CN1318163C - 伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置。其电控部分使用计算机、D/A(数/模转换器)板、调速和驱动装置，控制伺服电机(1)按时变角速度对应的转速单方向连续转动，进而通过减速器(3)、偏心轴(5)、连杆(6)等机械部分驱动结晶器，使其产生周期性的非正弦振动；计算机伺服电机(1)的变角速度转速数学模型为：见右下式。本发明具有传动系统简化、结构紧凑，承载能力大，抗冲击能力强等优点，伺服电机(1)周期性变角速度单方向连续转动，避免了频繁的正反转启停，其结晶器非正弦振动频率和波形偏斜率可在线调节。

Description

伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置

技术领域

本发明涉及连续铸钢技术领域，特别是涉及一种连铸结晶器的非正弦振动发生装置。

背景技术

连铸结晶器非正弦振动是于20世纪80年代首先由日本开发的，随后有一些工业发达的国家相继研究并采用该项技术，由于它对提高拉坯速度，改善铸坯质量等方面具有明显效果，已被国内外连铸工作者确认为发展高效连铸的关键技术之一。由国外开发和应用的连铸结晶器非正弦振动均是采用电液伺服系统驱动来实现的，该系统的不足之处是系统复杂、投资昂贵、维护工作量大。因此，在很大程度上限制了它的推广和应用。为此国内不但开发了电液伺服系统驱动的连铸结晶器非正弦振动，同时还开发了几种机械驱动的非正弦振动发生装置，例如：机械驱动的非正弦振动发生装置，专利号为ZL99212823.4；连铸结晶器锯齿形振动发生装置，专利号为ZL98211614.4；反平行四边形机构结晶器非正弦振动发生装置，专利号为ZL99216172.X等。机械驱动的非正弦振动发生装置的缺点是：与目前国内外广泛应用的机械驱动的正弦振动发生装置相比，其传动系统复杂：在减速器和偏心轴之间增加了一个非圆齿轮传动的齿轮箱和联轴器，由于传动环节的增加，不可避免地降低了结晶器振动的平稳性及运动精度；还由于传动系统占用的空间较大，因此，机械驱动的非正弦振动发生装置不便于应用在流间距较小的多流连铸机；与电液伺服系统驱动的非正弦振动发生装置相比，它的缺点是振动波形(波形偏斜率α)不能在线自动调节，因此，这也在一定程度上限制了非正弦振动优越性的发挥。2004年9月《钢铁》杂志第39卷增刊P623～626刊登了“结晶器非正弦振动系统的开发与应用”一文。文章公开了一种结晶器非正弦振动系统。该系统是由机械和电控两部分组成，其机械部分是采用四个伺服电动缸分别安装在振动台的内外弧两侧，作为动力源直接同步驱动振动台及结晶器振动，所谓伺服电动缸就是伺服电机驱动滚珠丝杠连续交替正转、反转，从而实现振动台及结晶器的上、下往复振动。该非正弦振动系统的缺点是：由于结晶器及振动台的质量较大，伺服电机频繁的正反转，将会对结晶器振动的位移、速度等曲线的跟踪精度和响应速度产生较大的影响；四个伺服缸的同步运动也难达到较高的控制精度；滚珠丝杠的承载能力及抗冲击能力也难以与液压缸或连杆相媲美。

发明内容

本发明的目的在于提供一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置，该装置克服了现有技术存在的不足，具有传动系统简化、结构紧凑，占用空间小，承载能力大，抗冲击能力强等优点，由于伺服电机是按单方向连续转动而避免了频繁的正反转启停，因此使用寿命长。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：伺服电机1通过联轴器2与减速器3的接驱动振动台及安装在其上的结晶器7，使结晶器7实现非正弦振动(见图1、图2)；偏心轴5也可以通过连杆6及振动臂9间接驱动振动台及安装在其上的结晶器7(见图1、图3)，直接或间接驱动的偏心轴的每一转对应于结晶器的一个振动周期。

结晶器实现非正弦振动原理：偏心轴5希望的角速度曲线，可以选用如下两种函数：

ω(t)＝ω[1-Acos(ωt)]    (1)

