CN103537750A - 一种滚切式双边剪剪切控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚切式双边剪剪切控制方法，该控制方法根据工艺模型计算机下发的剪切给定步长L和剪切给定速度v，判定和计算出夹送辊的控制加速度a，并根据加速度a来进行夹送辊电机速度控制，从而在设定剪切速度运行条件下，最大限度地减小了夹送辊加速度，弱化了夹送辊与钢板之间的打滑现象，减小了钢板在剪切过程中的跑偏量。

Description

一种滚切式双边剪剪切控制方法

技术领域

本发明涉及剪切控制技术，更具体地说，涉及一种滚切式双边剪剪切控制方法。

背景技术

厚板企业采用目前世界上最流行的宽厚板剪切设备——滚切式双边剪对钢板宽度方向上进行步进式定宽双边剪切。整个双边剪设备主要包括入口辊道、对中激光划线、宽度调整静压导轨、固定侧机架、移动侧机架、夹送辊、刀台及剪刃等主要部分。在厚板剪切工序中，钢板质量缺陷主要集中在双边剪区域。因为双边剪问题导致的错刀、毛刺、接痕等剪切缺陷成为众多宽厚板厂的质量症结。在影响双边剪剪切质量的众多因素中，剪切过程中的钢板跑偏是最主要的因素。

双边剪入口第一组夹送辊有四个辊子组成，分别是固定侧上辊、下辊和移动侧上辊、下辊。其中，两个下辊之间采用同步轴刚性连接，保证两个下辊机械同步。而钢板在夹送辊之间步进式前进。理想情况下，钢板的前进方向为理论上的物流方向，且垂直于夹送辊水平安装方向。钢板的前进动力主要来自于夹送辊对钢板的摩擦力，且必须保证固定侧和移动侧基本相等以确保钢板在前进的过程中不至于跑偏。

但实际生产过程中，钢板经常发生跑偏。跑偏的原因很多，其中夹送辊标高、夹送辊倾角、夹送辊水平夹角及电机控制的同步性都将影响钢板跑偏。钢板两侧受力不平衡或所受总力的矢量方向与剪切物流方向存在夹角是导致钢板跑偏的机理所在。

针对双边剪的跑偏现象，设备人员主要的调节手段就是将夹送辊标高、夹送辊倾角、夹送辊水平调整到设计水平或者根据现场实际跑偏情况对其中某个因素进行微量调整。这种调整方法的出发点在于控制钢板两侧的受力平衡、控制钢板所受总力的矢量方向，理论上是符合调整原则的。但是，事实上因为影响因素较多，很难把握每个因素的调整量。再者所有的影响因素是一个动态变化过程，很难稳定在一个水平。这直接导致钢板跑偏的不确定性及非稳态特征。双边剪跑偏的不受控严重影响了厚板工序的成材率及剪切线的直行率，始终是困扰厚板生产的一大顽症。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种滚切式双边剪剪切控制方法，能够有效减少钢板跑偏。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的滚切式双边剪剪切控制方法，包括以下步骤：

A．由工艺模型计算机下发剪切数据至PLC，剪切数据包括剪切给定步长L和剪切给定速度v；

B．根据剪切给定步长和速度计算出夹送辊的控制加速度a；

C．根据夹送辊的控制加速度a计算出夹送辊速度斜坡设定曲线；

D．将夹送辊速度设定发送给变频器，由变频器以此控制夹送辊电机运行，并进行步进式剪切。

在步骤B中，当所述的剪切给定速度v<150°/S时，根据公式a=L.v²/12100计算出夹送辊的控制加速度a。

在步骤B中，当所述的剪切给定速度150°<v<180°时，判断是否是剪切前三步，若为剪切前三步，则重设剪切给定速度，使v=150°/S，并根据公式a=L.v²/12100分别计算出夹送辊的控制加速度a。

若非剪切前三步，则采用工艺模型计算机的剪切给定速度，并根据公式a=L.v²/12100计算出夹送辊的控制加速度a。

在上述技术方案中，本发明的滚切式双边剪剪切控制方法，根据工艺模型计算机下发的剪切给定步长L和剪切给定速度v，判定和计算出夹送辊的控制加速度a，并根据加速度a来进行夹送辊电机速度控制，从而在设定剪切速度运行条件下，最大限度地减小了夹送辊加速度，弱化了夹送辊与钢板之间的打滑现象，减小了钢板在剪切过程中的跑偏量。

附图说明

图1是钢板负载分析图；

图2是钢板平面运动状态分析图；

图3是夹送辊运动相序图；

图4是本发明的主流程框图；

图5是本发明的夹送辊控制加速度计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

一、原理介绍

本发明与现有技术的不同在于，寻找另一种影响跑偏的关键因子，并且这种因子可控、易调，结合生产实际情况，通过调节这种因子的具体方法，从而实现跑偏在一定程度上稳定可控，继而达到缩小跑偏量的目的。

