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verfahren und Vorrichtung zum automatischen Bestimmen quantitativer
Kenngrößen für das Querprofil eines Blechbandes" Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum automatischen Bestimmen quantitativer Kenngrößen des Querprofils eines Blechbandes
und Vorrichtungen zum Ausüben dieses Verfahrens.
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Dabei handelt es sich insbesondere um ein Verfahren, das vorteilhaft
zur Untersuchung von Blechbändern am Ausgang von Warmwalzstraßen einsetzbar ist.
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Es ist bekannt, daß das Querprofil eines Blechbandes am Eingang einer
Walzstraße von maßgeblichem Einfluß dafür ist, mit welchem Aufwand und Erfolg eine
Nachbehandlung dieses Blechbandes in der Kaltwalzstraße stattfindet. Die Erfindung
basiert auf der Erkenntnis, daß verschiedene bei der korrekten Nachbehandlung eines
Blechbandes in einer KaltwalzstraBe auftretende Schwierigkeiten gemeistert werden
können, wenn das Querprofil des Blechbandes am Eingang dieser Walzstraße hinreichend
bekannt ist, da die Gegebenheiten des Querprofiles Ursache für die im praktischen
Betrieb auftretenden Schwierigkeiten sind. Im praktischen Walzbetrieb
muß
gegebenenfalls der aufsichtführende Walzwerker in der Lage sein, genau anzugeben,
in welcher Hinsicht seiner Beobachtung zufolge das Querprofil des Blechbandes am
Eingang der Walzstraße den Walzbetrieb störende Abweichungen aufweist, damit die
Bedienungskräfte der Warmwalzstraße die notwendigen Maßnahmen treffen können, diese
festgestellten Fehler schon während der Behandlung des Blechbandes in der Warmwalzstraße
zu korrigieren.
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Für diese Überwachung und Rückmeldung standen bisher lediglich qualitative
Angaben im Hinblick auf Anderungen zur Verfügung, um die charakteristischen Kenngrößen
des Querprofils des in die Kaltwalzstraße einlaufenden Blechbandes beeinflussen
zu können, woraus sich ergibt, daß bisher solche Korrekturangaben zur Beeinflussung
der Gegebenheiten in der Warmwalzstraße sehr ungenau und sufallsbedingt ausfielen,
obwohl gerade mittels dieser Korrekturangaben angestrebt ist, ein Blechband mit
einem für die nachfolgende Kaltwalzbehandlung geeigneten Querprofil zu erhalten.
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Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Bestimmen quantitativer charakteristischer Größen über das Querprofil eines Blechbandes
anzugeben, um die bisher in Kauf zu nehmenden Ungenauigkeiten und die daraus resultierenden
Betriebsnachteile zu überwinden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird davon ausgegangen, daß es für die praktischen
Belange des Walzbetriebes genügt, drei spezifische und charakteristische Parameter
über die Querprofilform eines Blechbandes bestimmen zu können, die aus dem tatsächlichen
Querprofil des momentan vorliegenden Blechbandes abgeleitet werden müssen, wozu
dieses Blechband mittels eines als solchen bekannten Profilmeßgerätes abzutasten
ist. Diese Abtastresultate werden in einem geeigneten Rechner,
der
selbst nicht Gegenstand der Erfindung ist, im Realzeitbetrieb in Steuerdaten für
den Betrieb der Warmwalzstraße umgesetzt.
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Die geschilderte Aufgabe wird erfindungsgemäß also im wesentlichen
dadurch gelöst, daß das Querprofil des Blechbandes ausgemessen wird und daß ausgehend
von diesem Meßergebnis spezifische quantitative Parameter über die Profilform rechnerisch
bestimmt werden.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, im Rahmen dieser grundsätzlichen
Lösung die drei nachfolgend definierten Kenngrößen über das Querprofil des Blechbandes
zu bestimmen: x0 X = (1) B/2
Dabei bedeutet, bezogen auf einen Querschnitt des Blechbandes xo = Abstand eines
bestimmten Punktes des ausgemessenen Profiles in der Längssymmetrieebene des Bleches,
wobei dieser Punkt wie folgt bestimmt wird: Das Blechproril wird als symmetrisch
angenommen und dieser Profilverlauf durch eine mathematische Kurve angenähert, die
sich aus zwei Parabelbögen zusammensetzt, von denen der
eine von
der Mitte des Blechbandes und der andere von der Seite des Blechbandes ausgeht.
