CN101780477B - 立式轧环过程在线测量控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种立式轧环过程在线测量控制方法及装置。立式轧环过程在线测量控制方法，其特征在于它包括如下步骤：1)将立式轧环机的测量辊机构的测量辊设置在第一弹性随动装置上，并安装第一位移测量传感器，测量测量辊的位移量；在立式轧环机的辗压轮机构的滑块上安装第二位移测量传感器，测量辗压轮的位移量；2)在环件毛坯轧制时，将实时测量的辗压轮的位移量和测量辊的位移量采集到可编程控制器中，并代入公式进行计算可得到环件毛坯的实时外径值，当环件毛坯的实时外径值达到环件尺寸要求时，可编程控制器控制辗压轮停止进给并返回。本发明可实现在线测量控制环件毛坯的外径尺寸，具有节省人力、节约材料、零件成形精度高、后续机加工量小、废品率低等优点。

Description

立式轧环过程在线测量控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种立式轧环过程在线测量控制方法及装置，应用于立式轧环机上。

背景技术

立式轧环机是中小型环件轧制成形的常用设备，属于径向轧制，轧制原理如图1所示。

传统的立式轧环机工作前，需要一个标准环件来预先设置导向辊和测量辊的位置。工作时先将工件环坯(环件毛坯)套在芯辊上，芯辊不动，辗压轮在气缸压力的作用下移动，实现辗压进给，辗压轮同时由另一水平电机驱动旋转；在辗压轮和芯辊的作用下环件壁厚逐渐变薄，直径逐渐增大，当环件外径增大到与测量辊接触时，外径尺寸到位，辗压轮向上回程，取出环件，完成一次循环。热轧过程中，环件毛坯外径在短时间内急剧增大，且由于轧环机结构的局限性，很难实现轧环过程的实时在线测量环件毛坯的外径尺寸，因而也就无法实现在线控制。目前国内外在立式轧环过程测量控制上尚无有效的方案，国内有人提出利用气压或液压来带动滑块做直线进给运动，让导向辊随动，以保证轧制过程中环件毛坯的圆心始终沿着辗压轮和芯辊中心连线运动，但是在轧制过程中导向辊的导向力和导向辊的运动规程无法控制，因此很难让环件毛坯的中心始终不发生偏移，也很难实现在线测量环件毛坯的外径，达不到在线控制的目的，而且气压和液压的不稳定性很难保证在线控制的精度。因此现行的立式轧环机的生产完全靠人工目测来控制，即在轧制过程中，人工控制辗压轮下移，当观察到环件毛坯接触到测量辊时，由人工控制辗压轮返回，由于人工目测控制的不确定性因素很多，迫使工艺采取大公差、大留量的对策，造成锻件精度低、原材料消耗大的弊端。因此，开发新型测量与控制技术对传统立式轧环机更新改造很有意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立式轧环过程在线测量控制方法及装置，该方法及装置可实现在线测量控制环件毛坯的外径尺寸。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：立式轧环过程在线测量控制方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)将立式轧环机的测量辊机构的测量辊4设置在第一弹性随动装置1上，测量辊4随立式轧环过程中环件毛坯的移动而移动，在第一弹性随动装置1上安装第一位移测量传感器2，第一位移测量传感器2用于测量测量辊4的位移量；将立式轧环机的导向辊机构的导向辊13设置在第二弹性随动装置上，导向辊13随立式轧环过程中环件毛坯的移动而移动；在立式轧环机的辗压轮机构的滑块8上安装第二位移测量传感器11，第二位移测量传感器11用于测量立式轧环机的辗压轮机构的辗压轮6的位移量；

2)在环件毛坯5轧制时，将实时测量的辗压轮的位移量和测量辊的位移量采集到可编程控制器中，并代入下述公式(3)进行计算得到环件毛坯5的实时外径值，当环件毛坯5的实时外径值达到环件(即零件)尺寸要求时，可编程控制器控制辗压轮停止进给并返回；

R_外＝a+bX+cY+dX²+eY²+fXY                    (3)

其中R_外为环件毛坯5的实时外径值，X-测量辊位移值(单位为mm)，Y-辗压轮位移值(单位为mm)，a＝436～438；b＝0.4～0.5；c＝-0.2～-0.3；d＝0.00005～0.00008；e＝0.001～0.002；f＝0.0002～0.0004。

