CN108704960A - 一种对称式四辊卷板控制方法 - Google Patents

一种对称式四辊卷板控制方法 Download PDF

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Abstract

一种对称式四辊卷板控制方法，包括如下步骤：曲率的在线监测、弹复规律的在线识别、最终压下量的在线预测以及控制。本发明将卷板智能化，不再依靠工人经验，降低了劳动强度，提高了生产效率，保证了卷板精度。不依赖板料的材料力学性能，可实时识别并修正成形规律，使成形达到最优效果。可根据不同卷板厂家的设备条件，给出符合其生产条件的最佳卷板控制。

Description

一种对称式四辊卷板控制方法
技术领域
本发明属于机械领域，涉及一种对称式四辊卷板智能控制策略。
背景技术
板材弯曲在汽车、农用机械、航空航天、仪器仪表等领域中有着广泛的应用。弯曲成形工艺中最突出的问题是在卷制特定曲率的成形件过程中，凸模下压行程以及跨距难以得到精确控制，这就很难控制相关变量，来得到精确曲率的成形件。曲率的影响因素有很多，即使是同牌号、同批次的板材，由于材料性能及工艺条件的波动也会使得弯曲件的曲率发生较大变化。传统模式主要依靠模板纸来检测目标值，并一步步修正，该检测方法会导致工件成形次数过多、工作效率低等的问题，当板材规格与材质变化时，检测模板需要重新制作，工序复杂。为了解决卷制特定曲率工件时，凸模压下量及跨距难以精确控制的问题，实现新型四辊卷板智能化控制，本专利提出一种对称式四辊卷板智能控制策略。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生产效率高、成形精度高的对称式四辊卷板控制方法。
本发明主要包括曲率的在线监测、弹复规律的在线识别、最终压下量的在线预测以及控制四个步骤，具体方法如下：
1.曲率的在线监测：以测量中心为坐标原点，测量中心到测量点1的方向为x方向建立坐标系。在卷制过程中或卷制完成之后，采用传感器测量筒形件的三个位置点，获得三个位置点的坐标，分别为(ρ1,0)、(ρ2 cosα1,ρ2 sinα1)和(ρ3 cos(α1+α2),ρ3 sin(α1+α2))，其中ρ1、ρ2、ρ3分别为三个测量点到测量中心的距离，α1、α2分别为测量点2与测量点1和测量点3之间圆弧对应的圆心角。圆心坐标为(x0,y0)。将三个坐标点带入圆的方程，可得
可求得圆心(x0,y0)和曲率半径r。
2.弹复规律的在线识别：经大量实验和数值模拟的数据积累，在对称式四辊卷板工艺中，在板坯材料确定和下模跨距一定时，上辊压下量和筒形件的曲率呈一元二次函数的关系，一般关系式为K(h)＝ah2+bh+c，h为上辊压下量，K(h)为筒形件的曲率。
为了确定一般式中的三个系数a、b、c，需要进行三次的实验。考虑到实际检测和具体操作，三次压下量的确定原则为：第一次的压下量的值要大于弹性极限压下量he；第三次压下量的值为弹复前弯曲曲率为目标曲率时的压下量h0，这样可保证板料三次试卷后的弯曲曲率不会超过目标曲率；第二次的压下量介于第一次和第三次之间。根据以上原则，设定第一次、第二次、第三次试卷的压下量分别为h1＝(3he+h0)/4、h2＝(3he+5h0)/8、h3＝h0，式中，he为弹性极限压下量，h0为第三次压下量的值为弹复前弯曲曲率为目标曲率时的压下量。通过三次试卷的压下量和在线监测的三次试卷的成形曲率初步建立压下量—曲率数据库。在生产实践过中，选择合适的下辊跨距，三次试卷确定三组上辊压下量和曲率数据，带入到上辊压下量和曲率的一般关系式中，即可确定三个系数a、b、c。
3.最终压下量的在线预测：根据以下公式计算成形目标曲率的最终压下量hm
式中，a、b和c为系数，K0为成形目标曲率。