Diese beiden Parabelbögen nähern sich tangential in einem bestimmbaren Punkt, nämlich
im Abstand x0 von der Längssymmetrieebene des Bleches; B/2 = Halbe Breite des Blechbandes;
hr = Dicke des Blechbandes in der Längssymmetrieebene des Blechbandes; hr = Dicke
des Blechbandes 4o mm vom Rand entfernt; hr = Halbe fiktive Dicke des Blechbandes
4o mm vom Rand entfernt, wobei dieser Wert dadurch erzielt wird, daß ausgehend vom
Punkt x0 der Verlauf des Profils zum Rand hin extrapoliert wird, wofür der Kurvenverlauf
desjenigen Parabelbogens zugrundegelegt wird, der von der Mitte des Blechbandes
ausgeht.
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Aus den geometrischen Zusammenhängen ergibt sich, daß im Punkt x0
für die nachfolgend angegebenen Bedingungen die Gleichungen (4) und (5) erfüllt
sein müssen, nämlich yl=alx2+c1 für 0#x#x0 (4) y2=a2x2+b2x+c2 für x0#x#/2 (5) Aus
diesen Parabelgleichungen folgen die nachstehend genannten Abhängigkeiten: b2 =
2 (a1 - a2) xO (6) c2 = c1 - (a1 - a2) X02(7)
In den vorstehenden
Gleichungen sind die unabhängigen Variablen x die Abzissenwerte der Parabelpunkte,
bezogen auf die Längssymmetrieebene als Koordinatenursprung; die abhängigen Variablen
y (nämlich y1 für die erste und y2 für die zweite Parabel) sind die Ordinatenwerte,
die den Unterschied zwischenderDicke hm des Bleches in der Längssymmetrieebene des
Blechbandes und seiner Dicke im jeweils betrachteten Punkt angeben. Die Koeffizienten
a1, a2, b1, cl und 2 sind die zu bestimmenden Parameter.
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Für die weitere Betrachtung sei davon ausgegangen, daß zunächst vier
der sechs zu bestimmenden Parameter willkürlich konstant gehalten werden, so daß
die beiden verbleibenden Parameter aus den Gleichungen (6) und (7) ohne weiteres
bestimmt werden können. Damit ist dann das Querprofil des Blechbandes vollständig
bestimmt.
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Bei der praktischen Anwendung der Erfindung ist es zweckmäßig, die
Werte xO, al, a2 und c1 auszuwählen und unter diesen vier Größen zunächst einmal
x0 festzuhalten. Daraufhin werden al, a2 und c1 in Abhängigkeit von x0 bestimmt,
ausgehend von der Forderung, daß der quadratische Fehler zwischen den mit dem Profilmeßgerät
gemessenen Dickenwerten und den über die Parabelgleichung bestimmten Dickenwerten
ein Minimum wird.
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Diese Methode der Wertebestimmung nach dem kleinsten quadratischen
Fehler ist als welche bekannt und in der Meßtechnik vielfach angewandt; hier führt
dieses Verfahren zur optimalen Bestimmung der gesuchten Größen auf Basis der experimentell
erhaltenen Werte über das vorhandene Querprofil.
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Dem konstant gehaltenen Wert von x0 entspricht somit eine bestimmte
Standardabweichung zwischen experimentell ermittelten und rechnerisch ermittelten
Punkten. Durch schrittweise Annäherung wird nun der Wert von x0 derart geändert,
daß
diese Standard-Abweichung ein Minimum einnimmt. Auf diese Weise
wird ein Wert für xO bestimmt, der fortan als endgültig beihehalten wird, so daß
hiermit die endgültigen Werte für die Koeffizienten al, a2 und c bestimmt werden
können, und daraus folglich die tatsächlichen Gleichungen für die beiden Parabelbögen
angegeben werden können, die das Profil des gegebenen Blechbandes mathematisch und
reproduzierbar beschreiben.