实现上述方法的立式轧环过程在线测量控制装置，其特征在于它包括位移传感器组、可编程控制器(PLC)、定位模块、伺服驱动器和控制系统；移传感器组由第一位移测量传感器2和第二位移测量传感器11组成，第一位移测量传感器2安装在立式轧环机的测量辊机构的第一弹性随动装置1上，第二位移测量传感器11安装在立式轧环机的辗压轮机构的滑块8上；第一位移测量传感器2、第二位移测量传感器11的输出均由数据线分别与可编程控制器的输入接口相连，可编程控制器与定位模块之间的通信联接，定位模块的输出端与伺服驱动器的控制端相连(定位模块控制伺服驱动器)；控制系统包括第一继电器KA1、第二继电器KA2、第三继电器KA3和第四继电器KA4；第一继电器KA1接在伺服驱动器的27针脚BK+上，接收来自伺服驱动器的指令信号，用于控制伺服制动器的闭合；第二继电器KA2、第三继电器KA3分别对应接在可编程控制器(PLC)的Y0、Y1点上，接收来自可编程控制器(PLC)的指令信号，第二继电器KA2和第三继电器KA3设置在立式轧环机的辗压轮机构的轧辊电机的电源输入线上(控制轧辊电机正反转，工作及停止)，第二继电器KA2和第三继电器KA3控制轧辊电机的启动；第四继电器KA4接在可编程控制器(PLC)的Y2点上，接收来自可编程控制器(PLC)的指令信号，第四继电器KA4设置在伺服电机15的电源输入线上(控制伺服电机旋转，工作及停止)，第四继电器KA4控制伺服电机的启动；第五继电器KA5为备用继电器，接在可编程控制器(PLC)的Y3点上。

所述的立式轧环机包括机架3、辗压轮机构、测量辊机构、导向辊机构、芯辊机构和卸料装置14，测量辊机构中心线与机床竖直中心线呈50-60°夹角，导向辊机构中心线与机床竖直中心线呈60-70°夹角，测量辊机构的测量辊4位于芯辊机构的芯辊12的左侧下方，导向辊机构的导向辊13位于芯辊机构的芯辊12的右侧，辗压轮机构的辗压轮6位于芯辊机构的芯辊12的正上方，卸料装置14的卸料板套在芯辊机构的芯辊12上。

所述的测量辊机构包括第一弹性随动装置1、测量辊4、第一推杆23、第一轴承26、第一轴27、第一支架28，测量辊4由第一轴承26固定在第一轴27上，第一轴27固定在第一支架28上，第一支架28固定在第一推杆23上，第一推杆23设置第一弹性随动装置1上。

所述的导向辊机构包括第二弹性随动装置、导向辊13、第二推杆、第二轴承、第二轴、第二支架，导向辊13由第二轴承固定在第二轴上，第二轴固定在第二支架上，第二支架固定在第二推杆上，第二推杆设置第二弹性随动装置上。

本发明的有益效果是：

1、采用辗压轮机构的滑块上安装有第二位移测量传感器，测量辊机构上安装有第一位移测量传感器，可以实时测量辗压轮和测量辊的位移量，通过公式换算得到环件毛坯的实时外径值，当外径值达到要求时，由通过可编程控制器控制辗压轮停止进给，执行返回动作，可实现在线测量控制环件毛坯的外径尺寸。具有节省人力、节约材料、零件成形精度高、后续机加工量小、废品率低等优点。

2、导向辊、测量辊机构设计成半随动(采用弹性随动装置)，即轧制前期可动，轧制后期锁紧，实现了导向辊在环件轧制前期对环件的抱紧力可调，且随着导向辊被环件外壁推后，环件的偏心量大大降低；轧制后期导向辊位置固定，可方便环件外径的实时换算。

