帶鋼重卷機組卷取機的糾偏系統

喬順平，趙春禾

(1.寶鋼工程技術集團有限公司 上海201900;2.上海西重所重型機械成套有限公司，上海201900)

帶鋼重卷機組卷取機的糾偏系統

喬順平1，趙春禾2

(1.寶鋼工程技術集團有限公司 上海201900;2.上海西重所重型機械成套有限公司，上海201900)

本文針對生產中存在的如鋼卷邊部不齊、錯邊現象，影響帶鋼質量的問題，在設計中通過采取帶鋼邊部自動定位伺服糾偏系統，亦即EPC(edge position control)尋邊系統的卷取機糾偏系統的方法，以及改變卷取機本身的機械結構和提高張力控制精度等辦法，解決了鋼卷邊部不齊、錯邊現象，取得了糾偏精度提高，帶鋼質量增加的預期效果。

卷取機;EPC糾偏機構;LM導軌

0 前言

近幾年，隨著國民經濟的發展，家電行業以及汽車制造行業對冷軋薄板、鍍鋅板、彩色鋼板的需求日益增多，國內先后建成并投產了近百條生產線，由于技術裝備不同，帶鋼的產品質量也不盡相同，除了其它影響帶鋼產品質量的因素外，在卷取過程中造成的成品帶鋼質量缺陷，如鋼卷邊部不齊、錯邊、塔形、塌卷、表面擦傷、帶頭折痕等，嚴重影響了用戶的后續使用。隨著冷軋處理線技術的進步，許多鋼廠通過卷取機糾偏系統提高帶鋼卷取質量。

1 卷取機設備組成及主要技術參數

1.1 設備組成

卷取機用于在所需的卷取張力下對帶鋼進行齊邊卷取操作。卷取機主要由卷取機本體、壓輥裝置、底座、外支承、皮帶助卷器及稀油潤滑系統等部分組成，如圖1所示。

卷取機有上卷取和下卷取兩種工作方式，采用進口特種橡膠套筒減少帶頭壓痕。卷取機本體由卷筒、齒輪減速箱、漲縮油缸、回轉接頭及主傳動電機等組成。卷筒為懸臂漲縮式，是4塊斜楔扇形塊式結構，由一個脹縮液壓缸帶動，三位四通閥控制，主傳動電機經減速箱帶動卷筒轉動。扇形塊采用鍛鋼材質并經熱處理，斜楔塊采用銅質材質澆鑄而成。壓輥裝置由鋼結構擺臂、包膠壓輥、擺動液壓缸組成，用于上鋼卷、卸鋼卷及處理事故時壓住帶卷以防松卷。

底座是卷取機承重載體及實現浮動的機座，它由移動底座、移動副、固定底座和一臺液壓缸(EPC液壓缸)組成。卷取機本體安裝在移動底座上，由EPC液壓缸驅動作橫向移動，通過卷取機從機組中心線向操作側或傳動側移動150 mm的行程量，實現在工作過程中使帶材邊緣保持一致的效果。

卷取開始前，卷筒會自動執行與機組中心線的定位操作。在卷筒的末端，機組作業線操作側，設有供支承卷筒用的外支承。該外支承主要由支撐輥、擺臂、連桿、機架和干油潤滑系統組成。利用液壓缸動作帶動連桿和擺臂將擺臂頭部的半圓型支撐輥抬起，用以支承卷取機懸臂卷筒軸頭，使卷取機卷筒軸在承受最大卷重帶卷時有足夠的剛度，同時克服開卷張力對卷筒軸的影響。

皮帶助卷器只要求具有上助卷一種功能，采用皮帶助卷方式，助卷器常安裝在卷取機本體上，隨卷取機一起浮動。助卷器主要由助卷架體、擺臂、皮帶張緊機構、助卷皮帶、油缸及輥子等組成。

稀油潤滑系統由稀油泵、電機、過濾器、油流指示器、冷卻器、閥類及噴嘴組成，主要用于卷取機的減速箱齒輪及軸承的潤滑。

圖1 卷取機配置圖Fig.1 Deployment diagram of coiler

1.2 主要技術參數

橡膠卷筒尺寸/mm 610/508

卷筒的有效長度/mm 2 100

承載能力/kg Max.28 000

卷取機橫移范圍/mm±150

2 生產中存在的問題

在帶鋼生產中，影響卷取質量的因素有很多，例如，帶鋼卷取張力抖動、帶鋼橫向跑偏、卷筒漲開后外圓不是真圓、卷筒中心線與機組中心線不垂直等。隨著機組速度的進一步提高以及用戶對卷取精度的要求由±0.5～±1 mm提高到±0.1～±0.2 mm;鋼卷在運輸過程中為了起吊鋼卷需將鋼卷立式放置，因此，對鋼卷的邊部對齊精度要求高，否則，帶鋼質量卷邊現象不可避免。

