TW524724B - A method of regulating tension/compression in a multi-frame hot rolling mill, and a corresponding control system - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 524724 A7 _ B7 五、發明說明（1 ) 本發明有關一種調整多架熱軋機的方法，尤是其針對 不具力量感測器之多架熱軋機。此方法可消除製品在滾軋 時所承受之干擾的拉伸/壓縮應力、，滾軋製品包括棒，薄板 ，或金屬構件。 滾壓操作不可避免的會造成滾軋金屬的變形，並使尺 寸在某種程度上出現變化。變形的成因尤其是導因於滾軋 程序中，滾軋力，力矩，滾軋品的溫度及摩擦係數等無法 維持定値之故。控制滾軋程序所引起的非精確性無法完全 地消除，例如瞬間速度的變化。且滾軋機之驅動系統所存 在的一些缺陷會引起振動並造成擾動，甚至磨損所使用的 工具。製品之滾軋大小及尺寸上的變化亦會損害最後成品 的尺寸特性。由於這些干擾，對於滾軋機之不同導架，滾 軋面所指定的參考張力無法配合。如此使得位於導架間的 製品部位出現拉伸或壓縮應力。 當製品插於導架間且預調速度不理想時，嚙合於多個 連續運轉之導架中的製品會出現拉伸或壓縮應力。若下游 導架牽引上游導架時，則導架間的製品會被拉伸，且若上 游導架推擠下游導架時，製品會受到壓縮力。製品離開上 游導架之速度Vsm，與進入下一個下游導架之速度Ven間的 速度差會引起應力△ τ ，此應力定義如下： △ 一五1(厂心一^汾 1 * 其中△ r爲金屬在兩個導架間所受到的拉伸或壓縮應力變 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -4 - -----------衣--------訂--------- <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 524724 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（2 ) 化，且L爲導架間的距離，E爲楊氏係數。 當上游導架η-1的出口速度Vsu與進入下一個導架η之 入口速度Venf平衡時，導架間的金屬應力出現改變，且兩 個導架的操作點移動而趨向一平衡點’在平衡點上’上游 導架的出口速度相同於下游導架的入口速度。此改變會使 滾軋金屬的厚度改變，並影響到導架。滾軋程序會出現自 我穩定化的現象，然而，此現象傷害到製品的工差尺寸及 輪廓。 當製品在其長度上不均勻時，拉伸及壓縮力亦出現於 嚙合在多個連續導架間的製品上，並會造成剖面及硬度的 變化，此等變化與溫度有關。因而，製品進入導架n-1時的 硬度變化會使製品在離開導架時出現剖面尺寸的變化，並 改變下游的滑進，因而改變金屬的輸出率。 爲了補償這些缺點，提供一種應用在多架滾軋機的控 制系統，其包括依據導架的滾軋力，用以個別調整滾軋力 矩’以監視不同導架間之牽引的機構。此調整需要利用感 測器，尤其是滾軋力感測器，然此種感測器價格高，且安 裝維修困難，因而成爲潛在的缺點。此外，感測器並無法 應用於任何情況下，尤其製造金屬棒及金屬桁架的滾軋機 很少利用此種感測器。 因此’本發明提出一種方法可消除並調整多架滾軋機 中的拉伸及壓縮。 依據本發明的特徵，製品一開始被壓入運行的多個導 架中，當製品抵達下一個下游導架時，量測每一導架的力 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-5 - ---------丨丨•丨丨丨——丨丨訂丨丨—丨丨-^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 524724 Α7 Β7 五、發明說明白) 特殊的介面，以控制導架並使人員得以操作滾軋機。這些 單元中結合軟，硬體機構的個別元件及功能已爲熟悉相關 技術之人所悉知，且此處僅說明與本發明直接相關的部位 〇 如上所述，本發明的方法欲消除干擾的拉伸/壓縮應力 ，達成此目的的方式是使熱軋機的導架馬達作動，並使用 由不同導架所導出的參考力矩，以便在製造滾軋產品時倉g 獲得最小的”牽引力”。 在此具最小牽引力的連續控制上，可獲得兩個優點：第 一，在製造時能維持最小的恆定應力，藉此可改善品質； 第二，其可獲得具小量導架的操作段，藉此可避免浪費。 當產品的整個長度面插入導架時，需進行控制。 在本發明的情形中，插入時的最小牽引控制是依據力 矩記憶裝置來實施，其假設滾軋力矩G値爲已知者。 在習知的方式中，此値可由以下的公式獲得： J令=Κ·Φ·Ι 一 Cl一 Cp 其中I爲導架馬達的感應電流，φ爲馬達的感應電場，ω 爲轉動的角速度，：r爲馬達軸上的轉動慣量，κ爲力矩係數 ，c P爲機械損失力矩。 依據馬達轉速ω的量測可建構出馬達的電感。滾軋力 矩如下： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐）-8 _ ------------裝-------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 524724 A7 B7 五、發明說明（6 CL- CObase