3、辗压轮竖直方向进给运动由伺服电机通过减速机、滚珠丝杆副来控制，具有很高的精度。

4、辗压轮机构的轧制宽度可由调整垫片进行调节，实现了在轧制不同高度的环件时，只需更换调整垫片，无需重新加工一套辗压轮。

5、根据环件尺寸的要求，整个滑动座在底座内可调，当轧制大环时，可旋转螺杆带动滑动座往后移动，轧制小环时，可旋转螺杆带动滑动座往前移动。

附图说明

图1是环件径向轧制原理图；

图2是本发明的立式轧环件几何形状数学模型示意图；

图3是拟合公式和数学模型计算公式对比图；

图4是本发明的可在线测量控制的立式轧环机的结构示意图；

图5是图4中沿A-A向的剖视图；

图6是本发明的可在线测量控制的立式轧环机的测量辊机构的结构示意图；

图7是图6的俯视图；

图8是图6中沿B-B线的剖视图；

图9是本发明的可在线测量控制的立式轧环机的辗压轮机构的结构示意图；

图10是本发明的可在线测量控制的立式轧环机的芯辊机构的结构示意图；

图11是本发明的立式轧环过程在线测量控制装置的结构示意图；

图12是FX系列可编程控制器接线图；

图13是位移传感器接线图；

图14是FX系列定位模块接线图；

图15是伺服驱动器接线图；

图中：1-第一弹性随动装置，2-第一位移测量传感器，3-机架，4-测量辊，5-环件毛坯，6-辗压轮，7-左侧板，8-滑块，9-滚珠丝杆副，10-第一减速机，11-第二位移测量传感器，12-芯辊，13-导向辊，14-卸料装置，15-伺服电机，16-下支撑壳体，17-万向联轴器，18-第二减速机，19-螺栓，20-第一螺杆，21-第二螺杆，22-螺套，23-第一推杆，24-弹簧，25-第一固定插销，26-第一轴承，27-第一轴，28-第一支架，29-右板，30-滑动座，31-传感器固定轴，32-弹簧腔，33-第三轴承(第一调心滚子轴承)，34-底座，35-弹簧挡板，36-压盖，37-调整垫片，38-中间斜楔环，39-第四轴承，40-第五轴承，41-传动轴，42-芯辊拉杆，43-下支撑主轴，44-第六轴承(调心滚子轴承)，45-第七轴承(推力球轴承)，46-第八轴承(调心滚子轴承)。

具体实施方式

立式轧环过程在线测量控制方法，它包括如下步骤：

1)将立式轧环机的测量辊机构的测量辊4设置在第一弹性随动装置1上，测量辊4随立式轧环过程中环件毛坯的移动而移动，在第一弹性随动装置1上安装第一位移测量传感器2，第一位移测量传感器2用于测量测量辊4的位移量；将立式轧环机的导向辊机构的导向辊13设置在第二弹性随动装置上，导向辊13随立式轧环过程中环件毛坯的移动而移动；在立式轧环机的辗压轮机构的滑块8上安装第二位移测量传感器11，第二位移测量传感器11用于测量立式轧环机的辗压轮机构的辗压轮6的位移量；

2)在环件毛坯5轧制时，将实时测量的辗压轮的位移量和测量辊的位移量采集到可编程控制器中，并代入下述公式(3)进行计算可得到环件毛坯5的实时外径值，当环件毛坯5的实时外径值达到环件尺寸要求时，可编程控制器控制辗压轮停止进给并返回；

R_外＝a+bX+cY+dX²+eY²+fXY                    (3)

其中R_外为环件毛坯5的实时外径值，X-测量辊位移值(单位为mm)，Y-辗压轮位移值(单位为mm)，a＝436～438(是系数，无单位)；b＝0.4～0.5(是系数，无单位)；c＝-0.2～-0.3(是系数，无单位)；d＝0.00005～0.00008(是系数，无单位)；e＝0.001～0.002(是系数，无单位)；f＝0.0002～0.0004(是系数，无单位)。

如图11所示，实现上述方法的立式轧环过程在线测量控制装置，它包括位移传感器组、可编程控制器(PLC)、定位模块、伺服驱动器和控制系统；移传感器组由第一位移测量传感器2和第二位移测量传感器11组成，第一位移测量传感器2安装在立式轧环机的测量辊机构的第一弹性随动装置1上(第一位移测量传感器2的动尺固定在第一推杆23上，第一位移测量传感器2的定尺固定在第一弹性随动装置1的滑动座30上的传感器固定轴31)，第二位移测量传感器11安装在立式轧环机的辗压轮机构的滑块8上(第二位移测量传感器11的动尺固定在滑块8上，第二位移测量传感器11的定尺固定在机架3上)；第一位移测量传感器2、第二位移测量传感器11的输出均由数据线分别与可编程控制器的输入接口相连，可编程控制器与定位模块之间的通信联接，定位模块的输出端与伺服驱动器的控制端相连(定位模块控制伺服驱动器)；控制系统包括第一继电器KA1、第二继电器KA2、第三继电器KA3和第四继电器KA4；第一继电器KA1接在伺服驱动器的27针脚BK+上，接收来自伺服驱动器的指令信号，用于控制伺服制动器的闭合；第二继电器KA2、第三继电器KA3分别对应接在可编程控制器(PLC)的Y0、Y1点上，接收来自可编程控制器(PLC)的指令信号，第二继电器KA2和第三继电器KA3设置在立式轧环机的辗压轮机构的轧辊电机的电源输入线上(控制轧辊电机正反转，工作及停止)，第二继电器KA2和第三继电器KA3控制轧辊电机的启动；第四继电器KA4接在可编程控制器(PLC)的Y2点上，接收来自可编程控制器(PLC)的指令信号，第四继电器KA4设置在伺服电机15的电源输入线上(控制伺服电机旋转，工作及停止)，第四继电器KA4控制伺服电机的启动；第五继电器KA5为备用继电器，接在可编程控制器(PLC)的Y3点上。

图12是立式轧环过程在线测量控制装置中FX系列可编程控制器(PLC)接线图，表3是可编程控制器(PLC)控制输入输出点分配表。可编程控制器负责与定位模块的通信；D01和D02分别是外部直流24V电源的正负极；X0-X5接收位移传感器的输入信号，通过单位标定得到辗压轮和测量辊的实时位移；X10-X21是控制轧环机各机构动作的按钮；X27是伺服故障标志，可接受伺服驱动器故障信号；Y0-Y3是控制各电机的继电器动作的输出信号点；Y14-Y25是各机构动作指示灯输出信号点；Y26是中断信号输出点，当环件达到指定外径值时，由该点发出中断信号控制辗压轮停止进给。

