CN102513355B - 棒线材飞剪剪尾控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及棒线材飞剪剪尾控制方法，具体是：当上游轧机（1）与飞剪布局过于紧凑导致第一热金属检测仪（2）到飞剪剪切中心线距离过短无法正常完成剪尾时，在上游轧机（1）前面增加一个第二热金属检测仪（4），再通过精确的剪刃位置控制、精确的剪尾长度控制、第二热金属检测仪（4）到飞剪剪切中心线等效距离的折算、上游轧机（1）延伸率的实测及补偿四种手段综合起来，实现棒线材飞剪到第一热金属检测仪（2）距离过短时的剪尾控制。本发明解决了棒线材生产线中，上游轧机（1）与飞剪布局过于紧凑，第一热金属检测仪（2）与飞剪之间距离过短，无法正常完成剪尾的工程难题；根据实际使用结果，剪尾稳定可靠。

Description

棒线材飞剪剪尾控制方法

技术领域

本发明涉及电气控制领域，特别是涉及棒线材飞剪剪尾的控制方法。

背景技术

在热连轧棒材生产线以及高速线材生产线中，飞剪是提高棒线材生产线生产率及成材率的关键设备。目前棒线材生产线上的飞剪均采用全数字化电气控制的启停式飞剪(包括回转式、曲柄连杆式、曲柄连杆飞轮式)。飞剪主要的工艺功能有：剪头、剪尾、倍尺剪切、碎断等，在轧制过程中，轧件尾部容易开裂，影响产品质量，因此剪尾是棒线材生产线中提高产品质量的关键工艺功能。

在实际的项目应用中，为了节省厂房占地面积，机组的布置比较紧凑，导致热金属检测仪到飞剪剪切中心线的距离过短，飞剪追不上轧件的尾部，无法完成剪尾功能。如果将上游轧机或者飞剪的位置进行搬移，成本较高；如果缩短飞剪的加速时间，机械冲击巨大，影响飞剪的寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种棒线材飞剪剪尾控制方法，该方法仅在上游轧机前面增加一个热金属检测仪，通过一种新型的控制策略即解决了棒线材生产线中，上游轧机与飞剪布局过于紧凑，热金属检测仪到飞剪剪切中心线之间距离过短，无法正常完成剪尾的问题，不仅节省了成本，而且缩短了工期。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：当上游轧机与飞剪布局过于紧凑导致第一热金属检测仪到飞剪距离过短无法正常完成剪尾时，在上游轧机前面增加一个第二热金属检测仪，再通过精确的剪刃位置控制、精确的剪尾长度控制、第二热金属检测仪到飞剪剪切中心线等效距离的折算、上游轧机延伸率的实测及补偿四种手段综合起来，实现棒线材飞剪到第一热金属检测仪距离过短时的剪尾控制；所述的精确的剪刃位置控制的方法是：如剪刃轴上安装有绝对值编码器，通过安装在剪刃轴上的绝对值编码器读取到精确的位置信息值，反馈到位置控制器，通过PI调节器，使剪刃实现快速而精确的位置闭环控制；如剪刃轴上没有安装绝对值编码器，则通过飞剪电机轴上的增量型编码器进行折算得到剪刃的位置信息值，以实现剪刃的位置闭环控制。

本发明可以采用包括以下步骤的方法实现精确的位置闭环控制：

(1)剪刃轴端装有绝对值编码器：

通过飞剪控制器，直接读取位置信息值，并转化为角度值，反馈到位置控制器，实现快速而精确的剪刃位置控制；

(2)剪刃轴端没有安装绝对值编码器：

通过飞剪控制器读取飞剪电机轴端增量型编码器的值，考虑减速比，转化为剪刃轴的角度值，反馈到位置控制器，实现快速而精确的剪刃位置控制，角度换算公式为：

$\mathrm{\γ}=\frac{360}{1024}*\frac{n}{i_0}$

式中：γ为剪刃实际角度值；n为读取到的脉冲值；i₀为飞剪减速比。

所述的精确的剪尾长度控制的方法是：当轧件的尾部到达第二热金属检测仪时，飞剪根据设定的剪切长度，自动调整飞剪启动的时机，按照设定剪切长度精确的完成剪尾任务。

本发明是以第二热金属检测仪检测到轧件尾部为起点，对上游轧机的电机轴端编码器脉冲数进行计数，当达到目标计数值时，启动飞剪，实现设定长度的剪切，预设的目标计数值与设定剪切长度有关，其计算公式如下：