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Es hat sich herausgestellt, daß in der Praxis der Koeefizient c1 fast
immer sehr nahe bei Null liegt, so daß in der Praxis nur drei Koeffizienten zu bestimmen
bleiben, nämlich xO, a und a2; für die Praxis ist es also möglich, das Querprofil
des Blechbandes mittels dreier dimensionsloser - bereits genannter - Parameter wie
folgt zu definieren:
Diese drei Parameter erlauben es also, das Querprofil eines Blechbandes vollständig
quantitativ zu charakterisieren.
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Indem die systematische Bestimmung der drei maßgeblichen Parameter
für Blechbänder am Ausgang einer Warmwalzstraße wie beschrieben vorgenommen wird
und indem das Verhalten dieser Blechbänder während des Kaltwalzens beobachtet wird,
kann also z. B. in Abhängigkeit von jenen Parametern quantitativ festgestellt werden,
welche Zonen des Blechbandes für das Kaltwalzen geeignet sind und welche nicht;
aus dieser Feststellung heraus kann folglich auf das Warmwalzen des Blechbandes
zurUckgewirkt werden, um am Ausgang der Warmwalzstraße Blechbänder zu erzielen,
die in einem günstigen Zustand für zufriedenstellendes Kaltwalz-Ergebnis sind.
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In der beschriebenen Weise ist es also nach der Erfindung möglich,
diejenigen Parabelgleichungen aufzustellen, die an besten mit dem tatsächlich ausgemessenen
Profil übereinstimmen, und aus denen dann die drei maßgeblichen Paramet.r X, z in
der gesuchten Form abgeleitet werden.
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Es sei darauf hingewiesen, daß der letztgenannte Parameter P zwischen
Null (exakte Parabel) und Eins (völlig ebenes Profil in der Mitte des Blechbandes)
schwanken kann; dieser Wert kann sogar größer als Eins sein, was bedeutet, daß das
Blechband in der Mitte hohl ist.
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Es hat sich bei statistischen Untersuchungen herausgestellt, daß zwischen
den Parametern X, t eine Abhängigkeit der Form X sdb t+ ß besteht. Dieser Zusammenhang
gestattet es, für die quantitative Angabe der Charakteristika über das Querprofil
eines Blechbandes statt drei nur zwei Parameter zugrunde zulegen. Auf die oben beschriebenen
Zusammenhänge ist die Feststellung dieser Abhängigkeit aber ohne Einfluß.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachstehender
Beschreibung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen
Verfahrens, wie sie als Blockschaltbild in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellt
ist.
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Diese Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem als solchen bekannten
Profilmeßgerät mit einer elektronischen Umsetzerschaltung, in welcher die Ausgangsgrößen
des Profilmeßgerätes verarbeitet werden. Diese Ausgangsgrößen sind die Signale x
(Abstand eines Profilpunktes von der Symmetrieebene des Blechbandes) und y (in diesem
Punkt auftretende Abweichung zwischen der Dicke hm in der Mitte und der Dicke h
beim
Abszissenwert x). Aus diesen Signalen x und y werden unmittelbar die Werte der Parameter
für das betreffende Blechband bestimmt, wie es oben für nach der Erfindung zweckmäßig
zugrundezulegende Parameter dargelegt wurde.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens beinhaltet
im wesentlichen folgende Bestandteiles - Ein Profilmeßgerät, beispielsweise bestehend
aus einem Stützbalken, über den das Blechband, dessen Profil auszumessen ist, hinweggleitet,
und das mit einer Mikrometerschraube als Tastelement ausgestattet ist, die an einem
beweglichen Schlitten befestigt ist, um in Querrichtung des Blechbandes die Dickenwerte
auf zunehmen, wobei der Schlitten mit einem Umsetzer, beispielsweise einem Potentiometer
ausgestattet ist, um die momentane Position des beweglichen Schlittens entlang dem
Blechband zu bestimmen, und mit einer Anzeigevorrichtung für die Verschiebung des
Schlittens; - eine Signalverarbeitungsschaltung, die dem Profilmeßgerät nachgeschaltet
ist und dessen Ausgangssignale an die Zentraleinheit für den Walzbetrieb weiterleitet,
bei der es sich um einen Digitalrechner handeln kann (vgl. unten); - einen geeigneten
Digitalrechner, der gemäß den oben geschilderten Zusammenhängen die Parameter zur
quantitativen Kennzeichnung des Querprofils bestimmt; - im Falle einer Realzeit-Bestimmung
der gesuchten Parameter eine Zeitbasis für wRealzeit", die an den Digitalrechner
angeschaltet ist und die notwendigen Synchronisationssignale für die Verarbeitung
der Ausgangsgrößen des Profilmeßgerätes liefert;
- ein Ein- und
Ausgabegerät, z. B. in Form eines Fernschreibers, das an den Digitalrechner angeschlossen
ist; und - die für den Betrieb einer derartigen Schaltanordnung notwendigen Funktionseinheiten
zum Stoppen und Starten der Funktionen der Schaltanordnung, für Energieinspeisung
der Einzelgeräte und dgl.
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In der symbolischen Übersichtsdarstellung der Zeichnung befindet
sich das Profilmeßgerät links der Linie A und die Zentraleinheit für die Steuerung
des Walzbetriebes rechts der Linie B. Zwischen diesen beiden Linien sind mittels
Blockschaltbildern die wesentlichen Funktionsgruppen für die beschriebene Auswertung
der vom Profilmeßgerät gelieferten Werte eingezeichnet.
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An Eingangsklemmen 1 und 2 der dem Profilmeßgerät nachgeschalteten
Schaltanordnung stehen AnalogSignale X und Y an, die über als Trennelemente wirkende
Differenzverstärker 3 und 4 auf Filter 5 und 6 geschaltet sind. Der Verstärker 3
für die Anpassung des Eingangssignales X (Blechbreite) ist mit einer Verstärkungsanpassung
ausgestattet, die zweckmäßigerweise drei Verstärkungsbereiche umfaßt, die je nach
der Breite des der Untersuchung unterzogenen Blechbandes gewählt werden, so daß
für schmale Blechbänder eine Vergrößerung der Auflösung der Meßergebnisse ermöglicht
ist. Hierfür wird in Abhängigkeit von der gegebenen Breite des momentan untersuchten
Blechbandes über den Leitungszug 7,8 vom Rechner her ein Digitalsignal zum Umstellen
des Verstärkungsfaktors im Verstärker 3 eingespeist, in dem elektronische Schalter
geöffnet bzw. geschlossen werden, die unterschiedliche Widerstandsschaltkreise wirksam
werden lassen, was am Ausgang (in der Schaltungsebene der Linie B) zu einer Spannungsanpassung
des
dem Eingang X entsprechenden Signales führt.
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Nach einem Vervielfacher 9 werden mittels eines stationären Schalters
lo und eines Umwandlers 11 die Analogsignale in 12-bit-Digitalinformationen umgesetzt,
wozu beispielsweise ein auf dem Integrationsprinzip beruhender Wandler benutzt wird,
Über eine Leitung 13 wird an die Zentraleinheit von einer Trennschaltung 12 her
gemeldet, wenn jeweils ein Analogsignal umgewandelt wurde.
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Über die Speisung des Antriebes für den Schlitten des Profllmeßgerätes
wird beim Start des Profilmeßgerätes ein Kontakt 14 geschlossen, dessen Stellung
durch ein digital-es Signal 15 uebertragen wird. Durch Betätigen eines Druck-Schalters
16 kann die den Betrieb des Profilmeßgerätes überwachende Bedienungsperson den Meßvorgang
beenden. Der dafür zu betätigende Drucktastenschalter 16 ist in der Front eines
Schaltgeräteschrankes eingebaut und mit der Zentraleinheit über eine Steuerleitung
17 verbunden.