表3：PLC控制输入输出点分配表

图13是位移传感器接线图，D01和D02分别是外部直流24V电源的正负极；将两把光栅尺的输入输出信号通过一个转接盒转换之后得到了PLC可接受的24V脉冲信号，利用PLC的高速计数器可对光栅尺的脉冲进行计数，从而得到辗压轮和测量辊的准确位移量(图13中的光栅尺1就是第一位移测量传感器，光栅尺2就是第二位移测量传感器，光栅尺就是一种位移测量传感器)。

图14是FX系列定位模块的接线图，表4是各输入输出点分配表。定位模块负责与PLC之间通信以及控制伺服驱动器；D01和D02分别是外部直流24V电源的正负极；DOG、LSF、LSR分别接收辗压轮导轨的限位开关信号，防止辗压轮运动超程；X3用来接收从PLC的Y26输出的中断信号，当环件尺寸达到要求时，终止辗压轮的进给运动；SVRD点接收伺服驱动器的伺服就绪信号；CLR点用来清除伺服驱动器的偏移脉冲，FP和RP点可向伺服驱动器发送正向和反向脉冲，用以控制辗压轮运动方向和运动速度；SVEND点用来接收来自伺服驱动器的定位完成信号；PGO点用来接收来自伺服驱动器的零点信号，当辗压轮返回至机械零点时，将定位模块中的位移寄存器清零。

表4：定位模块FX2N-10GM各输入输出点分配表

图15是伺服驱动器的接线图，表5是各输入输出点分配表。伺服驱动器的作用是接收来自PLC和定位模块的指令，并控制伺服电机的各种动作；D01和D02分别是外部直流24V电源的正负极；L1、L2、L3是220V交流电源接口；L1C和L2C是伺服驱动器控制电源接口；/PULS点和/SIGN点分别与定位模块的FP点和RP点连接，用来接收脉冲信号；/CLR用来接收定位模块的清零信号；+24VIN点连接一个外部直流电源；/SON和/ALM-RST用来接收由PLC发送得伺服ON信号和故障复位信号；PCO和/PCO与定位单元的PGO和COM4连接，向定位单元发送零点信号；COIN+点可向定位单元发送定位完成信号，为下一个动作做准备；BK+点用于控制伺服制动器的继电器KA1动作，当伺服驱动器失电时，可自动启动制动器，以保持辗压轮不因惯性或重力等因素移动；SRDY+与定位模块的SVRD相连，可向其发送伺服准备就绪信号，ALM+点与PLC的X27点相连，当伺服驱动器出现故障时，可向PLC发送报警信号。图15中的M3表示伺服电机，从伺服驱动器的PCO和/PCO输出零点信号给定位模块的PGO。

表5：伺服驱动器各输入输出点分配表

如图4、图5所示，可实现在线测量控制的立式轧环机，它包括机架3、辗压轮机构、测量辊机构、导向辊机构、芯辊机构和卸料装置14，测量辊机构中心线与机床竖直中心线呈50-60°夹角，导向辊机构中心线与机床竖直中心线呈60-70°夹角，测量辊机构的测量辊4位于芯辊机构的芯辊12的左侧下方(图4中的左边为左，右边为右)，导向辊机构的导向辊13位于芯辊机构的芯辊12的右侧，辗压轮机构的辗压轮6位于芯辊机构的芯辊12的正上方，卸料装置14的卸料板套在芯辊机构的芯辊12上。

如图6、图7、图8所示，所述的测量辊机构包括第一弹性随动装置1、测量辊4、第一推杆23、第一固定插销25、第一轴承26、第一轴27、第一支架28，测量辊4由第一轴承26固定在第一轴27上(如图6所示，本实施例采用2个第一轴承)，第一轴27固定在第一支架28上(由第一固定插销25固定)，第一支架28固定(通过螺纹连接)在第一推杆23上，第一推杆23设置第一弹性随动装置1上，第一弹性随动装置1上安装有第一位移测量传感器2[第一位移测量传感器2的动尺固定在第一推杆23上，第一位移测量传感器2的定尺固定在第一弹性随动装置1的滑动座30上的传感器固定轴31(传感器固定轴31固定在滑动座30上)]；

所述的导向辊机构包括第二弹性随动装置、导向辊13、第二推杆、第二固定插销、第二轴承、第二轴、第二支架，导向辊13由第二轴承固定在第二轴上，第二轴固定在第二支架上(由第二固定插销固定)，第二支架固定(通过螺纹连接)在第二推杆上，第二推杆设置第二弹性随动装置上。