$\mathrm{\ω}\left(t\right)=\frac{(1-E^2)\mathrm{\ω}}{1+E^2+2E\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)}---\left(2\right)$

来实现(分别如图5、图6所示)，式中：ω＝2πf/60，其中f为结晶器非正弦振动的基本参数——频率(次/分)，一般f的取值范围为0～300次/分，可以根据拉坯速度在线调节； $A=\frac{\mathrm{\π\α}}{2\sin \[\frac{\mathrm{\π}}{2}(1+\mathrm{\α})\]},$ $E=\frac{\mathrm{tg}\[\frac{\mathrm{\π}}{4}(\mathrm{\α}+1)\]-1}{\mathrm{tg}\[\frac{\mathrm{\π}}{4}(\mathrm{\α}+1)\]+1},$ 其中的α为结晶器非正弦振动的基本参数——波形偏斜率，一般α的取值范围为-0.4～0.4，可以在线调节。则上述两种函数(1)和  (2)所对应的结晶器非正弦振动速度波形函数分别为：

V(t)＝hω[1-Acos(ωt)]cos[ωt-Asin(ωt)]和

$V\left(t\right)=h\frac{(1-E^2)\mathrm{\ω}}{1+E^2+2E\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)}\cos \{2\mathrm{arctg}\[\frac{1-E}{1+E}\mathrm{tg}\left(\frac{\mathrm{\ω}}{2}t\right)\]\},$ 图7、图8所示分别为这两个速度波形函数的曲线，式中：h为结晶器非正弦振动的基本参数——振幅(mm)，一般h的取值范围为2～8mm。

偏心轴5通过连杆6及振动臂9间接驱动振动台及安装在其上的结晶器7(见图3)，其实现非正弦振动波形的原理与上述直接驱动方式相比，两者的区别仅在于：由于在间接驱动方式中增加了振动臂9，而使两者在伺服电机1为同一方向转动时，后者的振动台及结晶器的运动方向与前者相反，因此，为保证振动台及安装在其上的结晶器的非正弦振动速度曲线一致(上升速度慢、下降速度快)，只需使间接驱动时伺服电机的转动方向与直接驱动时伺服电机的转动方向相反即可。

电控部分伺服电机转速计算的基本工作原理是：工业控制计算机系统利用A/D(模/数转换器)板采样得到的拉坯速度信号V_L，计算得到结晶器非正弦振动的频率，如f＝aV_L+b(次/分)，式中：a，b为与工艺有关的常数；进而由ω＝2πf/60计算得到偏心轴5转动的平均角频率；根据给定的结晶器非正弦振动的基本参数——波形偏斜率α，可计算得到A和E，并可根据上述希望的偏心轴5的时变角速度函数(1)或(2)，再乘以减速器的传动比i后即可得到伺服电机希望的角速度变化规律，进而通过换算即可得到伺服电机希望的转速变化规律；如角速度曲线函数为式(1)，则有：ω₁(t)＝iω[1-Acos(ωt)]，通过换算即可得到伺服电机希望的转速变化规律为： $n_1\left(t\right)=\frac{60}{2\mathrm{\π}}\mathrm{i\ω}\[1-A\cos \left(\text{\ωt}\right)\];$ 如角速度曲线函数为式(2)，则通过换算即可得到伺服电机另一希望的转速变化规律为： $n_2\left(t\right)=\frac{60}{2\mathrm{\π}}i\frac{(1-E^2)\mathrm{\ω}}{1+E^2+2E\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)}.$

电控部分实际实现时，伺服电机1的转速是由计算机按时变的角速度对应的转速公式(如 $n_1\left(t\right)=\frac{60}{2\mathrm{\π}}\mathrm{i\ω}\[1-A\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\]$ 或 $n_2\left(t\right)=\frac{60}{2\mathrm{\π}}i\frac{(1-E^2)\mathrm{\ω}}{1+E^2+2E\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)}),$ 按一定的时间间隔Δt(即采样计算周期)，自动计算在各个采样时刻希望的转速设定值，然后通过D/A按比例给出与转速设定值对应的电压值，调速驱动装置将此电压值换算成转速设定值后与转速实际值进行比较(相减)、运算(如常规比例积分微分运算即PID运算)和功率放大后去控制伺服电机1，即可得到实际的伺服电机转速曲线——阶梯型曲线(分别为图11、图12所示)；经减速器后即可得到实际的偏心轴的角速度曲线(分别为图9、图10所示)；经过结晶器振动机构传动后即可得到与希望波形基本一致的结晶器的实际非正弦振动波形(分别为图7、图8所示)。且Δt越小，则实际曲线与希望曲线的逼近程度越高。计算机还可以在显示器上在线显示伺服电机的转速波形曲线或连铸结晶器的速度波形曲线或位移波形曲线，究竟显示何种曲线可由键盘来选择。

