度是轧辊下端面通过感应圈下端面半圆孔处测量的温度。
Claims (10)
1.全数字控制“一拖二”轧辊双频自动淬火方法，其特征是利用一套双频淬火电源为两台双频淬火机床供电进行自动淬火方法，具体是：先将预热后的冷轧辊安装在第一台淬火机床上，并且按照工艺要求边旋转、边下降，使冷轧辊的辊面通过该淬火机床的工频和中频感应线圈进行感应加热，并以冷轧辊的上、下端面通过50Hz感应线圈上边缘为基点，分为多级进行功率自动升降控制，逐级提升或减少各个感应线圈的加热功率，使冷轧辊的上、下端面淬火后具有保证工艺设定的软带宽度；而软带宽度外的辊面则采用恒温加热控制，使冷轧辊的辊面达到工艺设定的淬硬层深度和硬度；同时，利用该冷轧辊淬火后需要较长的续冷时间的期间，再通过电源转换开关将双频淬火电源提供给第二台淬火机床使用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是采用包括以下步骤的方法：
准备工作：先将预热后的冷轧辊装上夹具，并配合吊车将轧辊准确地安装在第一台淬火机床的活动框架上，启动快速电机，使活动框架带着轧辊下降，直到轧辊将中横梁(16)上的弹簧顶针(15)压缩到位后停止；用专用工具将中横梁与光杆锁紧，使轧辊上下两端都固定在活动框架上，松开中横梁与机架之间的固定插销，使中横梁可随活动框架一起移动；再启动快速电机，使冷轧辊下降到该轧辊下倒角与50Hz感应线圈上部平齐位置停止，此为轧辊加热工艺中的正行程“零点”；由操作人员将触摸屏上的行程数据“清零”，并根据工艺要求，通过工控机显示屏上的中文控制界面设置好冷轧辊的旋转速度、慢速进给电机的下降速度及续冷时间，选择相应的六级功率升降数据下载给下位PLC控制器，启动冷却水泵，并使该轧辊旋转，关好铁网防护门，使第一台淬火机床具备送电的相应条件；
双频感应加热：工频感应加热由感应调压器的输出电压控制功率大小，采用直流电机驱动感应调压器的旋转角度，实现300V～800V之间无级调压控制来实现功率调节，中频感应功率通过PLC可编程控制器的模拟量输出控制实现中频功率调节。当旋钮扳到“自动淬火”档时，冷轧辊开始按规定的速度下降，控制装置根据工艺要求对通过频率为50Hz的第一感应线圈的冷轧辊进行加热控制，当该轧辊下降到工艺要求规定的工频平衡温度加热行程前，第一感应线圈进入逐级提升功率状态，当该轧辊行程达到平衡温度加热行程时，第一感应线圈进入恒温加热状态；同理，当该轧辊行程到工艺要求规定的中频平衡温度加热行程前，频率为250Hz的第二感应线圈进入逐级提升功率状态，当该轧辊行程到工艺要求规定的中频平衡温度加热行程时，第二感应线圈进入恒温加热状态；
恒温加热闭环控制：在平衡温度加热状态，通过红外测温仪测温数据及时修正加热功率，达到恒温加热闭环控制；
淬火：当冷轧辊行程到工艺要求规定的淬火位置时，喷水环开始喷水，该轧辊进入淬火状态；
双频感应功率递减加热：当冷轧辊下降到轧辊上倒角与第一感应线圈上部平齐时，控制装置根据工艺要求对该冷轧辊加热进行逐级功率升降控制，直至该冷轧辊下降到续冷水井中停止加热，但保持轧辊旋转运行；续冷时间根据轧辊的材质和尺寸而不同，一般超过50分钟；
续冷：续冷期间淬火喷水环继续喷水，到续冷时间后，淬火喷水环停止喷水，冷轧辊停止旋转；
至此本次冷轧辊自动淬火结束。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是上位工控机中事先在数据库中存储有六级功率进或退的自动淬火参数，操作人员通过中文人机界面进行选择和修改，确认后下载到下位PLC可编程控制器中执行，淬火过程中的各种实际测量参数通过数字仪表上传到上位工控机中存储和显示，便于工艺人员对冷轧辊质量进行分析和改进。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是冷轧辊的旋转速度采用变频器进行转速控制，慢速下降速度采用交流伺服电机进行控制，轧辊行程采用光电编码器进行检测。
5.全数字控制“一拖二”轧辊双频自动淬火系统，包括控制装置、一套双频感应加热电源及两台具有相同结构的机床本体，其特征是控制装置由上位工业控制计算机、PLC可编程控制器、交流伺服装置、带串口通讯的数字检测仪表组成，这些部件之间以控制总线相连；两台机床本体均设有淬火机构和用于安装轧辊(11)的活动框架，该活动框架沿机架的前立柱(25)内侧的导轨上、下移动，使轧辊穿过双频感应加热装置和喷水冷却装置时进行淬火加工；设有大电流切换装置，该装置将双频感应加热电源交替给两台淬火机构使用，两台淬火机构的传动控制和温度测量均是独立的，淬火过程由控制装置实施全数字测量、纪录、显示和控制；淬火机构设有排雾装置，该装置装在位于喷水环机座(20)的红外线测温仪上。
6.根据权利要求5所述的淬火系统，其特征是：轧辊(11)的上端通过专用夹具(10)和圆弧形球面挂具(24)安装在活动框架的上横梁(9)上，下端由活动框架的中横梁(16)上的弹性顶尖(15)定心；所述挂具的下端为凸圆弧结构；所述夹具和挂具的结合面为凹圆弧面结构，配合面为锥圆弧球面结合；所述挂具与上横梁(9)通过连接芯轴上的正、反向旋转螺纹互锁固定。
7.根据权利要求5或6所述的淬火系统，其特征是：所述的活动框架由传动丝杆副(13)带动上下运行，该活动框架由上横梁(9)、中横梁(16)、下横梁(17)和两根连接拉杆(12)及相关附件组成，其中，上横梁(9)安装传动丝杆副(13)，中横梁(16)在两根连接拉杆(12)上移动，并用锁紧块(18)来固定中横梁(16)在连接拉杆(12)上的位置。
8.根据权利要求5所述的淬火系统，其特征是：所述的传动丝杆副(13)为T型双头螺纹结构。
9.根据权利要求5所述的淬火系统，其特征是所述的大电流切换装置主要由装在上固定板(43)上的四个气缸，装在下固定板(45)上的一对开关输入线板、四套触点锁紧机构和两对开关输出线板，以及装在刀闸固定板(42)上的两对开关活动刀闸组成；刀闸固定板(42)采用绝缘材料制作，其与汽缸的连杆相连接；所述上、下固定板均采用绝缘材料板制作，之间由四个不锈钢材料的支撑柱(44)连接固定。
10.根据权利要求5所述的淬火系统，其特征是所述机床本体，其机架为龙门钢架结构，该机架由立柱横梁(4)、前立柱(25)、中间立柱(30)和后立柱(31)组成，各立柱为方钢管，各立柱之间的连接部分为矩形钢管；在前立柱(25)的一侧装有活动单轨葫芦吊(22)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101208 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |