CN103197537B

CN103197537B - 一种冷轧飞剪电机转速的控制方法

Info

Publication number: CN103197537B
Application number: CN201310108312.XA
Authority: CN
Inventors: 严国平; 董义君; 张文凤
Original assignee: Wisdri Engineering and Research Incorporation Ltd
Current assignee: Wisdri Engineering and Research Incorporation Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: CN103197537A

Abstract

本发明涉及一种冷轧飞剪电机转速的控制方法，其特征在于：在飞剪设计过程中，通过飞剪剪刃速度与剪切带钢速度匹配来确定飞剪剪刃速度，并进而控制飞剪电机转速；使得冷轧飞剪在设计之初就达到电机输入转速与剪刃速度的匹配，避免现场反复调试对电机和飞剪设备的损伤，减少飞剪安装调试工作量，使飞剪剪切效果达到冷轧工艺的带钢表面及断面质量要求。特别适用于冶金冷轧工艺中启停工作制式曲柄连杆式飞剪。

Description

一种冷轧飞剪电机转速的控制方法

技术领域

本发明涉及一种冷轧飞剪电机转速的控制方法，尤其是一种适用于冶金冷轧工艺中启停工作制式曲柄连杆式飞剪、且基于飞剪设计过程的剪刃与带钢速度匹配的电机转速的控制方法。

技术背景

冷轧飞剪是冷轧生产线上重要的设备之一，布置在夹送辊后，用于带钢的头尾进行切断、并具备分段功能，其工作性能的好坏直接影响到轧制线的生产效率和产品切口质量。随着连续式轧机的发展，飞剪得到了越来越广泛的应用。

飞剪系统中，上刀座上通过连接铰点绕曲柄中心点旋转，上剪刃的轨迹为近似椭圆的完整曲线，而下剪刃则沿底部铰点做一定幅度的摆动，其轨迹为一个圆周运动的一部分。通过上下剪刃在某一区间内的重合达到剪断带钢的目的。在上下剪刃进行剪切时，剪切工艺要求上下剪刃的水平速度与带钢的速度保持大致相同（一般为剪刃水平速度为带钢水平速度的1.05倍为宜）。如果剪刃的水平速度过小，则带钢带动剪刃向前运动，影响飞剪的剪切效果。如果剪刃的水平速度过大，则剪刃带动带钢向前运动，同样也影响飞剪的剪切效果。

而在实际工程中，剪刃速度与带钢工艺要求速度是否达到这一要求，必须通过控制剪刃电机的加减速来完成。由于冷轧飞剪为曲柄连杆机构，曲柄转速与剪刃的水平速度不呈线性关系。因而，如果没有进行电机输入转速与剪刃水平速度的研究，通过现场反复调试来不断寻找剪刃速度与带钢工艺要求速度的匹配关系，工作量巨大，且极易对电机和飞剪本体设备造成较大伤害。

发明内容

本发明要解决的技术问题是弥补现有冷轧飞剪电机转速的控制及设计方法的不足，提供一种冷轧飞剪电机转速的控制方法，使得冷轧飞剪在设计之初就达到电机输入转速与剪刃速度的匹配，避免现场反复调试对电机和飞剪设备的损伤，减少飞剪安装调试工作量，使飞剪剪切效果达到冷轧工艺的带钢表面及断面质量要求。特别适用于冶金冷轧工艺中启停工作制式曲柄连杆式飞剪。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种冷轧飞剪电机转速的控制方法，其特征在于：在飞剪设计过程中，通过飞剪剪刃速度与剪切带钢速度匹配来确定飞剪剪刃速度，并进而控制飞剪电机转速；主要包括如下步骤：

1）首先，根据空间方程解析方法对飞剪机构进行简化，得到飞剪机构运动方程，给定飞剪机构的各工艺参数，进行飞剪剪刃速度求解；

2）然后，根据飞剪机构的运动原理，通过作图法确定飞剪初始剪切角；

3）初始剪切时对应曲柄转速求解，并进行上剪刃点收敛判断；如果收敛进入第4）步，否则继续进行第1）-3）步直到收敛为止；

4）给定工艺要求的带钢速度，通过飞剪剪刃运行水平分速度方向与带钢速度方向一致，对带钢速度和电机转速进行数据拟合，建立带钢速度与电机转速的匹配关系，确定对应初始剪切角时剪切带钢速度与飞剪电机转速的匹配关系，根据匹配关系对飞剪电机的输出转速进行控制。

