CN114535473A - 一种轧环机径向定心辊的位置控制系统及方法 - Google Patents

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柴星
王斌
付永涛
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Abstract

本发明属于金属塑性成形技术领域，公开了一种轧环机径向定心辊的位置控制系统，包括环件外径位移传感器、PLC控制模块和径向定心辊油缸伺服控制装置，所述环件外径位移传感器用于测量被轧制环件的实时外径尺寸，所述环件外径位移传感器信号输出端连接PLC控制模块的信号输入端，所述PLC控制模块内预存有数学模型，所述PLC控制模块信号输出端连接径向定心辊油缸伺服控制装置。本发明还公开了轧环机径向定心辊的位置控制方法。本发明控制系统及方法可以提高轧环机所轧制的环件的圆度，降低轧制过程中环件的偏心率，同时增强在环件轧制的过程中的稳定性，有利于轧制环件材料的均匀性，减小局部材料残余应力的集中，从而进一步得到良好的综合机械性能。

Description

一种轧环机径向定心辊的位置控制系统及方法
技术领域
本发明属于金属塑性成形技术领域，尤其涉及一种轧环机径向定心辊的位置控制系统及方法。
背景技术
轧环机工作过程中，定心辊的位置控制决定了轧环机轧环过程的稳定性和成品环件的尺寸精准度和圆度。为了提高现有轧环机所轧制的环件的圆度，降低轧制过程中环件的偏心率，同时增强在环件轧制的过程中的稳定性，提出了本发明。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种轧环机径向定心辊的位置控制系统及方法。
为实现以上目的，本发明一方面涉及一种轧环机径向定心辊的位置控制系统。
一种轧环机径向定心辊的位置控制系统，包括环件外径位移传感器、PLC控制模块和径向定心辊油缸伺服控制装置，所述环件外径位移传感器用于测量被轧制环件的实时外径尺寸，所述环件外径位移传感器信号输出端连接PLC控制模块的信号输入端，所述PLC控制模块内预存有数学模型，所述PLC控制模块信号输出端连接径向定心辊油缸伺服控制装置。
进一步地，所述径向定心辊油缸伺服控制装置包括径向定心辊操作侧油缸伺服控制装置和径向定心辊上料侧油缸伺服控制装置。
所述PLC控制模块根据环件外径位移传感器测量的实时环件外径尺寸参数，计算得到相应结果并输出至定心径向定心辊油缸伺服控制装置。
本发明另一方面涉及一种轧环机径向定心辊的位置控制方法。
一种轧环机径向定心辊的位置控制方法，在环形锻件轧制过程中，采用环件外径位移传感器测得的环件实时半径和获取的主辊中心至定心辊支架旋转中心的水平距离、主辊半径、定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的水平距离、主辊中心至定心辊支架旋转中心的垂直距离、定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的垂直距离、油缸铰轴至耳环中心的起始距离、油缸耳环中心与定心辊旋转中心的距离、径向定心辊外圆直径、径向定心辊中心轨迹的半径和油缸活塞杆端部耳环中心轨迹的半径，通过建立数学模型，最终计算出定心辊油缸的实时行程。
进一步地，所述轧环机径向定心辊的位置控制方法，具体包括以下步骤：
步骤100.获得主辊半径B和径向定心辊外圆半径R2；
步骤200.获得主辊中心至定心辊支架旋转中心的水平距离A，主辊中心至定心辊支架旋转中心的垂直距离D和径向定心辊中心轨迹的半径R3；
步骤300.获得定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的水平距离C和定心辊支架旋转中心到定心辊油缸固定耳轴的垂直距离E；
步骤400.获得定心辊油缸铰轴至耳环中心的起始距离F和定心辊油缸活塞杆端部耳环中心轨迹的半径R4；
步骤500.获得定心辊油缸耳环中心与定心辊旋转中心的距离G和环件外径位移传感器测得的环件实时半径R1；
步骤600.将获取的各个参数值带入所建立的数学模型中进行计算，获得最终的径向定心辊油缸行程。
进一步地，所述数学模型为：
x定心辊＝x环-(R1+R2)cos(∠1+∠2)＝R3cos(180°+∠3+∠4+∠5)
Figure BDA0003513686820000031
Figure BDA0003513686820000032
Figure BDA0003513686820000033