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Neben der automatischen Verstärkungsumsteuerung zum Anpassen des Signales
X (Blechbreite) sind Signallampen 19 in der Front des Schaltgerätesohrankes vorgesehen,
die über eine digitale Ausgangsleitung 18 angesteuert werden. Ferner ist in der
Zeichnung eine Steuerschaltung 20 angegeben, dle sowohl auf den Umwandler 11 als
auch auf den Multiplexer 9 wirkt, sowie ein Übergabespeicher 21 für die Übertragung
des umgewandelten Digitalsignales an die Zentraleinheit. Ferner ist eine interne
Zeitbasis 22 symbolisch dargestellt. Eine in Abhängigkeit logischer Kriterien arbeitende
Stoppschaltung 23 weist eine Ausgangs leitung 24 für Signale zur Betriebsunterbrechung
auf, die in der Schaltungslogik den Eingangssignalen auf den Steuerleitungen 15
und 17 gegenüber bevorrechtigt sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt: Bei der betrieblichen
Anwendung dieser Schaltanordnung werden von einer Bedienungsperson die Vorgaben
über eine Eingabe-Tastatur für das gewählte Rechenprogramm eingegeben, während das
Blechband über den Stützbalken des Profilmeßgerätes gelegt ist und dessen beweglicher
Schlitten an einer Seite des Blechbandes in Bewegung gesetzt wird. Die Eingabe der
Programmvorgaben erfolgt mit entsprechend angepaßter Kodierung, was nicht Gegenstand
dieser Erfindung ist. Es ist zweckmäßig, zwecks Reduzierung der vorzunehmenden Operationen
zwei Gruppen von Vorgaben gegeneinander vorzusehen. Die erste Gruppe umfaßt die
allgemein gültigen Vorgaben, die für eine ganze Serie von Profilmessungen gültig
sind und deren Eingabe aus diesem Grunde nur selten erfolgt. Die zweite Gruppe umfaßt
dagegen die spezifischen Vorgaben für die jeweils durchzufUhrende Messung. Deren
Eingabe ist Jeweils für die in Betracht gezogene Profilaufnahme notwendig, also
für die dabei auszuführende Berechnung.
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Naoh der Eingabe dieser Vorgaben startet die Bedienungsperson den
beweglichen Schlitten des Profilmeßgerätes. Dadurch wird eine übergeordnete Unterbrechung
im Rechner erzeugt, womit die tRealzeit-Zeitbasisn 22 gestartet wird.
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Die Zeitbasis 22 bewirkt den periodischen Ablauf eines Prüfprogrammes
für die Analogsignale. Die Verarbeitung des Signales X wird durch das Programm geprüft.
FUr Jeweils eine Verschiebung des beweglichen Schlittens des Profilmeßgerätes um
einen Bruchteil der Breite des Blechbandes wird dessen Dicke aufgenommen und gespeichert.
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Wenn der Schlitten am gegenüberliegenden Rand des Blechbandes angekommen
ist, wird dessen Fortbewegung unterbrochen.
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Das Programm stoppt die Prüfung und Umwandlung der Analogsignale,
indem die Impulse von der Zeitbasis 22 ausgeblendet werden. Zugleich startet das
Programm den Berechnungsablauf für die Parameter zur Charakterisierung des Querprofils.
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Dieser Berechnungsablauf beginnt mit der Bestimmung der Parameter
der beiden Parabeln, die das abgespeicherte Profil am besten wiedergeben. Das dazu
benutzte Kriterium ist das Prinzip des kleinsten quadratischen Fehlers zwischen
der durch die Parabeln gebildeten Kurve und den gemessenen Kurven über das Querprofil
des Blechbandes. Danach werden die Kenngrößen über das Querprofil mittels der oben
angegebenen Beziehungen bestimmt. Wenn der Parameter c1 sehr klein ist (also im
Falle eines parabolischen Profiles), wird die Berechnung wiederholt, um das gemessene
Profil an eine einzige Parabel anzugleichen.
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Sowohl die Vorgaben als auch die Berechnungsresultate werden in Form
einer Zahlentabelle abgespeichert und gleichzeitig die Resultate auf einem Lochstreifen
ausgestanzt.
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Vorstehend wurde das erfindungsgemaße Verfahren für den Anwendungsfall
der Aufeinanderfolge einer Warmwalzstraße und einer Kaltwalzstraße beschrieben,
um die Qualität des durch die Warmwalzstraße gelieferten Produktes zu verbessern,
nänlich ausgehend von Beobachtingen über das Verhalten des Blechbandes in der Kaltwalzstraße.
Die Erfindung kann aber auch auf andere Bearbeitungsfolgen angewandt werden, z.
B. solche zwischen Abnehmer und Hersteller. Dafür ist lediglich die "Profilmessung"
entsprechend zu ersetzen, um die Bewertung auf der Kundenseite quantitativ zu charakterisieren.
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Die Erfindung ist also nicht auf die dargestellten und besehriebenen
Beispiele für die Verfahrensanwendung beschränkt; ste umfaßt auch alle fachmännischen
Abwandlungen sowie Teil-und Unterkombinationen der beschriebenen und/oder dargestellten
Merkmale und Maßnahmen.
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- Ansprüche -