$\frac{i}{\mathrm{\π}{D}_f}[X-L-R\sin \mathrm{\θ}-2\mathrm{\πD}*\left(\frac{360-\mathrm{\α}-\mathrm{\θ}}{360}\right)\cos \mathrm{\θ}]\×1024$

上述公式中：i为上游轧机的减速比；D_f为上游轧机的轧辊工作辊径；X为第二热金属检测仪到飞剪剪切中心线的等效距离；L为设定剪尾长度；R为剪刃回转半径；D为剪刃回转直径；α为剪刃起始位置角；θ为入切角。

所述的第二热金属检测仪到飞剪等效距离需要进行折算；由于剪尾时脉冲计数器通过第二热金属检测仪触发，从第二热金属检测仪到上游轧机的这段轧件经过轧制后会产生延伸，为了精确的控制剪尾长度，需要根据上游轧机的延伸率折算第二热金属检测仪到飞剪的有效距离。

本发明通过上游轧机的延伸率折算出第二热金属检测仪到飞剪剪切中心线的等效距离，其计算公式可以为：

L_等效＝X＝εL₂+L₃+L₁

式中：X和L_等效为第二热金属检测仪到飞剪剪切中心线的等效距离；ε为上游轧机的延伸率；L₁为第一热金属检测仪到飞剪剪切中心线的距离；L₂为第二热金属检测仪到上游轧机的轧制中心线的距离；L₃为第一热金属检测仪到上游轧机的轧制中心线的距离。

所述的上游轧机延伸率的实测及补偿方法可以是：当轧件头部到达第二热金属检测仪时，通过此第二热金属检测仪的上升沿信号触发脉冲计数功能块开始记录上游轧机电机轴端编码器脉冲数，当轧件头部到达第一热金属检测仪时，通过此第一热金属检测仪的上升沿信号停止脉冲计数，则得到测得的脉冲数N_x，设实测到的上游轧机实测延伸率为ε`，则可以得到以下计算公式：

${\mathrm{\ϵ}}^{`}{L}_2+L_3=\frac{N_X*\mathrm{\π}{D}_f}{1024*i},$

因而求得：

${\mathrm{\ϵ}}^{`}=\frac{\frac{N_X*\mathrm{\π}{D}_f}{1024*i}-L_3}{L_2},$

式中：ε`为上游轧机实测延伸率；N_x为测得的脉冲数；L₂为第二热金属检测仪到上游轧机轧制中心线的距离；L₃为第一热金属检测仪到上游轧机轧制中心线的距离；i为上游轧机减速比；D_f为上游轧机轧辊工作辊径。

本发明与现有技术相比具有以下的主要有益效果：

1.可以解决棒线材生产线中，上游轧机与飞剪布局过于紧凑，第二热金属检测仪到飞剪之间距离过短，导致无法正常完成剪尾的问题。

2.在上游轧机前面增加一个热金属检测仪即第二热金属检测仪，通过一种新型的控制策略即解决了剪尾时原先的热金属检测仪即第一热金属检测仪到飞剪距离过短的问题。相比更改土建，搬移设备，节省成本约五十万，缩短工期约一个半月。

3.根据项目实际使用情况，效果比较理想，剪尾稳定可靠，剪切精度与传统的剪尾控制相当。

4.应用广：不受飞剪控制器的限制，适用于棒材及高速线材的启停式飞剪(包括回转式、曲柄连杆式、曲柄连杆飞轮式)，并且该方法可以推广应用到棒线材飞剪的切头、倍尺剪切等控制。

附图说明

图1为飞剪剪尾的结构示意图。

图2为飞剪剪刃运行轨迹示意图。

图中：1.上游轧机；2.第一热金属检测仪；3.飞剪剪刃；4.第二热金属检测仪；5.剪刃加速区域；6.剪刃起始位；7.剪切点。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的棒线材飞剪剪尾控制方法是一种先进的棒线材飞剪的电气控制方法，具体是：通过精确的剪刃位置控制、精确的剪尾长度控制、第二热金属检测仪到飞剪剪切中心线等效距离的折算、上游轧机延伸率的实测及补偿等四种手段综合起来，实现棒线材飞剪到第一热金属检测仪到飞剪剪切中心线距离过短时的剪尾控制。