Figure BDA0003513686820000034
Figure BDA0003513686820000035
其中：A为主辊中心至定心辊支架旋转中心的水平距离；B为主辊半径；C为定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的水平距离；D为主辊中心至定心辊辊支架旋转中心的垂直距离；E为定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的垂直距离；F为定心辊油缸铰轴至耳环中心的起始距离；G为定心辊油缸耳环中心与定心辊旋转中心的距离；L为定心辊油缸行程；R1为环件外圆的半径；R2为径向定心辊外圆的半径；R3为径向定心辊辊中心轨迹的半径；R4为定心辊油缸活塞杆头耳环中心轨迹的半径。
进一步地，所述数学模型建立过程为：首先以定心辊支架旋转中心点为O1(0,0)点建立坐标系，主辊中心点为W(x主辊,y主辊)点，环件圆心点为U(x环，y环)，定心辊中心点为V(x定心辊,y定心辊)，定心辊油缸铰轴中心点P(x铰轴,y铰轴)，定心辊油缸活塞杆前端耳环中心点Q(x杆端耳环,y杆端耳环)，定心辊油缸铰轴中心到O1坐标系Y轴的垂足为Z(x杆端耳环,0)点，定心辊油缸行程L，环件外径位移传感器测得的环件实时半径R1，获取的主辊中心至定心辊支架旋转中心的水平距离A，主辊半径B，定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的水平距离C，主辊中心至定心辊支架旋转中心的垂直距离D，定心辊支架旋转中心到定心辊油缸固定耳轴的垂直距离E、定心辊油缸铰轴至耳环中心的起始距离F，定心辊油缸耳环中心与定心辊旋转中心的距离G，径向定心辊外圆半径R2，径向定心辊中心轨迹的半径R3，定心辊油缸活塞杆端部耳环中心轨迹的半径R4，设∠1＝∠O1UV，∠2＝∠O1UW，∠3＝∠ZO1P，∠4＝∠PO1Q，∠5＝∠QO1V，其中：x主辊＝A，x环＝A+B+R1，y主辊＝y环＝D。
进一步地，将数学模型编写进PLC控制模块，通过计算将定心辊实时位置输出至径向定心辊油缸伺服控制装置，从而精准控制定心辊的位置。
与现有技术相比，本发明控制系统及方法可以提高轧环机所轧制的环件的圆度，降低轧制过程中环件的偏心率，同时增强在环件轧制的过程中的稳定性，有利于轧制环件材料的均匀性，减小局部材料残余应力的集中，从而进一步得到良好的综合机械性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明轧环机径向定心辊的位置控制系统及方法的系统示意图；
图2是本发明轧环机径向定心辊的位置控制系统及方法的原理示意图；
图3是本发明轧环机径向定心辊的位置控制系统及方法的各个参数和定心辊位置获取步骤图；
图中：1.上料侧定心辊油缸，2.主辊，3.芯辊，4.上料侧定心辊，5环件，6.径向定心辊上料侧油缸伺服控制装置，7.径向定心辊操作侧油缸伺服控制装置，8.操作侧定心辊油缸，9.操作侧定心辊，10.环件外径检测装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种轧环机径向定心辊的位置控制系统，包括环件外径位移传感器10、PLC控制模块和径向定心辊油缸伺服控制装置，所述环件外径位移传感器用于测量被轧制环件的实时外径尺寸，所述环件外径位移传感器信号输出端连接PLC控制模块的信号输入端，所述PLC控制模块内预存有数学模型，所述PLC控制模块信号输出端连接径向定心辊油缸伺服控制装置。所述径向定心辊油缸伺服控制装置包括径向定心辊操作侧油缸伺服控制装置7和径向定心辊上料侧油缸伺服控制装置6。所述PLC控制模块根据环件外径位移传感器测量的实时环件外径尺寸参数，计算得到相应结果并输出至定心径向定心辊油缸伺服控制装置。本领域技术人员能够知晓，轧环机还包括芯辊3，上料侧定心辊4连接上料侧定心辊油缸1，操作侧定心辊9连接操作侧定心辊油缸8。
轧环机径向定心辊的位置控制方法，在环形锻件轧制过程中，采用环件外径位移传感器测得的环件5实时半径和获取的主辊中心至定心辊支架旋转中心的水平距离、主辊2半径、定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的水平距离、主辊中心至定心辊支架旋转中心的垂直距离、定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的垂直距离、油缸铰轴至耳环中心的起始距离、油缸耳环中心与定心辊旋转中心的距离、径向定心辊外圆直径、径向定心辊中心轨迹的半径、油缸活塞杆端部耳环中心轨迹的半径等的数值通过建立数学模型，最终可以计算出定心辊油缸的实时行程。