Cn Μαχ(ω,ύχ>α5β)

I -今-

Cp (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 其中G及IN代表馬達的額定力矩及額定電流。 導架的滾軋力矩可在速度變化單元中即時地加以計算 ’且假定速度變化單元包括於導架的控制單元中。其接著 由速度段出口處的參考力矩cm以及量測的速度來進一步獲 得。 滾軋力矩接著計算如下： 實施於參考力矩的濾波作用使力矩訊號及速度訊號具 有相同的相位，以便改善決定滾軋力矩的精度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 以下參考同一圖中的第一及第二導架來描述力矩記憶 裝置的例子。此裝置依據初始狀態來作動，其中調整兩個 導架馬達的速度，此調整以控制的方式加以實施，例如， 藉由申請人的SYCONUM型速度變化單元來進行控制。 當由導架1!滾軋後的製品進入導架12時，立即量測導架 li的滾軋力矩。此時，導架1,的上，下游不會出現牽引及壓 縮。以此方式所決定的力矩値儲存爲初始參考値，以作爲 其後滾軋程序的參考依據。 在此量測之後，導架1!的馬達從速度調整模式切換至 力矩調整模式。當製品一通過導架12時，調整導架12的速度 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -9 - 524724 Α7 — Β7 五、發明說明c ) ，且導架12成爲導架h的導引導架，同時，導架1自動地調 整及其速度使其力矩相同於參考力矩。 製品出現於導架中時，會指示出”製品於導架內，，的訊號 。每當瞬間的滾軋力矩大於臨界値（此臨界値爲一定値或由 滾軋的製品所決定）而不產生速度的轉變時，而或當瞬間的 滾軋力矩在一定時間內大於臨界値而出現速度轉變時，導 架的速度變化單元便會產生此訊號。 在機械慣性的暫態現象結束後，兩個導架間的同步動 作可確保導架間不會出現應力。同步動作是由電子參數來 加以設定’此電子參數是利用習知的方式由電源供應器及 導架馬達所獲得。如此可避免實行及利用感測器時可能會 出現的問題。 當牽引力（由導架的下游處發生）使導架的滾軋力矩大幅 增加時，裝置會變的相當靈敏。 一旦使第一及第二導架間不出現牽引力，可進一步對 第三導架及滾軋機的其他導架重複進行此操作。每一導架 將輪替地控制其上游的導架，直到控制的進行由下一個導 架部位所接管。 當希望在導架間施加一定的牽引及壓縮作用至通過的 製品時，可利用此一力矩記憶裝置；其中藉由加入一期望 的牽引及壓縮力矩來修正力矩値Co，i(此力矩値是在到達導 架1 i + 1則即封導架1 i加以儲存者），使得C。, i如下： C〇9i — TiyM.— η 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -------1 訂---- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -10- 524724 經濟部智慧財產局員工消費合作社印剩衣 A7 B7 五、發明說明參) 其中Τ^ + ι爲導架間的牽引或壓縮量，正値代表牽引，而負 値代表壓縮，Ri及η則分別表示工作半徑及導架li的減縮 率。 若導架間的製造過爲均勻的，程同時設定一規則以儲 存速度修正値，對此修正値，力矩記憶裝置在滾軋程序中 對指定的導架提供有關操作者或滾軋規劃所指定的正常初 始參考値，以在接下來的製造程序中對此參考値進行修正 。如此可使不同的導架，依據初始滾軋修正結果來達成串 行的目的。 . 然而，在其餘的滾軋操作中最好不使用插入段的力矩 記憶裝置，以確保並非所有的力矩變化皆被視爲內導架牽 引力的變化。 因此，除了工作中的最後導架是進行速度控制外，所 有相關的導架皆可進行力矩調整，但這些調整力矩並非插 入段的阻抗力矩。僅有關導架的牽引力矩部分被加以調整 。本發明的特徵在於提供一種機構，用以精確地估算導架 間牽引力的變化位準。調整後的牽引位準一般接近零位準 ，亦即，無牽引力的位準，然而亦可爲任何其他的位準。 當製品一進入導架i + 1，導架i便由插入段切換至正常 滾軋段，且由於暫態的衝擊結束，因而第i+ι段的阻抗力矩 變得穩定。 在滾軋機中，工作中的最後導架用來控制其上游的所 有其他導架。 此裝置的目的是在插入段以及整體生產的加速過程中 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -11 - I----------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 524724 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明❹) 控制每一導架的運轉，並藉由目前導架及前一導架對的作 動，來確保兩個連續段如1 i，1 i + !的轉速比。 爲達到此目的，當製品傳送至導架li + 1的入口時，導架 1i切換成力矩調整模式，且速度比調節機構儲存導架1 i， + 1的轉速比（ω 1+1/ω i)。以作爲參考値，以便在其後的滾軋 程序中能利用此參考値。 由於進行力矩調整，當製品穿過導架1+1時，導架i的 速度自動地調整配合，且其以下列的値觸發其上游導架1 μ 的速度修正： -- 0.AVi \ ύ)ί )° 在調整速度比的作用下，所有其上游之滾軋機導架連 續地達到同步的作動。 在正常滾軋的狀態下，原理皆相同。藉由控制導架i的 馬達速度，可對導架1及1+1間的牽引力進行調整，並使其 上游的所有滾軋機導架達到連續的同步作動。 所有導架桿間之牽引力的估算是由以下的演算法來進 行： . 假設製品進入導架1 i以及由出口導架1 η離開時，製品中 沒有拉伸及壓縮應力，同時零牽引力矩爲定値，且僅當導 架間的牽引力矩出現變化時，每一段的阻抗力矩才發生變 化。對於滾軋機的各各導架可定義如下的關係式。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格mo X 297公釐） _ 12 - -----------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明說明（10 ) 524724 A7 B7 / ACi = TuRi η ACi = Ti.Ri T1.R2 +- η n ACi — Ti.Ri ri Ti 一 l.Ri +- ri ΔΟι= ΔίΤη - l.Rn + - Γη #中Δ Ci爲導架1之儲存力矩的阻抗力矩變化，Ti爲導架 間的拉伸及壓縮量，且Ri或η爲導架i的工作半徑及減縮 率。 由這些關係建立以下的式子： (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) η Σ ACu = (0 - Tl) + (Γΐ - r2)+..+(7] - , - Ti)+..+(ATn - 2 ~ Δ7； - ΐ) + (ΑΤη -!-0)=0 導架的滾軋力矩是由兩個部分所構成，其中一項爲零 牽引狀態下的滾軋力矩，另一項爲拉伸及壓縮力矩。導架 的滾軋力矩可由下式表示： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