第二弹性随动装置的结构与第一弹性随动装置1的结构相同(即导向辊机构的结构与测量辊机构的结构相同)；所述的第一弹性随动装置1包括第一螺杆20、第二螺杆21、螺套22、弹簧24、滑动座30、底座34，底座34固定在机架1上，底座34的上端面上设有滑槽(或导轨)，底座34的左端固定(如焊接)有左侧板7，左侧板7上开有第一螺杆孔、第二螺杆孔，滑动座30底部的滑块位于底座34的滑槽内(或滑动座30底部的设滑槽，底座34上的导轨位于滑动座30底部的设滑槽内；即滑动座30能在底座34上滑动)，第一螺杆20的右端穿过左侧板7上的第一螺杆孔后与滑动座30螺纹连接，第一螺杆20上旋有螺母(通过调节螺母，可调节滑动座30在底座34上的位置)，滑动座30内为弹簧腔32(滑动座30由前板、后板、左板、右板29由螺钉固定而成，右板29上设右推杆通孔)，滑动座30的左端部设有左推杆通孔，滑动座30的右端部设有右推杆通孔，左推杆通孔、右推杆通孔分别与弹簧腔32相连通(左推杆通孔、右推杆通孔的中心轴线均位于同一轴线上，即第一推杆23能从左推杆通孔、右推杆通孔中穿过；在第一弹性随动装置中，图6的左边为左，右边为右)，第一推杆23的左部从滑动座30上的右推杆通孔中插入弹簧腔32内，第一推杆23上固定有弹簧挡板35，弹簧挡板35、弹簧24分别位于弹簧腔32内，弹簧24套在第一推杆23的左部上，弹簧24的左端与滑动座30相接触，弹簧24的右端与弹簧挡板35相接触，第二螺杆21的右端穿过左侧板7上的第二螺杆孔后与螺套22螺纹连接，第二螺杆21上旋有螺母(通过调节螺母，可调螺套22相对滑动座30的位置，即可限制第一推杆23的后退量，第一推杆23位置被第二螺杆21和螺套22锁紧)。

导向辊机构、测量辊机构的具体结构见图6、图7、图8，整个机构设计成半随动，即轧制前期可动，轧制后期锁紧，实现了导向辊在环件毛坯轧制前期对环件毛坯5施加可调的抱紧力，防止环件毛坯在轧制前期的抖动，且随着导向辊被环件毛坯5外壁推后，环件毛坯5的偏心量大大降低；轧制后期导向辊位置固定，可方便环件毛坯外径的实时换算。具体实现如下：底座34固定在机架1上，测量辊4通过第一轴承26、第一轴27固定在第一支架28内，第一支架28通过螺纹连接固定在第一推杆23上，第一推杆23通过套在外侧的弹簧24在滑动座30内来回移动，轧制后期第一推杆23位置被第二螺杆21和螺套22锁紧(限位)。根据环件尺寸的要求，整个滑动座30在底座34上可调，当轧制大环时，可旋转第一螺杆20带动滑动座30往后移动(即图6中向左移)，轧制小环时，可旋转第一螺杆20带动滑动座30往前移动。传感器固定轴31固定在第一推杆23上，用来安装位移传感器。

如图4、图5、图9所示，所述的辗压轮机构包括辗压轮6、滑块8、滚珠丝杆副9、第一减速机10、伺服电机15、轧辊电机、万向联轴器17、第二减速机18、压盖36、调整垫片37、中间斜楔环38、第三轴承(调心滚子轴承)33、第四轴承39、第五轴承40、传动轴41，辗压轮6的左端固定(通过螺钉固定)在中间斜楔环38上，辗压轮6的右端由压盖36压紧，压盖36与辗压轮6之间设有调整垫片37(整个辗压轮的轧制宽度可由调整垫片37的厚度调节，这样可以实现在轧制不同高度的环件时，只需更换调整垫片37，而无需重新加工一套辗压轮)，压盖36、传动轴41的右端、中间斜楔环38通过螺钉固定连接在一起，中间斜楔环38由第三轴承(调心滚子轴承)33固定在滑块8上(即辗压轮6能随传动轴41旋转，辗压轮6由传动轴41带动做旋转运动；机架上安装有导轨，滑块可在导轨内滑动)，滑块8上设有传动轴孔，传动轴41的右端部穿过滑块8上的传动轴孔，并且传动轴41由第四轴承(推力球轴承)39和第五轴承(调心滚子轴承)40与滑块8相连(传动轴41在传动轴孔内能旋转)，传动轴41的右端部设有滑块(或滑槽)，万向联轴器17的右端部设有传动轴滑动孔，传动轴滑动孔内设有滑槽(或滑块)，传动轴41的右端部插入万向联轴器17的传动轴滑动孔内，传动轴41的右端部上的滑块位于传动轴滑动孔内的滑槽内(或传动轴滑动孔内的滑块位于传动轴41的右端部上的滑槽内)；轧辊电机的输出轴与第二减速机18的输入相连，第二减速机18的输出轴与万向联轴器17相连；伺服电机(伺服电机)15的输出轴与第一减速机10的输入相连，第一减速机10的输出由联轴器与滚珠丝杆副9的丝杆相连，滚珠丝杆副9的螺母与滑块8固定连接(丝杆旋转，螺母带着滑块8上下移动，辗压轮6做上下运动)。

