CN108160718B - 一种大型筒节卧式轧制过程中外径检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型筒节卧式轧制过程中外径检测系统。本发明主要是解决现有筒节测量装置存在的测量精度低、误差大和无法投入外形闭环控制系统的技术问题。本发明的技术方案是：该系统其由激光外径检测装置、升降装置、倾斜装置、数据采集卡、编码器、上位机和PLC控制器构成，升降装置铰接在轧机操作侧牌坊上，升降装置与倾斜装置的伸缩端铰接，倾斜装置与轧机操作侧牌坊顶面连接，激光外径检测装置装在升降装置上，编码器与升降装置的一端连接，数据采集卡设在升降装置上，激光外径检测装置的信号输出端与数据采集卡的信号输入端连接，数据采集卡的信号输出端和编码器的信号端与PLC控制器的信号输入端连接，PLC控制器的信号端与上位机的信号端连接。

Description

一种大型筒节卧式轧制过程中外径检测系统

技术领域

本发明涉及一种大型筒节卧式轧制过程中外径检测系统，它属于检测轧制大型圆直径产品的检测设备技术领域。

背景技术

5～8m的大型筒节普遍应用于加氢及核电项目中，传统的大型筒节均采用液压压机对毛坯进行锻压扩孔，其工作效率低、筒节外形尺寸偏差大。随着卧式大型筒节轧机的发明，筒节采用轧制的方法进行制造，使得制造效率及外形尺寸精度都得到了大幅度的提升。

在筒节的轧制过程中需要对筒节的外形尺寸进行检测跟踪，使得轧制过程可控并保证产品的精度。目前的检测手段主要有抱辊位置检测反推法、远距离激光测距仪测量法等，但在实际应用中三点成圆的抱辊位置检测法由于测量精度低、误差大，无法投入外形闭环控制系统；而目前已检索到的两种远距离激光测距法，均要求将测量系统安装在厂房顶部，且底座固定，这类方法在使用过程中由于厂房行车的影响，不利于检修、维护，无法实际应用。

大型筒节的一般生产过程为下料→加热→制坯→加热→卧式轧制→精加工。在毛坯锻造的过程中，在坯料内、外径上必然会产生较大的锥度，使得筒节在卧式轧制过程中，产生非常严重的跑偏。虽然轧机配有下工作辊倾斜装置，但必须配合实时的筒节外形检测手段才能投入调控，以保证轧制过程的稳定性。大型筒节卧式轧制的工作温度范围一般为800～1200℃，采用类似锻造筒节过程的人工测量方法，存在劳动强度高、测量精度低、且无法实时反馈用于轧辊倾斜控制的缺陷。因此开发一套高精度大型卧式筒节轧机轧制过程外形检测装置及控制系统，不但可以保证轧制过程的稳定进行，还能大幅提高成品尺寸精度，对提升我国大型筒节的制造水平具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有筒节测量装置存在的测量精度低、误差大和无法投入外形闭环控制系统的技术问题，提供一种既能测量筒节外径尺寸又能测定筒节轧制过程的横向窜动量的大型筒节卧式轧制过程中外径检测系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种大型筒节卧式轧制过程中外径检测系统，其由激光外径检测装置、升降装置、倾斜装置、数据采集卡、编码器、上位机和PLC控制器构成，升降装置的一端铰接在轧机操作侧牌坊上横梁内侧面的下部，升降装置的另一端与倾斜装置的伸缩端铰接，倾斜装置的固定端与轧机操作侧牌坊上横梁的顶面连接，激光外径检测装置装在升降装置的滑块上，编码器与升降装置的丝杆一端连接，数据采集卡设在升降装置的丝杆一端，激光外径检测装置的信号输出端与数据采集卡的信号输入端连接，数据采集卡的信号输出端和编码器的信号端与PLC控制器的信号输入端连接，PLC控制器的信号端与上位机的信号端连接。