本发明提供的棒线材剪尾控制方法，其步骤包括：

一.精确的剪刃位置控制

1.剪刃轴端装有绝对值编码器：

绝对值编码器在工业控制领域有着广泛的应用，是位置控制十分理想的测量手段，飞剪控制为360度周期性位置控制，则选用单圈绝对值编码器即可，绝对值编码器常用的通讯接口有Profile Bus通讯接口或SSI接口，可根据所选用的飞剪控制器支持的通讯接口来选用相应通讯接口的绝对值编码器。常用的飞剪控制器有GE公司的90-30PLC、西门子公司的T400、FM458等等。通过飞剪控制器直接读取绝对值编码器的位置信息值，并转化为角度值，反馈到位置控制PI调节器，实现快速而精确的飞剪剪刃(以下简称剪刃)位置闭环控制。

2.剪刃轴端没有安装绝对值编码器：

当飞剪没有倍尺功能，只须切头、切尾或分切时，对剪切精度要求不是特别高，则剪刃位置控制可以采用飞剪电机轴端增量型编码器信号作反馈控制。

飞剪电机轴端增量型编码器除了用于电机速度闭环控制外(飞剪电机速度闭环控制属于电机驱动控制，为标准控制，不属于本发明所涉及的飞剪控制范畴)，同时通过脉冲分配器，将电机轴端增量型编码器信号分配到飞剪控制器，用作位置闭环控制。通常电机轴端的增量型编码器为每转1024个脉冲，则可以计算出每个脉冲对应的角度值为：360/1024＝0.3515625。通过飞剪控制器可以实时读取飞剪电机轴端增量型编码器的脉冲值，考虑减速比，转化为剪刃的角度值，反馈到位置控制PI调节器，实现快速而精确的剪刃位置闭环控制，角度换算公式为：

$\mathrm{\γ}=\frac{360}{1024}*\frac{n}{i_0}$

式中：γ为剪刃实际角度值；n为读取到的脉冲值；i₀为飞剪减速比。

二.精确的剪尾长度控制

如图1和图2所示：飞剪定位到剪刃起始位6是剪切的必要条件，连续剪切过程中，每次剪切周期完成，飞剪自动定位到起始位。切尾时，当第二热金属检测仪4检测到轧件尾部时，长度测量脉冲计数功能块被激活，当达到目标计数值时，启动飞剪，实现设定长度的尾部剪切。图1中箭头A表示的轧制方向。图2中编号5为剪刃加速区域。

设剪切长度为L，当上游轧机1前面增加的第二热金属检测仪4检测到轧件时，轧件再走L_k的距离后，飞剪启动。可以得到L_k的计算式如下：

$L_k=X-L-R\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{Vt}=L_1-L-R\sin \mathrm{\θ}-2\mathrm{\πD}*\left(\frac{360-\mathrm{\α}-\mathrm{\θ}}{360}\right)\cos \mathrm{\θ}$

上游轧机1电机轴端编码器每转脉冲数为1024，则上式所对应的脉冲数如下式所示：

$\frac{i}{\mathrm{\π}{D}_f}[X-L-R\sin \mathrm{\θ}-2\mathrm{\πD}*\left(\frac{360-\mathrm{\α}-\mathrm{\θ}}{360}\right)\cos \mathrm{\θ}]\×1024$

此即为飞剪启动时的目标计数值，当达到此目标计数值时启动飞剪，飞剪加速运行到入切角8，并保持与轧件速度同步，经过剪切点7后，剪断轧件尾部，其长度为设定长度L，剪刃到达离切角9后立即减速并定位到起始位6，完成一个剪切周期。

上述公式中：i为上游轧机1减速比；D_f为上游轧机1轧辊工作辊径；X为第二热金属检测仪4到飞剪剪切中心线的等效距离；L为设定剪尾长度；L₁为第一热金属检测仪2到飞剪剪切中心线的距离；R为剪刃回转半径；D为剪刃回转直径；α为剪刃起始位置角；θ为入切角。

三.第二热金属检测仪4到飞剪剪切中心线的等效距离的折算

剪尾时脉冲计数器通过第二热金属检测仪4触发，从第二热金属检测仪4到上游轧机1轧制中心线的这段轧件经过轧制后会产生延伸，为了精确的控制剪尾长度，需要根据上游轧机1的延伸率折算第二热金属检测仪4到飞剪剪切中心线的有效距离，计算公式如下：