如图5、图10所示，所述的芯辊机构包括芯辊12、下支撑壳体16、螺栓19、芯辊拉杆42、下支撑主轴43、第六轴承(调心滚子轴承)44、第七轴承(推力球轴承)45、第八轴承(调心滚子轴承)46，下支撑主轴43分别由第六轴承(调心滚子轴承)44、第七轴承(推力球轴承)45和第八轴承(调心滚子轴承)46固定在下支撑壳体16内，下支撑壳体16由螺栓19固定在机架3上(下支撑壳体16在机架3中的前后距离可通过螺栓19进行微调)，芯辊12的左端由芯辊拉杆42固定在下支撑主轴43上(由芯辊拉杆42通过螺纹联接往后拉紧)。环件轧制过程中，芯辊12可由轧制过程中产生的摩擦力带动旋转。

工作时，先将环件毛坯5套在芯辊12上，伺服电机15通过第一减速机10、滚珠丝杆副9和辗压轮滑块8推动辗压轮6做直线进给运动，同时轧辊电机通过第二减速机18、万向联轴器17驱动辗压轮6作旋转运动。环件轧制过程中，环件毛坯5被连续咬入辗压轮6与芯辊12之间的孔型产生轧制变形，使得环件壁厚变薄，外径增大，环件外壁推动导向辊13和测量辊4沿弹簧方向后退，在辗压轮的滑块上安装有第二位移测量传感器11，在第一弹性随动装置1上安装有第一位移测量传感器2，分别记录两个方向上的位移量并传给可编程控制器进行外径换算。当环件外径达到规定尺寸时，由可编程控制器发出指令控制辗压轮停止进给并返回，轧制成形的环件由卸料装置14将环件从芯辊12上卸下，完成一次环件轧制。

立式轧环过程在线测量控制方法的原理：建立了立式轧环件几何形状数学模型，得到了环件轧制过程中的圆心坐标公式和外径计算公式；运用数据插值和拟合的方法化简了环件外径的计算公式，通过对比可知该公式具有较高的精度。将该公式编入工业控制程序中，在环件轧制时，将实时测量的辗压轮和测量辊的位移量采集到可编程控制器中，并代入公式进行计算可得到环件的实时外径值，当该换算值达到零件尺寸要求时，可编程控制器控制辗压轮停止进给并返回。该方法可适用于任意规格的立式轧环的设备在线测量控制。

如图2所示(为立式轧环件几何形状数学模型示意图)，由于在轧制过程中，芯辊空间位置始终不变，故取它作为数学模型坐标系的原点，导向辊的导向力由弹簧控制，其沿与竖直方向呈β角的直线运动，导向辊在轧制过程前期是随动的，到轧制后期，导向辊将被锁紧，锁紧位置预先设定，此时环件的几何中心在导向辊的推力下产生偏移，测量辊沿与竖直方向呈α角的直线上运动，在辗压轮与环件接触处假设一个虚拟辊，O5、O3、O4分别为虚拟辊、导向辊和测量辊的圆心。虚拟环件外圆通过O5、O3、O4三个点，通过建立方程组，便可计算出环件轧制过程中的圆心坐标值和外径计算值。图中各尺寸量如表1：

表1：热轧几何参数表

由图2和表1可得O₅、O₃、O₄三个点的坐标值，设环件中心坐标为(m，n)，则可列如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{m}^2+{(A-n)}^2=R_1^2\\ {(B-m)}^2+{(C-n)}^2=R_1^2\\ {(D-m)}^2+{(E-n)}^2=R_1^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

由几何关系和表1得：A＝|O_yO|-L₂+R₃、B＝L₅-L₇sinβ、C＝L₇cosβ-L₆、D＝-L₉+(L₄-R₃)sinα、E＝-L₈+(L₄-R₃)cosα。

由上表可知，上述方程组中除R₁、m、n为未知量外，参与计算的几何尺寸都为已知量，解得：

$\left\{\begin{array}{c}m=\frac{B^{2}C+A^{2}B+E^{2}C-{\mathrm{BC}}^2-{\mathrm{BD}}^2-A^{2}C}{2(\mathrm{AB}-\mathrm{BD}+\mathrm{CE}-\mathrm{AC})}\\ n=\frac{C^{2}E+D^{2}E+A^{2}D+{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{AE}}^2-C^{2}A-{\mathrm{AD}}^2-B^{2}D-{\mathrm{DE}}^2-A^{2}E}{2(\mathrm{AB}-\mathrm{BD}+\mathrm{CE}-\mathrm{AC})}\\ R_1=\sqrt{m^2+{(A-n)}^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