因此该调整技术必须满足以下要求：

1、调整方法对减小跑偏有效，方向明确

关键因子确定后，被证实将在较大程度上影响跑偏。

2、调整方法实施方便

现有的调整方案以现场夹送辊机械参数为目标，调整耗时费力，其中“倾角”参数单个夹送辊单次调整时间约3～4小时。通过本发明的调整方案一旦被确定后将以最快减小跑偏为梯度方向自动调整影响因子，无需人工调整。

3、调整方法不影响当前生产工艺

现有的调节手段存在不确定性及非稳态特征，每次调整完后不能完全保证跑偏的“望小”目标，甚至可能导致跑偏的突变。通过本发明的调节技术将剪切工艺作为基础设计，不影响当前生产。

1.影响因子（夹送辊的控制加速度a）的发现

1.1假设理想情况分析：

理想情况假设：不考虑挠度补偿，夹送辊水平夹角、倾角都为0，夹送辊及辊道提供给钢板的运动动力方向与剪切物流方向完全相同。在正常生产理想工况下，夹紧油缸下压，夹送辊夹紧钢板往物流方向步进式运行。请参阅图1所示，钢板瞬时速度为V，加速度为a。将钢板分成两半，移动侧和固定侧各一半，质量为m。如图1所示，下面对移动侧一半的钢板进行负载分析。

设钢板与入口辊道的摩擦系数为f4，支撑力为FN4，摩擦力为F4；与刀台的摩擦系数为f1，支撑力为FN1，摩擦力为F1；与上夹送辊摩擦系数为f2，下压力为F压，摩擦力为F2；与下夹送辊摩擦系数为f3，支撑力为FN，摩擦钢板为刚性，受力后不产生弯曲。则存在如下关系式（不考虑

臂造成的弯矩）：

F4=FN4×f4------（1）

水平方向上力平衡方程式为：

F2+F3+F4-F1=m×a------（2）

垂直方向上力平衡方程式为：

F压+G=FN1+FN4+FN------（3）

式（2）为钢板水平方向（物流方向）受力平衡方程式。当等式左边大于右边时，夹送辊能够提供足够的摩擦力以获取所需要的加速度；当等式左边小于右边时，夹送辊将无法提供足够的摩擦力从而与钢板之间打滑。一旦有打滑现象产生，跑偏将不受控。

在等式左右两边的各参数中，可调节的参数有2个，分别为夹送辊下压力和输送钢板的加速度。要防止钢板打滑，有2个途径：A、增加夹送辊下压力；B、减小加速度。前者将造成钢板表面压痕，不可取。我们通过减小加速度的方式以防止夹送辊与钢板之间打滑，降低跑偏量。

1.2基于现状的动力学分析：

现状：考虑夹送辊挠度补偿，夹送辊水平夹角、倾角都不为0，夹送辊及辊道提供给钢板的运动动力方向与剪切物流方向存在夹角。

如图2所示，钢板平面运动假设：考察钢板平面受力，基于平面运动假设，钢板将围绕中心点O旋转，旋转角加速度为ε，各受力的力臂如图中所示，两侧夹送辊对钢板的水平作用力与物流方向分别成β1和β2夹角。设钢板转动惯量为I=f（H，L，W）（转动惯量是钢板长宽厚的函数），建立平面运动方程：

M=I×ε=[(F21+F31)×cosβ1×d21-(F22+F32)×cosβ2×d22]+[F41×d41-F42×d42]+[F12×d12-F11×d11]    ------（4）

力学方程：

[F41+F42]-[F12+F11]    ------（5）

式（1）～（5）中的受力符号含义参考图3、图4的受力分析。

由式（5）可以看出，加速度a越大，夹送辊就要出力越多；由式（4）可以看出，夹送辊出力越多，造成的钢板平面运动角加速度就越大。因此，加速度越大，钢板就越容易发生旋转，跑偏就越明显。同样可以得出结论：通过减小加速度可以减小跑偏。

2．加速度a的优化设定方法

2.1加速度a的自适应调整

双边剪采用步进滚切式剪切方式，即夹送辊每运动一个步长L输送钢板后停止，剪刃动作到剪切角度实施剪切动作；当剪刃动作到安全位置后，夹送辊再运动一个步长L输送钢板，如此循环。

夹送辊运动采用位置控制模式，位置目标为L。当确定目标位置L后，通过编程计算夹送辊速度输出。夹送辊速度给定通过PROFIBUS通讯发送给变频器，变频器在得到速度给定后采用双闭环控制实现夹送辊速度和电流控制。