4.控制：采用自适应闭环控制，即当采用第三步最终压下量得到的成形曲率不满足精度要求时，将这一次的压下量与成形曲率数据加入到压下量—曲率数据库中，重新拟合压下量与曲率的关系式K(h)＝ah2+bh+c，式中，a、b和c为系数，h为上辊压下量，K(h)为筒形件的曲率，得到新关系式后，重新计算成形目标曲率的最终压下量，以新的最终压下量卷制，如不满足精度要求，重复上述步骤。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.由于实际生产中完全依靠卷板工人的经验，估计压下量进行试卷，其劳动强度大，效率低，卷板精度不易保证；而采用本发明，将卷板智能化，不再依靠工人经验，降低了劳动强度，提高了生产效率，保证了卷板精度。
2.在实际生产中，当板料批次改变后，其材料力学性能也会发生波动，若采用生产数据库的积累数据，会带来一定的误差；而本发明的控制策略是不依赖板料的材料力学性能，可实时识别并修正成形规律，使成形达到最优效果。
3.采用本发明，可根据不同卷板厂家的设备条件，给出符合其生产条件的最佳卷板控制。
附图说明
图1是ST12冷轧板在不同半跨距下成形件曲率与压下量的关系图。
图2是304不锈钢在不同半跨距下成形件曲率与压下量的关系图。
图3是板坯的受力简图。
图4是弯曲过程中几何关系图。
图5是曲率半径测量原理图。
图6是智能化控制策略流程图
图中：1.上辊、2.成形件、3.下辊。
具体实施方式
实施例1
选用ST12冷轧板和304不锈钢板两种材料，板料的厚度为2mm，长度为500mm，宽度为100mm，进行对称式四辊卷板加工。按照表1和表2中压下量和下辊半跨距分别对ST12冷轧板和304不锈钢板进行卷圆，并测量每组数据下卷筒的曲率。最后，采用K(h)＝ah2+bh+c函数关系式对曲率与压下量关系数据点进行拟合，获得曲率与压下量的变化曲线，如图1和2所示。由图可知，拟合曲线的决定系数均接近1，拟合偏差均较小，说明了ST12冷轧板和304不锈钢板在对称式四辊卷板过程中，曲率与压下量的关系可通过K(h)＝ah2+bh+c函数关系式进行描述。
表1不同上辊压下量及下辊半跨距下对应的曲率(ST12冷轧板)(mm-1)
表2不同上辊压下量及下辊半跨距下对应的曲率(304不锈钢)(mm-1)
实例2
对称式四辊卷板机的上辊半径为40mm，下辊半径为50mm，上下辊初始圆心距为82mm。选择厚度为2mm，长度为942mm，宽度为100mm的ST12冷轧板进行卷圆，其屈服应力为195MPa，弹性模量为202GPa。设置卷板机参数，上辊半跨距为30mm，下辊半跨距为80mm。筒形件的目标曲率为6.667×10-3mm-1。根据图3和图4及材料力学知识，可知板坯的弹性极限压下量he和弯曲曲率为目标卷制曲率时的压下量h0可分别表示为
式中，E为弹性模量，σs为屈服应力，L为下辊跨距，Rd为下辊半径，t为厚度，α为上辊支点处转角，ρ0为目标曲率半径，H为初始上下辊圆心距，β为板坯与凸模切点处转角，L1和L2分别为上辊半跨距和下辊半跨距。
可计算出he＝3.33mm，h0＝11.2mm。
将弹性极限压下量he和弯曲曲率为目标卷制曲率时的压下量h0带入第一次、第二次和第三次试卷的压下量h1＝(3he+h0)/4、h2＝(3he+5h0)/8、h3＝h0中，即可得到三次试卷的压下量，如表3所示。
通过位移传感器和角度传感器测量三次试卷得的筒形件上三个位置点，包括转角α1＝30°、α2＝30°和距离ρ1＝125.36mm、ρ2＝146.33mm、ρ3＝167.86mm，如图5所示。将以上转角和距离带入可得成形件曲率，如表3所示。通过三组压下量和成形件曲率数据，对压下量与成形件曲率关系式K(h)＝ah2+bh+c进行拟合，得到a、b、c分别为3.95×10-5、5.36×10-5、-5.65×10-4，从而得到压下量与成形件曲率关系式。将目标曲率6.667×10-3mm-1带入关系式中，得到卷制压下量13.2mm，经卷制后，获得的成形件曲率为6.3×10-3mm-1，相对误差为5.4％，精度较差。