Cl = Ci,0+ (7ϊη — Tout)— 其中Ct爲導架馬達側所觀察的滾軋力矩；Cu。爲零牽引力 下，由馬達側所觀察的滾軋力矩，且Tin及Tm爲導架間於 入口及出口處的拉伸及壓縮量。 上式中的第一項對應至當導架上，下游無拉伸及壓縮 時，導架馬達所傳送的力矩。第二項則可增加或減低由導 -13· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 524724 A? B7 五、發明說明（12 ) △Q，〇，/ = 々U〇 A ri 其中△ (^，。，，表示導架I在零牽引下的滾軋力矩，λ ,則由以 下的演算式所獲得： 不論第一導架的S。· △已爲正或負，且阻抗力矩之量 測變化△ CN的偏移量超過一參數化的臨界値，而或當S〇 · △ Ci爲正且阻抗力矩之量測變化△已大於第二參數化的臨 界値並小於第三參數化的臨界値時（該阻抗力矩之量測變化 △ Ci爲通過導架i時的速度函數，其中i>l)，則λ i則等於 零；或 當導架爲第一導架，且S。· △ C,爲正，同時阻抗力矩 之量測變化△ Ci的偏移量小於第四參數化的臨界値，或當 導架爲其他導架，且阻抗力矩之量測變化△ Cm小於第五參 數化的臨界値，而或大於第六參數化的臨界値時，則λ 1則 等於零△ Ci。 就零牽引滾軋力矩的變化△ 而言，多導架滾軋機 之導架的分配式如下： η == ^mS〇y]Ai = /=1 Ki ^ 其中 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---I— — II 訂---11 Φ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 15 524724 A7 B7 五、發明說明〇3 ) 不論導架的力矩位準如何’此形式皆可適用。 當變化量與牽引應力△ Cu有關時多導架滾軋機之導架 的分配式如下： λ

So

A 且下式仍成立 ACr.i = Ο 由此便可由出口導架1η至入口導架li，逐一估算每一導 架中，上下游牽引力對馬達總牽引力矩的貢獻。 此估算式由以下的關係來建立： ACr,n Τη - \.Rn (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) \ ACr./i Τη - 2.Rn - 1 Τη - 1. Rn . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ACt,\

TuRi r\ 依據上述的關係便可決定導架Ti間的拉伸及/或壓縮力 此處的控制系統爲數位系統，且在系統的取樣週期下 計算導架間的所有牽引力。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公愛） 524724 A7 _ B7 五、發明說明（14 ) 因此，當t = n · T，T爲取樣週期，且π爲取樣索引値 ’則可獲得下式： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) η