由几何关系可得环件轧制过程中的各尺寸分别为外径：R＝R₁-R₃；壁厚：h＝|O_yO|-L₂-R₄；内径：r＝R-h＝R₁-R₃-|O_yO|+L₂+R₄。

上述外径计算公式虽然得到了很大的简化，但很难用于PLC等工业控制编程，必须对公式进行简化，得到适合于编制PLC程序的计算公式。

上述方法适用于任意规格的立式轧环的设备在线测量控制，现以某型号立式轧环机为例，取上述各参数分别为：R₂＝350mm；R₃＝30mm；R₄＝40mm；L₈＝307mm；L₉＝438mm；|OyO|＝220mm；L₅＝350mm；L₆＝700mm；L₇＝380；α＝55°；β＝65°；设L2和L4的量程分别为140mm和60mm。将包含复杂函数的计算公式拟合简化成二次多项式的形式，进而编制成工业上可以使用的控制程序。

通过编制程序得到外径拟合公式如下：

R_外＝a+bX+cY+dX²+eY²+fXY                    (3)

其中R_外为环件毛坯5的实时外径值，X-测量辊位移值(mm)，Y-辗压轮位移值(mm)，a＝436～438(是系数，无单位)；b＝0.4～0.5(是系数，无单位)；c＝-0.2～-0.3(是系数，无单位)；d＝0.00005～0.00008(是系数，无单位)；e＝0.001～0.002(是系数，无单位)；f＝0.0002～0.0004(是系数，无单位)。

图3对比了拟合公式(3)和数学模型推导的公式(2)的计算结果，在图中任取五个点进行比较如表2所示，数值也非常的接近，说明了拟合公式完全能满足工业控制的精度要求，可以用来编制工业控制程序。

表2：拟合公式和数学模型计算公式计算结果对比

Claims (7)

1.立式轧环过程在线测量控制方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)将立式轧环机的测量辊机构的测量辊(4)设置在第一弹性随动装置(1)上，测量辊(4)随立式轧环过程中环件毛坯的移动而移动，在第一弹性随动装置(1)上安装第一位移测量传感器(2)，第一位移测量传感器(2)用于测量测量辊(4)的位移量；将立式轧环机的导向辊机构的导向辊(13)设置在第二弹性随动装置上，导向辊(13)随立式轧环过程中环件毛坯的移动而移动；在立式轧环机的辗压轮机构的第一滑块(8)上安装第二位移测量传感器(11)，第二位移测量传感器(11)用于测量立式轧环机的辗压轮机构的辗压轮(6)的位移量；

2)在环件毛坯(5)轧制时，将实时测量的辗压轮的位移量和测量辊的位移量采集到可编程控制器中，并代入下述公式(3)进行计算得到环件毛坯(5)的实时外径值，当环件毛坯(5)的实时外径值达到环件尺寸要求时，可编程控制器控制辗压轮停止进给并返回；

R_外＝a+bX+cY+dX²+eY²+fXY                (3)

其中R_外为环件毛坯(5)的实时外径值，X-测量辊位移值，X的单位为mm，Y-辗压轮位移值，Y的单位为mm，a＝436～438；b＝0.4～0.5；c＝-0.2～-0.3；d＝0.00005～0.00008；e＝0.001～0.002；f＝0.0002～0.0004。

2.实现权利要求1所述的方法的立式轧环过程在线测量控制装置，其特征在于：它包括位移传感器组、可编程控制器、定位模块、伺服驱动器和控制系统；位移传感器组由第一位移测量传感器(2)和第二位移测量传感器(11)组成，第一位移测量传感器(2)安装在立式轧环机的测量辊机构的第一弹性随动装置(1)上，第二位移测量传感器(11)安装在立式轧环机的辗压轮机构的第一滑块(8)上；第一位移测量传感器(2)、第二位移测量传感器(11)的输出均由数据线分别与可编程控制器的输入接口相连，可编程控制器与定位模块之间通信联接，定位模块的输出端与伺服驱动器的控制端相连；控制系统包括第一继电器、第二继电器、第三继电器和第四继电器；第一继电器接在伺服驱动器上，接收来自伺服驱动器的指令信号，用于控制伺服制动器的闭合；第二继电器、第三继电器分别对应接在可编程控制器上，接收来自可编程控制器的指令信号，第二继电器和第三继电器设置在立式轧环机的辗压轮机构的轧辊电机的电源输入线上，第二继电器和第三继电器控制轧辊电机的启动；第四继电器接在可编程控制器上，接收来自可编程控制器的指令信号，第四继电器设置在伺服电机(15)的电源输入线上，第四继电器控制伺服电机的启动。