根据三次试卷和卷制得到的4组压下量与成形件曲率的关系数据，重新拟合关系式K(h)＝ah2+bh+c，得到a、b、c分别为3.86×10-5、5.63×10-5、-5.68×10-4，从而得到压下量与成形件曲率新关系式，再将目标曲率6.667×10-3mm-1带入新关系式中，得到修正卷制压下量13.4mm。再次修正卷制后，获得的成形件曲率为6.65×10-3mm-1，相对误差为0.3％，精度较好，具体数据见表3，图6为对称式四辊卷板智能控制策略流程图。
表3智能化控制过程测量结果
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，例如在其他形式的卷板工艺中。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种对称式四辊卷板控制方法，其特征在于：曲率的在线监测、弹复规律的在线识别、最终压下量的在线预测以及控制，具体方法如下：
(1)曲率的在线监测：以测量中心为坐标原点，测量中心到测量点1的方向为x方向建立坐标系，在卷制过程中或卷制完成之后，采用传感器测量筒形件的三个位置点，获得三个位置点的坐标，分别为(ρ1,0)、(ρ2cosα1,ρ2sinα1)和(ρ3cos(α1+α2),ρ3sin(α1+α2))，其中ρ1、ρ2、ρ3分别为三个测量点到测量中心的距离，α1、α2分别为测量点2与测量点1和测量点3之间圆弧对应的圆心角，圆心坐标为(x0,y0)，将三个坐标点带入圆的方程，可得
可求得圆心(x0,y0)和曲率半径r；
(2)弹复规律的在线识别：经大量实验和数值模拟的数据积累，在对称式四辊卷板工艺中，在板坯材料确定和下模跨距一定时，上辊压下量和筒形件的曲率呈一元二次函数的关系，一般关系式为K(h)＝ah2+bh+c，h为上辊压下量，K(h)为筒形件的曲率，
为了确定一般式中的三个系数a、b、c，需要进行三次的实验，考虑到实际检测和具体操作，三次压下量的确定原则为：第一次的压下量的值要大于弹性极限压下量he；第三次压下量的值为弹复前弯曲曲率为目标曲率时的压下量h0，这样可保证板料三次试卷后的弯曲曲率不会超过目标曲率；第二次的压下量介于第一次和第三次之间，根据以上原则，设定第一次、第二次、第三次试卷的压下量分别为h1＝(3he+h0)/4、h2＝(3he+5h0)/8、h3＝h0，式中，he为弹性极限压下量，h0为第三次压下量的值为弹复前弯曲曲率为目标曲率时的压下量，通过三次试卷的压下量和在线监测的三次试卷的成形曲率初步建立压下量—曲率数据库，在生产实践过中，选择合适的下辊跨距，三次试卷确定三组上辊压下量和曲率数据，带入到上辊压下量和曲率的一般关系式中，即可确定三个系数a、b、c；
(3)最终压下量的在线预测：根据以下公式计算成形目标曲率的最终压下量hm
式中，a、b和c为系数，K0为成形目标曲率；
(4)控制：采用自适应闭环控制，即当采用第三步最终压下量得到的成形曲率不满足精度要求时，将这一次的压下量与成形曲率数据加入到压下量—曲率数据库中，重新拟合压下量与曲率的关系式K(h)＝ah2+bh+c，式中，a、b和c为系数，h为上辊压下量，K(h)为筒形件的曲率，得到新关系式后，重新计算成形目标曲率的最终压下量，以新的最终压下量卷制，如不满足精度要求，重复上述步骤。
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