X＝εL₂+L₁+L₃

则剪尾时飞剪启动脉冲目标计数值公式如下：

$\frac{i}{\mathrm{\π}{D}_f}[\mathrm{\ϵ}{L}_2+L_1+L_3-L-R\sin \mathrm{\θ}-2\mathrm{\πD}*\left(\frac{360-\mathrm{\α}-\mathrm{\θ}}{360}\right)\cos \mathrm{\θ}]\×1024$

式中：i为上游轧机1减速比；D_f为上游轧机1轧辊工作辊径；L为设定剪尾长度；X为第二热金属检测仪4到飞剪剪切中心线的等效距离；ε为上游轧机1延伸率；L₁为第一热金属检测仪2到飞剪剪切中心线的距离；L₂为第二热金属检测仪4到上游轧机1轧制中心线的距离；L₃为第一热金属检测仪2到上游轧机1轧制中心线的距离；R为剪刃回转半径；D为剪刃回转直径；α为剪刃起始位置角；θ为入切角。

四.上游轧机1延伸率的实测及补偿

上游轧机1的延伸率由轧线PLC根据速度级联的关系计算产生并下发给飞剪控制器，在生产过程中，操作工会根据生产情况对轧机之间的速度级联关系进行适当的人工干预，上游轧机1的延伸率会发生变化，轧线PLC会根据实际的速度级联关系重新计算上游轧机1的延伸率并实时下发给飞剪控制器，保证上游轧机1延伸率的实时准确性，剪尾长度的精确性才能尽量小的受到人工干预的影响。但在实际生产过程中，即使对上游轧机1的延伸率进行了实时的计算，也会发生延伸率计算不准导致剪尾精度受影响的情况出现，因此，有必要对上游轧机1的延伸率进行实测及补偿。

本发明提供的延伸率实测方法如下：当轧件头部到达第二热金属检测仪4时，通过此热检上升沿信号触发脉冲计数功能块开始记录上游轧机1电机轴端编码器脉冲数，当轧件头部到达第一热金属检测仪2时，通过此热检上升沿信号停止脉冲计数，则可得到脉冲计数值N_x，设实测到的上游轧机1延伸率为ε′，则可得到如下计算式：

${\mathrm{\ϵ}}^{`}{L}_2+L_3=\frac{N_X*\mathrm{\π}{D}_f}{1024*i}$

可以求得：

${\mathrm{\ϵ}}^{`}=\frac{\frac{N_X*\mathrm{\π}{D}_f}{1024*i}-L_3}{L_2}$

式中：ε`为上游轧机1实测延伸率；N_x为测得的脉冲值；L₂为第二热金属检测仪4到上游轧机1轧制中心线的距离；L₃为第一热金属检测仪2到上游轧机1轧制中心线的距离；i为上游轧机1减速比；D_f为上游轧机1轧辊工作辊径。

上游轧机1延伸率的实际测量值的精确性和可靠性取决于热金属检测仪的响应快慢及其稳定性，实际生产中不能完全依赖于实测值，防止计算异常导致剪尾故障的发生，可以采用以下的补偿策略：

规定延伸率允许的误差值为Δε，当满足|ε`-ε|≤Δε时，实测延伸率正常，可以采用实测延伸率ε`进行剪尾控制；当满足|ε`-ε|＞Δε时，实测延伸率异常，采用轧线PLC下发的延伸率计算值ε进行剪尾控制。

Claims (7)

1.棒线材飞剪剪尾控制方法，其特征是当上游轧机(1)与飞剪布局过于紧凑导致第一热金属检测仪(2)到飞剪距离过短无法正常完成剪尾时，在上游轧机(1)前面增加一个第二热金属检测仪(4)，再通过精确的剪刃位置控制、精确的剪尾长度控制、第二热金属检测仪(4)到飞剪剪切中心线等效距离的折算、上游轧机(1)延伸率的实测及补偿四种手段综合起来，实现棒线材飞剪到第一热金属检测仪(2)距离过短时的剪尾控制；所述的精确的剪刃位置控制的方法是：如剪刃轴上安装有绝对值编码器，通过安装在剪刃轴上的绝对值编码器读取到精确的位置信息值，反馈到位置控制器，通过PI调节器，使剪刃实现快速而精确的位置闭环控制；如剪刃轴上没有安装绝对值编码器，则通过飞剪电机轴上的增量型编码器进行折算得到剪刃的位置信息值，以实现剪刃的位置闭环控制。