进一步地，所述激光外径检测装置发出具有测距功能的两束激光照向筒节，并使上激光束位于筒节上沿外，下激光束位于筒节上，整个轧制过程中保证筒节外径始终保持在这两束激光之间。

进一步地，通过所述激光外径检测装置测量的数据计算筒节的实时外径，同时实时反馈筒节端面与轧机操作侧牌坊内侧面的间距，并反算出另一端面与轧机另一牌坊内侧面的距离，以此判断筒节轧制过程沿轧辊方向的横向移动情况。

进一步地，所述激光外径检测装置的升降速度为测量端的筒节外径的长大速度，并由系统进行实时调整。

进一步地，所述升降装置能够倾斜，倾斜角度与下工作辊倾斜角度一致，使激光外径检测装置所发出的两束激光与下工作辊平行，与筒节轴线方向的断面平行，以保证其测量精度。

进一步地，通过下激光束所照射的点是位于筒节端面还是位于筒节外圆以判断筒节外圆的圆柱度。

本发明的有益效果为：

1)本发明能应用于5～8m大型筒节的卧式轧制过程的检测，其外径检测精度可保持在±10mm；

2)本发明的测量装置安装在轧机牌坊上，与现有的大型筒节外形检测方案相比，其检修和维护的难度低，可操作性强；

3)本发明结构简单、操作方便、使用寿命长；

4)本发明的测量结果可直接参与大型筒节轧制过程的窜动控制，极大地提高了筒节轧制过程的稳定性，对缩短轧制周期、降低生产成本作用明显；

5)本发明对筒节外圆圆柱度的检测结果可以与下工作辊的倾斜控制组成闭环，提高了筒节的外形精度及轧制过程的稳定性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为图1的A——A剖视图；

图3为大型筒节轧机坯料尺寸参数示意图；

图4为大型筒节卧式轧制过程中的中间坯尺寸参数示意图；

图5为本发明的电气控制原理图；

图中：1—轧机操作侧牌坊，2—下工作辊，3—上工作辊，4—左抱辊、5—右抱辊，6—筒节，7—激光外径检测装置，8—升降装置，9—倾斜装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本实施例中的一种大型筒节卧式轧制过程中外径检测系统，其由激光外径检测装置7、升降装置8、倾斜装置9、数据采集卡、编码器、上位机和PLC控制器构成，升降装置8的一端铰接在轧机操作侧牌坊1上横梁内侧面的下部，升降装置8的另一端与倾斜装置9的伸缩端铰接，倾斜装置9的固定端与轧机操作侧牌坊1上横梁的顶面连接，激光外径检测装置7装在升降装置8的滑块上，编码器与升降装置8的丝杆一端连接，数据采集卡设在升降装置8的丝杆一端，激光外径检测装置7的信号输出端与数据采集卡的信号输入端连接，数据采集卡的信号输出端和编码器的信号端与PLC控制器的信号输入端连接，PLC控制器的信号端与上位机的信号端连接。

所述升降装置8采用电机驱动丝杆机构的工作型式，在丝杆的一端安装编码器对丝杆的旋转速度及激光外径检测装置7的直线位移进行反馈。

所述倾斜装置9采用液压缸工作型式，液压缸的缸体与固定在轧机操作侧牌坊1上横梁顶面的支架铰接，液压缸的伸缩杆端与升降装置8铰接，通过液压缸伸缩杆的伸缩带动升降装置8倾斜，从而带动激光外径检测装置7同步倾斜。液压缸带位移传感器，由比例系统或伺服系统对倾斜角度进行精确控制。升降装置8倾斜的角度与下工作辊2的倾斜角度一致，由激光外径检测装置7反馈的筒节外圆圆柱度情况对下工作辊2倾斜度进行调整，同时倾斜装置9也随之进行倾斜度变化，从而形成倾斜控制的闭环控制系统。