如图3所示，具体步骤为：
步骤100.获得主辊半径B和径向定心辊外圆半径R2；
步骤200.获得主辊中心至定心辊支架旋转中心的水平距离A，主辊中心至定心辊支架旋转中心的垂直距离D和径向定心辊中心轨迹的半径R3；
步骤300.获得定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的水平距离C和定心辊支架旋转中心到定心辊油缸固定耳轴的垂直距离E；
步骤400.获得定心辊油缸铰轴至耳环中心的起始距离F和定心辊油缸活塞杆端部耳环中心轨迹的半径R4；
步骤500.获得定心辊油缸耳环中心与定心辊旋转中心的距离G和环件外径位移传感器测得的环件实时半径R1；
步骤600.将获取的各个参数值带入所建立的数学模型中进行计算，获得最终的径向定心辊油缸行程。
如图2所示，具体数学模型为：首先以定心辊支架旋转中心点为O1(0,0)点建立坐标系，主辊中心点为W(x主辊,y主辊)点，环件圆心点为U(x环，y环)，定心辊中心点为V(x定心辊,y定心辊)，定心辊油缸铰轴中心点P(x铰轴,y铰轴)，定心辊油缸活塞杆前端耳环中心点Q(x杆端耳环,y杆端耳环)，定心辊油缸铰轴中心到O1坐标系Y轴的垂足为Z(x杆端耳环,0)点，定心辊油缸行程L，环件外径位移传感器测得的环件实时半径R1，获取的主辊中心至定心辊支架旋转中心的水平距离A，主辊半径B，定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的水平距离C，主辊中心至定心辊支架旋转中心的垂直距离D，定心辊支架旋转中心到定心辊油缸固定耳轴的垂直距离E、定心辊油缸铰轴至耳环中心的起始距离F，定心辊油缸耳环中心与定心辊旋转中心的距离G，径向定心辊外圆半径R2，径向定心辊中心轨迹的半径R3，定心辊油缸活塞杆端部耳环中心轨迹的半径R4。设∠1＝∠O1UV，∠2＝∠O1UW，∠3＝∠ZO1P，∠4＝∠PO1Q，∠5＝∠QO1V，
如图所示，从而建立定心辊中心点位置V(x定心辊,y定心辊)、定心辊油缸行程L与环件圆心点(x环，y环)的关系式：
x定心辊＝x环-(R1+R2)cos(∠1+∠2)＝R3cos(180°+∠3+∠4+∠5)
Figure BDA0003513686820000081
Figure BDA0003513686820000082
Figure BDA0003513686820000083
Figure BDA0003513686820000084
Figure BDA0003513686820000085
其中：x主辊＝A，x环＝A+B+R1，y主辊＝y环＝D；
A为主辊中心至定心辊支架旋转中心的水平距离；
B为主辊半径；
C为定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的水平距离；
D为主辊中心至定心辊辊支架旋转中心的垂直距离；
E为定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的垂直距离；
F为定心辊油缸铰轴至耳环中心的起始距离；
G为定心辊油缸耳环中心与定心辊旋转中心的距离；
L为定心辊油缸行程；
R1为环件外圆的半径；
R2为径向定心辊外圆的半径；
R3为径向定心辊辊中心轨迹的半径；
R4为定心辊油缸活塞杆头耳环中心轨迹的半径。
将数学模型编写进PLC控制模块，通过计算将定心辊实时位置输出至径向定心辊油缸伺服控制装置，从而精准控制定心辊的位置。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种轧环机径向定心辊的位置控制系统，其特征在于，包括环件外径位移传感器、PLC控制模块和径向定心辊油缸伺服控制装置，所述环件外径位移传感器用于测量被轧制环件的实时外径尺寸，所述环件外径位移传感器信号输出端连接PLC控制模块的信号输入端，所述PLC控制模块内预存有数学模型，所述PLC控制模块信号输出端连接径向定心辊油缸伺服控制装置。
2.根据权利要求1所述轧环机径向定心辊的位置控制系统，其特征在于，所述径向定心辊油缸伺服控制装置包括径向定心辊操作侧油缸伺服控制装置和径向定心辊上料侧油缸伺服控制装置。
3.根据权利要求1所述轧环机径向定心辊的位置控制系统，其特征在于，所述PLC控制模块根据环件外径位移传感器测量的实时环件外径尺寸参数，计算得到相应结果并输出至定心径向定心辊油缸伺服控制装置。