按上述技术方案，步骤3）中，首先根据工艺要求确定飞剪电机转速的转速区间[a，b]后，令电机转速，按照二分法不断收敛飞剪电机转速的取值范围，根据飞剪系统总减速比计算曲柄转速，并根据飞剪机构运动方程和飞剪剪刃速度求解过程求得初始剪切角时上剪刃点U点在坐标系xoy中的x方向速度；

然后，按进行上剪刃点收敛判断，如果没有达到收敛条件，且如果，则令，重新求解得上剪刃点U点在坐标系xoy中的x方向速度；直至达到收敛条件为止，记录此时电机转速；其中，－剪切带钢在坐标系xoy中的y方向速度；－收敛允差。

按上述技术方案，步骤4）中，首先，根据带钢最大速度，给定一组符合工艺要求的带钢速度，并按前述步骤第1）-3）步进行计算，得到一组与相应的带钢速度匹配的电机转速；

然后，对带钢速度和电机转速进行数据拟合，得到带钢速度与电机转速的匹配关系：；

最后根据匹配关系给出电机转速的控制曲线，对飞剪电机的输出转速进行控制；其中，-开始剪切时电机转速，rpm；-工艺要求的剪切带钢的水平速度，m/min。

本发明通过空间方程解析方法，结合冷轧工艺要求，通过分析飞剪上下剪刃的运动特生，利用循环迭代的数值方法求解冷轧飞剪的电机输入转速与剪刃水平速度的匹配关系，旨在给出一套具有良好通用性、适应性和计算精度高的冷轧飞剪的剪刃与带钢速度匹配的电机转速的控制方法，用以更加清晰的完成冷轧飞剪的控制设计。

该发明涉及内容的主要优点在于：

（1）可作为冷轧飞剪机构计算的一个有益的设计补充，能真实地反映飞剪机构设计的原则，为飞剪的准确控制提供强有力的理论支持，便于提交更加完善的飞剪电气功能规格书（EMF）。这也为飞剪的设计优化提供理论基础。