Cmem，i(n) : Cmem，o，i + ^ ACl, o, i(f) Μ 其中CmeUi代表t = 0時所儲存的參考力矩，且相同於整個導 架I上的零牽引力矩。

Cmem，i(n)爲η· T時導架i的儲存力矩。 △ (^,(^(」）代表導架在1=：|‘丁時之滾軋力矩的零牽引變 化，且其與前一時間（j-Ι) · T有關。 △ Ci(n)爲導架i之滾軋力矩的變化，且與前一時間的 儲存力矩有關 Δ(^η) = Δυη) + ACt» = Q ⑻ 其中Ci(η)爲導架1在η · T時的滾軋力矩。 在每一取樣時間計算力矩Cir^m，i及力矩變化△ Ci。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 接著使用分配式並應用前述的演算法計算出力矩變化 △ CL，0，i 及△ CT，i。 由上述的內容可知本發明的特徵在於連續地更新儲存 的參考力矩，其代表導架i的零牽引力矩。 由此可調整內導架牽引力矩，且在任一導架中，總阻 抗力矩沒有調整。當製品的硬度變化或尺寸變化導致導架 中的阻抗力矩出1¾跳階時，控制系統變實施本發明的方法 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -17 - 524724 A? _B7_ 五、發明說明（15 ) ，來消除內導架之拉伸/壓縮的應變化。於是便可一個導架 一個導架地進行修正。 元件符號表 ll-ln 導架 2l-2n 控制系統 3 控制系統 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 524724

   A8 B8 C8 D8 κ、申請專利範圍 第89 100366號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 民國91年9月/了日修正 1 · 一種用於加工熱金屬製品的多架滾軋機之拉伸及壓縮 調整方法，該方法之特徵在於，自一製品通過運轉的多個 導架之時的初始狀態開始，當該製品抵達下一個下游導架 時，量測此製品通過的每一導架的力矩，所量測的値被儲 存作爲參考値，且進行量測的導架自速度調整切換至力矩 調整，以及在於，製品所進入的最後導架作爲所有位於其 上游的其它導架之速度控制導架，因此能夠藉由改變製品 的速度以使其維持同於參考値的力矩。 2.如申請專利範圍第1項之方法，其中當量測的參考力 矩儲存爲滾軋參考値時，運行導架間的牽引力分布如下： 式（b) 其中： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 △ Ct，i依據其正負號，對應至i級導架至η級導架之拉 伸或壓縮應力的變化； Ri及η爲工作半徑及i級導架的減少率； S◦爲量測之阻抗力矩變化（△匕）的總和，此阻抗力矩變 化如所看到的動力（△ Ci · η)且除以桿臂（△ Ci · ri/Ri)，其 中△ Ci爲阻抗力矩〇相對於i級導架力矩的變化値； 右處理桌一導架時的S。· △ Ci値爲正或負，且抵銷作 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2ΐ〇χ297公釐） 524724 A8 B8 C8 D8 月 修正 補无 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 χ、申清專利範圍 爲通過第二導架的速度函數之量測的阻抗力矩變化△ Ci超 過一參數化的臨界値，而或當S。·△ Ci値爲正，且量測的 阻抗力矩變化△ Cm超過第二參數化的臨界値，同時抵銷作 爲通過導架i(i>l)的速度函數之該量測的阻抗力矩變化 △ Cm小於第三參數化的臨界値時，λ i等於零；； 右處理桌一導架時的S。· ACi値爲正，且抵銷作爲通 過第二導架的速度函數之量測的阻抗力矩變化△ Ci超過一 參數化的臨界値，而或當S〇 ·△ Ci値爲正，且量測的阻抗 力矩變化△ Cm小於變化第四參數化的臨界値，或當處理其 他的導架，且量測的阻抗力矩變化△ Cm小於第五參數化的 臨界値，或抵銷作爲通過導架i(i>l)的速度函數之該阻抗力 矩變化△ Ci大於第六參數化的臨界値時，λ i等於△ Ci。 3·—種用於加工熱金屬製品之多架滾軋機的控制系統， 其中導架由程式化的邏輯控制單元所控制，且此控制單元 是由共同的監管單元控制，此系統的特徵在於其包括可實 施上述方法的軟硬體機構： 當製品抵達下一個下游導架時，量測製品通過之每一 導架的力矩； 當製品抵達下一個下游導架時，將製品所通過的導架 從速度調整切換至力矩調整；且 製品所通過的最後導架作爲所有上游導架的速度控制 導架。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 1111 AMW%. 訂 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -2-