3.根据权利要求2所述的立式轧环过程在线测量控制装置，其特征在于：立式轧环机包括机架(3)、辗压轮机构、测量辊机构、导向辊机构、芯辊机构和卸料装置(14)，测量辊机构中心线与机床竖直中心线呈50-60°夹角，导向辊机构中心线与机床竖直中心线呈60-70°夹角，测量辊机构的测量辊(4)位于芯辊机构的芯辊(12)的左侧下方，导向辊机构的导向辊(13)位于芯辊机构的芯辊(12)的右侧，辗压轮机构的辗压轮(6)位于芯辊机构的芯辊(12)的正上方，卸料装置(14)的卸料板套在芯辊机构的芯辊(12)上。

4.根据权利要求2所述的立式轧环过程在线测量控制装置，其特征在于：所述的测量辊机构包括第一弹性随动装置(1)、测量辊(4)、第一推杆(23)、第一轴承(26)、第一轴(27)、第一支架(28)，测量辊(4)由第一轴承(26)固定在第一轴(27)上，第一轴(27)固定在第一支架(28)上，第一支架(28)固定在第一推杆(23)上，第一推杆(23)设置第一弹性随动装置(1)上。

5.根据权利要求2所述的立式轧环过程在线测量控制装置，其特征在于：所述的导向辊机构包括第二弹性随动装置、导向辊(13)、第二推杆、第二轴承、第二轴、第二支架，导向辊(13)由第二轴承固定在第二轴上，第二轴固定在第二支架上，第二支架固定在第二推杆上，第二推杆设置第二弹性随动装置上。

6.根据权利要求4所述的立式轧环过程在线测量控制装置，其特征在于：所述的第一弹性随动装置(1)包括第一螺杆(20)、第二螺杆(21)、螺套(22)、弹簧(24)、滑动座(30)、底座(34)，底座(34)固定在机架(1)上，底座(34)的上端面上设有滑槽，底座(34)的左端固定有左侧板(7)，左侧板(7)上开有第一螺杆孔、第二螺杆孔，滑动座(30)底部的第三滑块位于底座(34)的滑槽内，第一螺杆(20)的右端穿过左侧板(7)上的第一螺杆孔后与滑动座(30)螺纹连接，第一螺杆(20)上旋有螺母，滑动座(30)内为弹簧腔(32)，滑动座(30)的左端部设有左推杆通孔，滑动座(30)的右端部设有右推杆通孔，左推杆通孔、右推杆通孔分别与弹簧腔(32)相连通，第一推杆(23)的左部从滑动座(30)上的右推杆通孔中插入弹簧腔(32)内，第一推杆(23)上固定有弹簧挡板(35)，弹簧挡板(35)、弹簧(24)分别位于弹簧腔(32)内，弹簧(24)套在第一推杆(23)的左部上，弹簧(24)的左端与滑动座(30)相接触，弹簧(24)的右端与弹簧挡板(35)相接触，第二螺杆(21)的右端穿过左侧板(7)上的第二螺杆孔后与螺套(22)螺纹连接，第二螺杆(21)上旋有螺母。

7.根据权利要求3所述的立式轧环过程在线测量控制装置，其特征在于：所述的辗压轮机构包括辗压轮(6)、第一滑块(8)、滚珠丝杆副(9)、第一减速机(10)、伺服电机(15)、轧辊电机、万向联轴器(17)、第二减速机(18)、压盖(36)、调整垫片(37)、中间斜楔环(38)、第三轴承(33)、第四轴承(39)、第五轴承(40)、传动轴(41)，辗压轮(6)的左端固定在中间斜楔环(38)上，辗压轮(6)的右端由压盖(36)压紧，压盖(36)与辗压轮(6)之间设有调整垫片(37)，压盖(36)、传动轴(41)的右端与中间斜楔环(38)通过螺钉固定连接在一起，中间斜楔环(38)由第三轴承(33)固定在第一滑块(8)上，第一滑块(8)上设有传动轴孔，传动轴(41)的左端部穿过第一滑块(8)上的传动轴孔，并且传动轴(41)由第四轴承(39)和第五轴承(40)与第一滑块(8)相连，传动轴(41)的左端部设有第二滑块，万向联轴器(17)的右端部设有传动轴滑动孔，传动轴滑动孔内设有滑槽，传动轴(41)的左端部插入万向联轴器(17)的传动轴滑动孔内，传动轴(41)的左端部上的第二滑块位于传动轴滑动孔内的滑槽内；轧辊电机的输出轴与第二减速机(18)的输入相连，第二减速机(18)的输出轴与万向联轴器(17)相连；伺服电机(15)的输出轴与第一减速机(10)的输入相连，第一减速机(10)的输出由联轴器与滚珠丝杆副(9)的丝杆相连，滚珠丝杆副(9)的螺母与第一滑块(8)固定连接。

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