（2）该方法有利于更好地理解飞剪的工作特性，具有良好通用性、适应性、速度快和计算精度高等，并可以就此形成相应的计算软件，方便和快捷，值得推广与延伸。

（3）本方法同样可以延用于飞剪各节点的运行轨迹、各方向速度及角速度的求解，具有良好的可操作性和实践意义。

附图说明

图1为飞剪运动机械原理图；

图2为飞剪机构系统各部件简化示意图；

图3 为飞剪初始剪切角作图法求解示意图；

图4为飞剪初始剪切时对应电机转度求解计算流程图。

具体实施方式

本发明的技术方案具体包括以下步骤：

（1）冷轧飞剪剪刃速度求解

飞剪运动机械原理图如图1所示。剪刃的轨迹可以通过矢量方程及几何关系进行求解。具体如下：

在坐标系mon中，对四边形OABC运用矢量方程相关知识可得：

（1）

方程组（1）即为飞剪机构的非线性角位移方程组，给定计算误差，运用牛顿-辛普森的数值迭代方法进行求解，即可得到和。

对于上剪刃U点：

（2）

通过坐标转换，可以得到如下：

（3）

上述各式中：

OA－OA的长度值；

－AO与OC的夹角；

AB－AB的长度值；

－AB与m轴正向的夹角；

OC－OC的长度值；

BC－BC的长度值；

－BC与m轴正向的夹角；

－A点在坐标系mon中的横坐标值；

－A点在坐标系mon中的纵坐标值；

AU－AU的长度值；

－OA与AU的夹角；

－上剪刃U点在坐标系mon中的横坐标值；

－上剪刃U点在坐标系mon中的纵坐标值；

－BA与AU的夹角，由上刀架、刀座与上剪刃安装完成后形成的已知夹角；

－坐标系mon与坐标系xoy的夹角；

－上剪刃U点在坐标系xoy中的横坐标值；

－上剪刃U点在坐标系xoy中的纵坐标值。

对于下剪刃K点：

（4）

上述各式中：

－下剪刃K点在坐标系mon中的横坐标值；

－下剪刃K点在坐标系mon中的纵坐标值；

CK－CK的长度值；

－OC与CK的夹角；

－BC与CK的夹角，由下刀架、刀座与下剪刃安装完成后形成的已知夹角。

再按式（3）进行坐标变换，即可得到下剪刃K在坐标系xoy中的横坐标和纵坐标的值。

将式（1）对时间进行一次求导，即可得到角速度方程：

（5）

式中：

－给定的OA的角速度；

－AB的角速度；

－BCK的角速度。

将式（2）对时间进行一次求导，即可得到上剪刃U的速度表达式：

（6）

式中：

－上剪刃U在坐标系mon中的沿m方向的速度；

－上剪刃U在坐标系mon中的沿n方向的速度。

将式（4）对时间进行一次求导，即可得到下剪刃K的速度表达式：

（7）

式中：

－下剪刃K在坐标系mon中的沿m方向的速度；

－下剪刃K在坐标系mon中的沿n方向的速度。

将式（3）对时间进行一次求导，即可得到不同坐标系中剪刃速度转换的表达式：

（8）

（9）

式中：

－上剪刃U在坐标系xoy中的沿x方向的速度；

－上剪刃U在坐标系xoy中的沿y方向的速度。

－下剪刃K在坐标系xoy中的沿x方向的速度；

－下剪刃K在坐标系xoy中的沿y方向的速度。

给定所需各个参数，通过数值描述的方法，通循环迭代，可以计算得到上剪刃U和下剪刃K的空间运动轨迹曲线及在坐标系xoy中的速度。

（2）初始剪切角求解

根据机构自身的特点，可以通过作图法得到。

步骤一：首先确定过钢线的位置，按飞剪的机械原理图将飞剪各零部件简化为各个组件，即将飞剪上刀架及上刀刃作为一个整体进行简化绘图，如图2所示：U和A1B所示为将机架及连接定位孔作为一个整体进行简化绘图，KB1C为将飞剪下刀架及下刀刃作为一个整体进行简化绘图，O1C1为将机架上的定位孔作为固定定位绘出，OA为曲柄的简化示意表示。

步骤二：将B点与B1点对齐，将U点与K点对齐，保证上、下刀架整体在各自的连接铰点上相连，并使上剪刃U点和下剪刃K点处于重合位置；

过A1点以AO为半径作一个辅助圆，则曲柄中心O应在此辅助圆周上；

将C点与C1点重合，并以C1点为圆心，以C1O1为半径作一个辅助圆，此辅助圆与曲柄中心O应的辅助圆相交，则交点即为曲柄中心O所在位置。但从图3中可以看到，交点有两个M1和M2。

步骤三：初始剪切角判断。由于冷轧飞剪上剪刃的运行轨迹是一个封闭的椭圆弧形状，下剪刃的轨迹为一个圆周运动的一部分。二者在剪切时和上剪刃离开时都有重合度。因此，当上下剪刃的工艺参数确定后，对应于某一个带钢高度上的曲柄的转角有两个。但按工艺要求，飞剪初始剪切角只能有一个，因此必须找到附加的约束条件才能使求解出的初始剪切角符合工艺要求。

如图3所示，冷轧飞剪剪刃运行水平分速度方向与带钢速度方向一致，曲柄从垂直位的最高位置开始沿逆时针旋转，直至达到初始剪切位开始剪切。由曲柄转动方向可知：上、下剪刃初始剪切时必须满足：

(10)

式中：

－上、下剪刃在带钢方向（即上剪刃U和下剪刃K在坐标系xoy中的x坐标）相等时曲柄转过的角度中的较小值；

－上、下剪刃在带钢方向（即上剪刃U和下剪刃K在坐标系xoy中的x坐标）相等时曲柄转过的角度中的较大值。

可见，M2即为初始剪切角对应的两个辅助圆的交点。

步骤四：如图3所示，按正确零件装配位置固定机架上的定位孔，以C点为圆心，将上、下刀架整体旋转至M2与O1重合。连接O1和A1。通过测量可以得到角度。

步骤五：初始剪切角求解。以曲柄从垂直位的最高位置为零点位置，以沿沿逆时针旋转方向为正方向，则初始剪切角为：

(11)