进一步地，所述激光外径检测装置7发出具有测距功能的两束激光照向筒节6，并使上激光束位于筒节6上沿外，下激光束位于筒节6上，整个轧制过程中始终保证筒节6外径始终保持在这两束激光之间。

进一步地，在轧制过程中，通过所述激光外径检测装置7测量的数据计算筒节6的实时外径，同时实时反馈筒节6端面与轧机操作侧牌坊1内侧面的间距，并反算出另一端面与轧机另一牌坊内侧面的距离，以此判断筒节6轧制过程沿轧辊方向的横向移动情况。

进一步地，所述激光外径检测装置7的升降速度为测量端的筒节6外径的长大速度，并由系统进行实时调整。

进一步地，所述升降装置8能够倾斜，倾斜角度与下工作辊2倾斜角度一致，使激光外径检测装置7所发出的两束激光与下工作辊2平行，与筒节6轴线方向的断面平行，以保证其测量精度。

进一步地，通过下激光束所照射的点是位于筒节6端面还是位于筒节6外圆以判断筒节外圆的圆柱度。

如图5所示，本发明的电气控制原理为：轧制前将筒节6的外径小端朝激光外径检测装置7方向放置，激光外径检测装置7根据毛坯尺寸摆在预定高度，并可进行人工微调，使上激光束离开筒节上沿，下激光束照在筒节6上，保证筒节6外径始终保持在两个激光束之间。然后，本发明开始工作，工作时，激光外径检测装置7按筒节6外径扩大速度行走，当激光外径检测装置7将检测到的筒节6外圆直径和外端边距信息经数据采集卡传给PLC控制器，PLC控制器将根据筒节6的厚度、直径、下工作辊2压上速度等参数计算激光外径检测装置7的移动速度，并控制其运行机构跟踪筒节6外径的变化。同时由激光外径检测装置7反馈的筒节6外圆圆柱度情况对下工作辊2倾斜度进行调整，倾斜装置9也随之进行倾斜度变化，从而形成倾斜控制的闭环控制系统。

下面进一步阐明本发明的控制原理。

以图3中的筒节6坯料为例，设定其大端内、外径分别为d₁、D₁；小端内、外径分别为d₂、D₂；此时有大、小端筒节6壁厚分别为H₁、H₂：

当下工作辊2以速度n₀rad/s转动时，可根据操作侧单道次压下量Δh₂计算出操作侧HGC液压缸的压上速度v2mm/s：

式中，R_驱为筒节轧机下工作辊半径，mm；d₂₂为单圈轧制后的小端内径，mm；Δh₂为操作侧单圈压下量，mm；h₂为单圈轧制后的出口厚度，mm。

此时根据小端的单圈出口厚度h₂，推出小端外径的长大速度v_小mm/s，此速度即为PLC控制器反馈给激光外径检测装置7的移动速度：

实际生产过程中，为了保证轧制过程的稳定性，防止中间坯由于大、小端外径不等引起的横向窜动，必须采用下工作辊2倾斜的方式将中间坯轧制成如图4所示情况，如果将轧制过程分为n圈，设定中间坯的大端内、外径分别为d₁(n)、D₁(n)，小端内、外径分别为d₂(n)、D₂(n)，大、小端壁厚分别为h₁(n)、h₂(n)。

通过激光外形检测装置7可实测小端外径D₂(n)，根据筒节轧制工艺操作侧小端壁厚的每道次厚度改变值Δh₂(n)，可计算筒节小端的内径d₂(n)。根据体积不变原理，为保证每圈轧制后的中间坯大、小端外径D₂(n)＝D₁(n)相等，在不考虑宽展影响的情况下有对应圈的大端厚度改变值Δh₁(n)：

Δh₁(n)＝h₁(n-1)-h₁(n) (4)

h₁(n)＝0.5*(D₁(n)-d₁(n)) (5)

D₁(n)²-d₁(n)²＝D₁(n-1)²-d₁(n-1)² (6)