调速驱动装置也可以不采用速度传感器而直接采用其内部的电压状态进行反馈，去控制伺服电机的转速。

电控部分的计算机硬件系统主机可选择通用的工业控制计算机或个人计算机，配备适当的D/A板和A/D板等外设接口板。控制软件可以采用C语言或VC++等语言来编程实现。

计算机硬件系统也可以选用速度较高的、运算功能较强的PLC(可编程控制器)来实现，如采用西门子S7-400系列PLC控制装置、S7-300系列中速度较高的CPU模块、TDC(工艺和传动控制)系统装置、Modicon或ABB的PLC等，并配备适当的模拟量输入、输出接口模板和DP网模板。

当伺服电机功率较大，或振动台和结晶器的重量较小，或虽然伺服电机1的功率不是很大、振动台和结晶器的重量也不是很小，但通过采用平衡弹簧8可以将振动台和结晶器的大部分重量平衡掉时，则可以使用伺服电机1直接驱动偏心轴5，而不必采用减速器3，即相当于减速比i＝1。

本发明的有益效果是：与机械驱动的非正弦振动发生装置相比，具有传动系统简化、结构紧凑，占用空间小，因此，便于应用在流间距较小的多流连铸机；由于振动波形可以在线自动调节，因此，它可以使非正弦振动的优越性更大程度地发挥出来；由于传动环节的减少，提高了振动的平稳性和运动精度。与伺服电机驱动滚珠丝杠的结晶器非正弦振动装置相比，由于所产生的非正弦振动是通过连杆传递给振动台和结晶器的，因此，具有承载能力大，抗冲击能力强的优点；由于伺服电机是按单方向连续转动而避免了频具有承载能力大，抗冲击能力强的优点；由于伺服电机是按单方向连续转动而避免了频繁的正反转启停，因此，它的跟踪精度和响应速度均较好、使用寿命长。

附图说明

图1为伺服电机驱动的连铸结晶器振动发生装置机械部分简图；

图2为一种常见的连铸结晶器振动机构原理图；

图3为另一种常见的连铸结晶器振动机构原理图；

图4为伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置电控系统的基本结构原理图；

图5为对应于第1种转速函数n₁(t)时偏心轴每一转(对应于结晶器的一个振动周期)希望的角速度曲线；

图6为对应于第2种转速函数n₂(t)时偏心轴每一转(对应于结晶器的一个振动周期)希望的角速度曲线；

图7为对应于第1种转速函数n₁(t)时结晶器一个振动周期内希望的非正弦振动速度曲线；

图8为对应于第2种转速函数n₂(t)时结晶器一个振动周期内希望的非正弦振动速度曲线；

图9为对应于第1种转速函数n₁(t)时偏心轴每一转实际的角速度曲线；

图10为对应于第2种转速函数n₂(t)时偏心轴每一转实际的角速度曲线；

图11为对应于第1种转速函数n₁(t)时计算机在结晶器一个振动周期内实际给定的伺服电机的转速曲线；

图12为对应于第2种转速函数n₂(t)时计算机在结晶器一个振动周期内实际给定的伺服电机的转速曲线。

在图1、图2、图3中，1.伺服电机，2.联轴器，3.减速器，4.联轴器，5.偏心轴，6连杆，7.结晶器，8.平衡弹簧，9.振动臂。

具体实施方式

实施例：某方坯连铸机的结晶器振动机构原理图如图2所示，其非正弦振动发生装置的机械部分(见图1)，伺服电机1通过联轴器2与减速器3的输入轴相连接，减速器3的输出轴通过联轴器4与偏心轴5相连接，偏心轴5通过连杆6直接驱动振动台及安装在其上的结晶器7。振动负荷为振动台和结晶器，重20KN，振幅h＝4mm，振动频率f＝130min^-1，波形偏斜率α＝0.24，可换算得到A＝0.4，E＝0.19，选伺服电机额定功率P＝11KW，额定转速ne＝1500r/min，减速器速比i＝5，要求结晶器实现非正弦用HY-6050型D/A板，A/D采用HY-6040型A/D板。