4.一种轧环机径向定心辊的位置控制方法，其特征在于，在环形锻件轧制过程中，采用环件外径位移传感器测得的环件实时半径和获取的主辊中心至定心辊支架旋转中心的水平距离、主辊半径、定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的水平距离、主辊中心至定心辊支架旋转中心的垂直距离、定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的垂直距离、油缸铰轴至耳环中心的起始距离、油缸耳环中心与定心辊旋转中心的距离、径向定心辊外圆直径、径向定心辊中心轨迹的半径和油缸活塞杆端部耳环中心轨迹的半径，通过建立数学模型，最终计算出定心辊油缸的实时行程。
5.根据权利要求4所述轧环机径向定心辊的位置控制方法，其特征在于，所述轧环机径向定心辊的位置控制方法，具体包括以下步骤：
步骤100.获得主辊半径B和径向定心辊外圆半径R2；
步骤200.获得主辊中心至定心辊支架旋转中心的水平距离A，主辊中心至定心辊支架旋转中心的垂直距离D和径向定心辊中心轨迹的半径R3；
步骤300.获得定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的水平距离C和定心辊支架旋转中心到定心辊油缸固定耳轴的垂直距离E；
步骤400.获得定心辊油缸铰轴至耳环中心的起始距离F和定心辊油缸活塞杆端部耳环中心轨迹的半径R4；
步骤500.获得定心辊油缸耳环中心与定心辊旋转中心的距离G和环件外径位移传感器测得的环件实时半径R1；
步骤600.将获取的各个参数值带入所建立的数学模型中进行计算，获得最终的径向定心辊油缸行程。
6.根据权利要求4所述轧环机径向定心辊的位置控制方法，其特征在于，所述数学模型为：
x定心辊＝x环-(R1+R2)cos(∠1+∠2)＝R3cos(180°+∠3+∠4+∠5)
Figure FDA0003513686810000021
Figure FDA0003513686810000022
Figure FDA0003513686810000023
Figure FDA0003513686810000031
Figure FDA0003513686810000032
其中：A为主辊中心至定心辊支架旋转中心的水平距离；B为主辊半径；C为定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的水平距离；D为主辊中心至定心辊辊支架旋转中心的垂直距离；E为定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的垂直距离；F为定心辊油缸铰轴至耳环中心的起始距离；G为定心辊油缸耳环中心与定心辊旋转中心的距离；L为定心辊油缸行程；R1为环件外圆的半径；R2为径向定心辊外圆的半径；R3为径向定心辊辊中心轨迹的半径；R4为定心辊油缸活塞杆头耳环中心轨迹的半径。
7.根据权利要求6所述轧环机径向定心辊的位置控制方法，其特征在于，所述数学模型建立过程为：首先以定心辊支架旋转中心点为O1(0,0)点建立坐标系，主辊中心点为W(x主辊,y主辊)点，环件圆心点为U(x环，y环)，定心辊中心点为V(x定心辊,y定心辊)，定心辊油缸铰轴中心点P(x铰轴,y铰轴)，定心辊油缸活塞杆前端耳环中心点Q(x杆端耳环,y杆端耳环)，定心辊油缸铰轴中心到O1坐标系Y轴的垂足为Z(x杆端耳环,0)点，定心辊油缸行程L，环件外径位移传感器测得的环件实时半径R1，获取的主辊中心至定心辊支架旋转中心的水平距离A，主辊半径B，定心辊支架旋转中心到油缸固定耳轴的水平距离C，主辊中心至定心辊支架旋转中心的垂直距离D，定心辊支架旋转中心到定心辊油缸固定耳轴的垂直距离E、定心辊油缸铰轴至耳环中心的起始距离F，定心辊油缸耳环中心与定心辊旋转中心的距离G，径向定心辊外圆半径R2，径向定心辊中心轨迹的半径R3，定心辊油缸活塞杆端部耳环中心轨迹的半径R4，设∠1＝∠O1UV，∠2＝∠O1UW，∠3＝∠ZO1P，∠4＝∠PO1Q，∠5＝∠QO1V，其中：x主辊＝A，x环＝A+B+R1，y主辊＝y环＝D。
8.根据权利要求6所述轧环机径向定心辊的位置控制方法，其特征在于，将数学模型编写进PLC控制模块，通过计算将定心辊实时位置输出至径向定心辊油缸伺服控制装置，从而精准控制定心辊的位置。
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