（3）初始剪切时对应曲柄转速求解

根据剪切工艺要求，要保证剪切轧件的速度能与飞剪系统剪刃在初始剪切角时的速度相匹配，设计中以式（12）作为计算收敛的一个判断准则，即剪切轧件的速度与初始剪切角时飞剪系统剪刃的相对速度差值与剪切带钢的速度的比值需满足设定允差要求。表达式为：

（12）

式中：

－初始剪切角时U点在坐标系xoy中的x方向速度；

－剪切带钢在坐标系xoy中的y方向速度；

－收敛允差。

给定一个计算允差，然后运用迭代方法，即可以得到与飞剪系统剪刃在初始剪切角时与剪切速度速度相匹配的曲柄转速。

（4）通过剪刃速度与带钢工艺要求速度的匹配关系求解冷轧飞剪剪切时对应电机转度

因为为在线进行剪刃速度与带钢工艺要求速度的匹配运算计算，由于剪切机构的尺寸及形式固定，故而，剪刃速度与带钢工艺要求速度的匹配关系虽然为一种非线性关系，但仍然可以通过离线计算得到这种非线性的映射关系。

给定不同带钢速度（在工艺参数范围内），然后利用前述过程，可以得到与带钢匹配时的电机速度的值。将电机转速与对应的带钢速度制成表格，并通过四阶方式进行拟合计算，可以得到具体的拟合曲线，并得到拟合函数，即：

（13）

式中：

－一定剪切带钢速度下对应的曲柄转速；

－飞剪系统总传动比；

－一定剪切带钢速度下对应的电机的输出转速；

－各种工况下给定的带钢速度；

－一定剪切带钢速度下对应的电机的输出转速的映射函数关系表达。

冷轧飞剪初始剪切时对应电机转度求解计算流程图如图4所示。

下面结合某一具体工程实例参数对本发明作进一步地详细说明。

步骤1：根据参数建立符合机械原理的相关参数方程。输入冷轧飞剪机构各组成零部件的相关参数：连杆UB的长度、连杆BC的长度、连杆CK的长度以及曲柄OA的长度、夹角和，其中O为坐标系原点，A为上刀架与曲柄相连的铰点，B为上刀架与下刀架相连的铰点，C为下刀架与固定支座连接的铰点，U为上剪刃一点，K为下剪刃最高点；为OA与UB之间的夹角，为BC与CK之间的夹角。这些具体输入参数均是通过对飞剪实体零件按机械原理示意图图1简化后得到，具有实体针对性。然后按表1所列的计算参数，分别简化得到图1中各连杆长度及相应的角度值。建立相应的坐标系mon和xoy。

表1 计算参数

名称	数值	名称	数值
				OA	86.5mm	CK	655.55mm
AB	290mm		180.742??
				BC	725.47mm		31.864??
OC	727.26mm		4．519??
				AU	95.01mm

表2 计算参数

名称	数值
		电机额定转速	750rpm
带钢最大速度	60m/min
		飞剪系统总传动比	9．4

步骤2：根据前述的作图法，完成初始剪切角的求解，可以得到。

步骤3：给定工艺要求的剪切带钢速度，计算对应初始剪切角时与带钢速度匹配的电机转速。按表2所列参数，给定电机的转速区间[a，b]后，令，根据飞剪系统总传比转化为曲柄的转速，将代入方程（1）-（9）中，求得上剪刃U点。以式（12）为迭代收敛条件。如果计算达到了式（12）的迭代收敛条件，则退出当前循环，找到对应的与带钢速度匹配的电机转速。如果没有达到收敛条件，且如果，则令，重新代入方程（1）-（9）中，再次进行求解得上剪刃U点，这样周而复始，直至达到式（12）的迭代收敛条件为止。如果没有达到收敛条件，且如果，则令，重新代入方程（1）-（9）中，再次进行求解得上剪刃U点，这样周而复始，直至达到式（12）的迭代收敛条件为止。记录此时电机的转速。