由此可求得此时需要的轧辊倾斜角度α_n为：

式中，B为中间坯的宽度，mm。

实际操作过程中，为了避免由于轧机震动、系统干扰、轧辊变形、轧件初始位置等因素对测量结果的影响，将每阶段由激光外径检测装置7实测的反算的轧辊倾斜角度α修正为：

α＝k_a·k_l·α_n (8)

式中，k_l为筒节边部距轧机牌坊距离的调控系数，k_l＝1+ln(l_实/l_设)；l_实为激光外径检测装置检测到的筒节边部距牌坊距离，mm；l_设为工艺设定的筒节边部距离到牌坊的安全距离，mm；k_a为环境影响系数，取值范围1～1.2，当设备稳定性较好、轧辊新安装时取小值，反之取大值，理论设定是可先取1.1。

实际生产过程中，由于设备能力的限制轧辊倾斜角度的操作范围为(-1°，1°)。

实施例1

筒节坯料的尺寸为：小端外径5400mm，小端壁厚500mm，大端外径5500mm，大端壁厚520mm，筒节宽度3000mm；采用5圈轧制的方法，以小端壁厚为基准，按28、22、18、14、9的单圈压下路径，下工作辊的转动为0.2rad/s时，将坯料轧制为外径6400mm的成品。每轧制一圈，当激光外径检测装置测量的小端外径如表1所示时，对应的下工作辊2倾斜角度和激光外径检测装置7移动速度如表1所示。

表1由激光外径检测装置测量得到的小端外径反推轧辊倾斜角度和检测装置移动速度表

Claims (6)

1.一种大型筒节卧式轧制过程中外径检测系统，其特征在于：它由激光外径检测装置、升降装置、倾斜装置、数据采集卡、编码器、上位机和PLC控制器构成，升降装置的一端铰接在轧机操作侧牌坊上横梁内侧面的下部，升降装置的另一端与倾斜装置的伸缩端铰接，倾斜装置的固定端与轧机操作侧牌坊上横梁的顶面连接，激光外径检测装置装在升降装置的滑块上，编码器与升降装置的丝杆一端连接，数据采集卡设在升降装置的丝杆一端，激光外径检测装置的信号输出端与数据采集卡的信号输入端连接，数据采集卡的信号输出端和编码器的信号端与PLC控制器的信号输入端连接，PLC控制器的信号端与上位机的信号端连接。

2.根据权利要求1所述的一种大型筒节卧式轧制过程中外径检测系统，其特征在于：所述激光外径检测装置发出具有测距功能的两束激光照向筒节，并使上激光束位于筒节上沿外，下激光束位于筒节上，整个轧制过程中保证筒节外径始终保持在这两束激光之间。

3.根据权利要求1所述的一种大型筒节卧式轧制过程中外径检测系统，其特征在于：通过所述激光外径检测装置测量的数据计算筒节的实时外径，同时实时反馈筒节端面与轧机操作侧牌坊内侧面的间距，并反算出另一端面与轧机另一牌坊内侧面的距离，以此判断筒节轧制过程沿轧辊方向的横向移动情况。

4.根据权利要求1所述的一种大型筒节卧式轧制过程中外径检测系统，其特征在于：所述激光外径检测装置的升降速度为测量端的筒节外径的长大速度，并由系统进行实时调整。

5.根据权利要求1所述的一种大型筒节卧式轧制过程中外径检测系统，其特征在于：所述升降装置能够倾斜，倾斜角度与下工作辊倾斜角度一致，使激光外径检测装置所发出的两束激光与下工作辊平行，与筒节轴线方向的断面平行，以保证其测量精度。

6.根据权利要求2所述的一种大型筒节卧式轧制过程中外径检测系统，其特征在于：通过下激光束所照射的点是位于筒节端面还是位于筒节外圆以判断筒节外圆的圆柱度。