2.根据权利要求1所述的棒线材飞剪剪尾控制方法，其特征是采用包括以下步骤的方法实现精确的位置闭环控制：

(1)剪刃轴端装有绝对值编码器：

通过飞剪控制器，直接读取位置信息值，并转化为角度值，反馈到位置控制器，实现快速而精确的剪刃位置控制；

(2)剪刃轴端没有安装绝对值编码器：

通过飞剪控制器读取飞剪电机轴端增量型编码器的值，考虑减速比，转化为剪刃轴的角度值，反馈到位置控制器，实现快速而精确的剪刃位置控制，角度换算公式为：

$\mathrm{\γ}=\frac{360}{1024}*\frac{n}{i_0}$

式中：γ为剪刃实际角度值；n为读取到的脉冲值；i₀为飞剪减速比。

3.根据权利要求1所述的棒线材飞剪剪尾控制方法，其特征是所述的精确的剪尾长度控制的方法是：当轧件的尾部到达第二热金属检测仪(4)时，飞剪根据设定的剪切长度，自动调整飞剪启动的时机，按照设定剪切长度精确的完成剪尾任务。

4.根据权利要求3所述的棒线材飞剪剪尾控制方法，其特征是以第二热金属检测仪(4)检测到轧件尾部为起点，对上游轧机(1)的电机轴端编码器脉冲数进行计数，当达到目标计数值时，启动飞剪，实现设定长度的剪切，预设的目标计数值与设定剪切长度有关，其计算公式如下：

$\frac{i}{\mathrm{\π}{D}_f}[X-L-R\sin \mathrm{\θ}-2\mathrm{\πD}*\left(\frac{360-\mathrm{\α}-\mathrm{\θ}}{360}\right)\cos \mathrm{\θ}]\×1024$

上述公式中：i为上游轧机(1)的减速比；D_f为上游轧机(1)的轧辊工作辊径；X为第二热金属检测仪(4)到飞剪剪切中心线的等效距离；L为设定剪尾长度；R为剪刃回转半径；D为剪刃回转直径；α为剪刃起始位置角；θ为入切角。

5.根据权利要求1所述的棒线材飞剪剪尾控制方法，其特征是所述的第二热金属检测仪(4)到飞剪等效距离需要进行折算；由于剪尾时脉冲计数器通过第二热金属检测仪(4)触发，从第二热金属检测仪(4)到上游轧机(1)的这段轧件经过轧制后会产生延伸，为了精确的控制剪尾长度，需要根据上游轧机(1)的延伸率折算第二热金属检测仪(4)到飞剪的有效距离。

6.根据权利要求5所述的棒线材飞剪剪尾控制方法，其特征是通过上游轧机(1)的延伸率折算出第二热金属检测仪(4)到飞剪剪切中心线的等效距离，其计算公式为：

L_等效＝X＝εL₂+L₃+L₁

式中：X和L_等效为第二热金属检测仪(4)到飞剪剪切中心线的等效距离；ε为上游轧机(1)的延伸率；L₁为第一热金属检测仪(2)到飞剪剪切中心线的距离；L₂为第二热金属检测仪(4)到上游轧机(1)的轧制中心线的距离；L₃为第一热金属检测仪(2)到上游轧机(1)的轧制中心线的距离。

7.根据权利要求1所述的棒线材飞剪剪尾控制方法，其特征是所述的上游轧机(1)延伸率的实测及补偿方法是：当轧件头部到达第二热金属检测仪(4)时，通过此第二热金属检测仪的上升沿信号触发脉冲计数功能块开始记录上游轧机(1)电机轴端编码器脉冲数，当轧件头部到达第一热金属检测仪(2)时，通过此第一热金属检测仪的上升沿信号停止脉冲计数，则得到测得的脉冲数N_x，设实测到的上游轧机(1)实测延伸率为ε`，则得到以下计算公式：

${\mathrm{\ϵ}}^{`}{L}_2+L_3=\frac{N_X*\mathrm{\π}{D}_f}{1024*i},$

因而求得：

${\mathrm{\ϵ}}^{`}=\frac{\frac{N_X*\mathrm{\π}{D}_f}{1024*i}-L_3}{L_2},$

式中：ε`为上游轧机(1)实测延伸率；N_x为测得的脉冲数；L₂为第二热金属检测仪(4)到上游轧机(1)轧制中心线的距离；L₃为第一热金属检测仪(2)到上游轧机(1)轧制中心线的距离；i为上游轧机(1)减速比；D_f为上游轧机(1)轧辊工作辊径。

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