步骤4：根据带钢最大速度，给定进行一组符合工艺要求的带钢速度，并按前述步骤进行计算，得到一组与相应的带钢速度匹配的电机转速。根据表1和表2相应数据，结合多项式拟合计算，通过对和的数据拟合，可以得到与相应的带钢速度匹配的电机转速的表达式：

（14）

式中：-开始剪切时电机转速，rpm；-工艺要求的剪切带钢的水平速度，m/min。

通过上式建立了剪切时带钢速度与电机转速的匹配关系。在实际工程的控制过程中，首先根据工艺的带钢速度要求依据式（14）计算得到与此带钢速度匹配的开始剪切时电机的输出转速。然后给出电机转速的控制曲线。并依据此转速控制曲线对飞剪电机的输出转速进行控制，只要保证冷轧飞剪从曲柄垂直位的最高位置开始沿逆时针旋转并加速达到初始剪切位时电机转速能达到，则表明冷轧飞剪的电机控制完成。此时，冷轧飞剪剪刃的水平速度达到了工艺剪切要求的速度，即约为带速速度的1.05倍。

当然此方法也可以用来对带钢速度工艺要求进行核算。在步骤4中，如果当钢速度匹配的最大电机转速超出了电机的额定转速，则表明带钢速度工艺要求过高，需对进入剪切时的整个冷轧机组工艺带钢速度进行降低，直至满足所选电机转速要求，或是提高电机性能以满足带钢速度工艺要求。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种冷轧飞剪电机转速的控制方法，其特征在于：在飞剪设计过程中，通过飞剪剪刃速度与剪切带钢速度匹配来确定飞剪剪刃速度，并进而控制飞剪电机转速；主要包括如下步骤：

(1)首先，根据空间方程解析方法对飞剪机构进行简化，得到飞剪机构运动方程，给定飞剪机构的各工艺参数，进行飞剪剪刃速度求解；

(2)然后，根据飞剪机构的运动原理，通过作图法确定飞剪初始剪切角；

(3)初始剪切时对应曲柄转速求解，并进行上剪刃点收敛判断；如果收敛进入第(4)步，否则继续进行第(1)-(3)步直到收敛为止；

(4)给定工艺要求的带钢速度，通过飞剪剪刃运行水平分速度方向与带钢速度方向一致，对带钢速度和电机转速进行数据拟合，建立带钢速度与电机转速的匹配关系，确定对应初始剪切角时剪切带钢速度与飞剪电机转速的匹配关系，根据匹配关系对飞剪电机的输出转速进行控制，具体步骤如下：首先，根据带钢最大速度V_smax，给定一组符合工艺要求的带钢速度[V_s1，V_s2，V_s3，…，V_smax]，并按前述步骤第(1)-(3)步进行计算，得到一组与相应的带钢速度匹配的电机转速[n_q1，n_q2，n_q3，…，n_qmax]；

然后，对带钢速度[V_s1，V_s2，V_s3，…，V_smax]和电机转速[n_q1，n_q2，n_q3，…，n_qmax]进行数据拟合，得到带钢速度与电机转速的匹配关系：n＝19.19×V-0.0003797，其中V取值范围为大于0且小于等于60；

最后根据匹配关系给出电机转速的控制曲线，对飞剪电机的输出转速进行控制；其中，n-开始剪切时电机转速，rpm；V-工艺要求的剪切带钢的水平速度，m/min。

2.根据权利要求1所述的冷轧飞剪电机转速的控制方法，其特征在于：步骤3)中，首先根据工艺要求确定飞剪电机转速的转速区间[a，b]，令电机转速x＝(a+b)/2，按照二分法不断收敛飞剪电机转速的取值范围，根据飞剪系统总减速比计算曲柄转速，并根据飞剪机构运动方程和飞剪剪刃速度求解过程求得初始剪切角时上剪刃点U点在坐标系xoy中的x方向速度V_{cut_angle}；

然后，按进行上剪刃点收敛判断，如果没有达到收敛条件，且如果1.03×V_{cut_angle}＞V_k，则令a＝x，重新求解得上剪刃点U点在坐标系xoy中的x方向速度V_{cur_angle}；直至达到收敛条件为止，记录此时电机转速；其中，V_k-剪切带钢在坐标系xoy中的y方向速度；ε₁-收敛允差。