工业控制计算机按采样周期Δt＝0.01s，通过伺服电机转速计算公式 $n_1\left(t\right)=\frac{60}{2\mathrm{\π}}\mathrm{i\ω}\[1-A\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\]$ 或 $n_2\left(t\right)=\frac{60}{2\mathrm{\π}}i\frac{(1-E^2)\mathrm{\ω}}{1+E^2+2E\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)}$ 计算得到伺服电机在各个不同采样时刻的值(一个结晶器振动周期内伺服电机的转速曲线分别如图11、图12所示)，然后通过数模转换器(D/A)按比例给出转速设定值，图4中的调速驱动装置将转速设定值与实际转速值进行比较、运算和功率放大后去控制伺服电机，即可得到实际的伺服电机转速曲线(见图11、图12)；再经减速器后即可得到实际的偏心轴的角速度曲线(见图9、图10)；经过结晶器振动机构传动后即可得到结晶器实际的非正弦振动波形(见图7、图8)。

Claims (6)

1.一种伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置，由机械部分和电控部分组成，其特征是：

机械部分：伺服电机(1)通过联轴器(2)与减速器(3)的输入轴相连接，减速器(3)的输出轴通过联轴器(4)与偏心轴(5)相连接，偏心轴(5)通过连杆(6)直接或间接驱动振动台及安装在其上的结晶器(7)实现非正弦振动，其中伺服电机(1)是周期性变角速度单方向连续转动的；

电控部分：计算机按伺服电机的变角速度转速数学模型 $n_1\left(t\right)=\frac{60}{2\mathrm{\π}}\mathrm{i\ω}\[1-A\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\]$ 或 $n_2\left(t\right)=\frac{60}{2\mathrm{\π}}i\frac{(1-E^2)\mathrm{\ω}}{1+E^2+2E\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)},$ 按一定的时间间隔Δt，自动计算在各个采样时刻希望的转速设定值，然后通过D/A按比例给出与转速设定值对应的电压值，调速驱动装置将此电压值换算成转速设定值后与转速实际值进行比较、运算和功率放大后去控制伺服电机(1)，即可得到实际的伺服电机(1)的转速曲线——阶梯型曲线；经减速器(3)后即可得到实际的偏心轴(5)的角速度曲线；经过结晶器振动机构传动后即可得到与希望波形基本一致的结晶器的实际非正弦振动波形。

2.根据权利要求1所述的伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置，其特征在于：调速驱动装置采用转速传感器反馈、也可以采用其内部的电压状态进行反馈，去控制伺服电机(1)的转速。

3.根据权利要求1或2所述的伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置，其特征在于：结晶器非正弦振动的频率f的取值范围为0～300次/分，结晶器非正弦振动的波形偏斜率α的取值范围为-0.4～0.4，结晶器非正弦振动振幅h的取值范围为2～8mm，其中频率f和非正弦振动的波形偏斜率α可以在线调节。

4.根据权利要求1或2所述的伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置，其特征在于：偏心轴(5)通过连杆(6)及振动臂(9)间接驱动振动台及安装在其上的结晶器(7)实现非正弦振动波形时，只需使间接驱动时伺服电机的转动方向与直接驱动时伺服电机的转动方向相反即可。

5.根据权利要求1或2所述的伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置，其特征在于伺服电机(1)可以是交流的，也可以是直流的；伺服电机(1)与其调速驱动装置可以是分体的，也可以是一体的。

6.根据权利要求1所述的伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置，其特征在于：当在结晶器的振动台(7)下面安装平衡弹簧(8)将振动台和结晶器的大部分重量平衡掉时，则可以使用伺服电机(1)直接驱动偏心轴(5)。

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