设计剪切角度区间为120度，余量20度，夹送辊最大运行区间为220度。根据剪切工艺需求，建立夹送辊运动和剪切角度的平面相序图，如图3所示：

夹送辊将在非剪切角度（安全角度）内按照预定步长完成三角坡曲线运行。三角坡面积为夹送辊速度积分，也就是步长L。三角坡坡度（斜率）为加速度a。

我们发现加速度越小，跑偏就越小。但是，加速度不能过小。如果加速度过小，夹送辊无法在安全角度内完成全步长运行。当然，如果一定要在安全角度内完成全步长运行，就必须把相序图的时间刻度拉长。降低剪切速度可有效拉长时间刻度。

综上分析，夹送辊加速度可以优化调整，其最小值与步长L、剪切速度v有关，而步长L、剪切速度v是两个变量，因此我们可以实现夹送辊加速度根据步长L和剪切速度v自适应调整功能，

夹送辊安全运行角度为220°，设允许运行时间为t，则：

t=220/v------（6）

考察夹送辊运行步长：

L=a.(t/2)²=a.(220/v.2)²=a.(110/v)²------（7）

加速度自适应调整公式为：

a=L.v²/12100------（8）

式（6）～（8）中，t——时间，s；v——剪切给定速度，m/s；L——剪切给定步长，m；a——夹送辊的控制加速度，m/s²

2.2剪切前三步小加速度设计

剪切速度设计最大为180°/s，当剪切速度模型计算值小于180°/s时，采用加速度自适应调整模型可最大程度减小加速度从而改善跑偏。当剪切速度模型设定值为最大值180°/s时，加速度基本上无优化空间。

而实际发现，双边剪跑偏主要发生在夹送辊运行的前三个步长，主要原因在于：前三个步长运行时，只有第一组夹送辊在夹送钢板，系统稳定性差，极易发生跑偏。当第四个步长第二组夹送辊也参与夹送钢板后，系统稳定性提高，跑偏明显稳定。

如果采用最大速度剪切，可考虑对前三个步长采用较小剪切速度，从而降低前三个步长的加速度，降低呈显著特征的前三个步长跑偏。第四个步长以后，恢复模型给定的最大剪切速度及其相应的夹送辊加速度。

因此，本发明的滚切式双边剪剪切控制方法如图4、图5所示，可采用以下步骤：

A．由工艺模型计算机下发剪切数据至PLC，剪切数据包括剪切给定步长L和剪切给定速度v；

B．根据剪切给定步长和速度计算出夹送辊的控制加速度a；

C．根据夹送辊的控制加速度a计算出夹送辊速度斜坡设定曲线；

D．将夹送辊速度设定发送给变频器，由变频器以此控制夹送辊电机运行，并进行步进式剪切。

在步骤B中，当所述的剪切给定速度v<150°/S时，根据公式a=L.v²/12100计算出夹送辊的控制加速度a。

在步骤B中，当所述的剪切给定速度150°<v<180°时，判断是否是剪切前三步，若为剪切前三步，则重设剪切给定速度，使v=150°/S，并根据公式a=L.v²/12100分别计算出夹送辊的控制加速度a。

若非剪切前三步，则采用工艺模型计算机的剪切给定速度，并根据公式a=L.v²/12100计算出夹送辊的控制加速度a。

采用本发明的控制方法，能够在设定剪切速度运行条件下，最大限度地减小了夹送辊加速度，弱化了夹送辊与钢板之间的打滑现象，减小了钢板在剪切过程中的跑偏量，并且实施小加速度剪切顺序控制功能后，在尽量避免对剪切节奏影响的同时，有效控制及缓解了双边剪剪切跑偏现象，可为厚板工序成材率的提高和剪切线直行率的提升奠定坚实基础。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (4)

1.一种滚切式双边剪剪切控制方法，其特征在于，

包括以下步骤：

A．由工艺模型计算机下发剪切数据至PLC，剪切数据包括剪切给定步长L和剪切给定速度v；

B．根据剪切给定步长和速度计算出夹送辊的控制加速度a；

C．根据夹送辊的控制加速度a计算出夹送辊速度斜坡设定曲线；

D．将夹送辊速度设定发送给变频器，由变频器以此控制夹送辊电机运行，并进行步进式剪切。

2.如权利要求1所述的滚切式双边剪剪切控制方法，其特征在于：

在步骤B中，当所述的剪切给定速度v<150°/S时，根据公式a=L.v²/12100计算出夹送辊的控制加速度a。

3.如权利要求1所述的滚切式双边剪剪切控制方法，其特征在于：

在步骤B中，当所述的剪切给定速度150°<v<180°时，判断是否是剪切前三步，若为剪切前三步，则重设剪切给定速度，使v=150°/S，并根据公式a=L.v²/12100分别计算出夹送辊的控制加速度a。

4.如权利要求3所述的滚切式双边剪剪切控制方法，其特征在于：

若非剪切前三步，则采用工艺模型计算机的剪切给定速度，并根据公式a=L.v²/12100计算出夹送辊的控制加速度a。

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