3 問題分析

為了提高帶鋼邊部卷齊精度，鋼卷齊邊要求允許偏移量±0.5 mm。機組在運行過程中，卷取機卷筒必須隨時根據帶鋼的跑偏方向進行同方向的等量橫移，這就要求在改進傳感裝置的同時，還必須通過改變卷取機本身的機械結構和提高張力控制的精度等辦法，達到提高糾偏精度以滿足用戶的要求。

通常采用的卷取機浮動裝置，即糾偏裝置，是依靠液壓缸來完成的，有時亦有采用電動機帶動的絲桿傳動機構來完成的。液壓缸的浮動量是由帶材實際跑偏量來決定的。從理論上說:“跑多少，移多少”。由于跑偏量變化是相當快的，移動液壓缸速度亦應與之相適應，為了取得較好的糾偏效果，一般需采用跟蹤隨動系統，這一系統屬于閉環控制系統。

4 自動定位伺服糾編系統

帶鋼邊部自動定位伺服糾偏系統，亦即EPC(edge position control)尋邊系統，是機電液一體化系統，主要由檢測器、數字控制單元、位置傳感器、液壓控制站幾部分組成。該控制系統與機組張力控制是緊密關聯的，只有在機組建張后，EPC系統才能正常投入工作，即如果機組失張時或抖動時，系統就不能正常工作。

常用的EPC尋邊系統有光電液和氣液兩種控制系統。光電液控制系統具有精度高，光電頭檢測距離大，系統動態特性好等優點，被廣泛應用于浮動卷取機的控制系統上。氣液控制系統雖然精度差，但由于設備簡單有時亦被采用。

4.1 氣電液控制系統

氣電液控制系統是在氣液控制系統基礎上作了改進，即檢測裝置采用氣嘴，把檢測信號氣壓經過氣電轉換器變成電量。然后再經過電液隨動閥帶動執行機構(液壓缸)動作。系統方框圖，如圖2所示。

圖2 浮動卷取機控制系統方框圖Fig.2 Block diagram for control system of float coiler

浮動卷取機一般采用閉環控制系統(反饋控制系統)。反饋控制系統采用位置反饋，即檢測裝置剛性地固結在卷取機上，與卷筒一起浮動，如圖3所示。與開卷機相反，浮動卷取要求帶鋼在轉向輥上的接觸角盡可能大，以便把帶鋼“定住”。當卷取機卷筒移動時，帶鋼在轉向輥上不發生相對橫向移動。因此，在轉向輥面上包一膠層，以增加其上的摩擦。如果卷筒與張力輥之間沒有轉向輥，帶鋼就要繞張力輥回轉，盡管檢測裝置與卷筒一起浮動，仍然難以實現反饋跟蹤。所以在浮動卷取機上，卷筒是按帶鋼邊緣來定心的，盡可能要求不使帶鋼產生橫向移動，所以要求增加帶鋼在轉向輥上的摩擦阻力。

圖3 浮動卷取機結構示意圖Fig.3 Structure diagram of float coiler

在浮動卷取機液壓控制系統中，由檢測裝置檢測到跑偏信號以后，經過放大，傳給電液隨動閥。壓力油經過電液隨動閥進行功率放大，推動執行油缸，移動浮動卷取機卷筒，達到糾偏目的。控制過程一般采用位置反饋來實現跟蹤糾偏。對浮動卷取機控制系統有三方面要求，即穩(系統穩定性)、準(系統精度，靈敏度)、快(系統快速性)。一般說來，提高放大倍數，可以提高系統靈敏度及精度。對于浮動卷取機控制系統，系統頻率為1～2 Hz就可滿足靈敏度的要求。為了提高系統的快速性，可提高執行油缸和慣性負荷所產生的頻率。

4.2 光電液糾偏控制系統

光電液糾偏控制系統是近年來常用的一種EPC系統。國內常用的光電液糾偏控制系統采用光電傳感器檢測帶材的邊緣位置，在生產過程中當帶材邊緣偏離生產線正確位置時，根據傳感器接收的光通量的變化，使輸出電信號隨之變化，變化的大小與帶材的偏離程度成正比。缺點是帶鋼邊部檢測的光電傳感器不但要根據板材寬度的不同需要進行橫向位置調整外，還要隨卷取機卷筒浮動，很容易產生故障。而且煙霧、蒸汽、灰塵等污染以及行車吊物掠過時也會影響檢測光電傳感器的檢測精度。其優點是成本低。

國外常用的光電液糾偏控制系統的光電檢測元件則與國內的不同，其光電檢測元件分為發射和接收兩部分，發射元件為直線陣列發光二極管，由石英鐘控制掃描順序發光，接收元件為一光敏接收器，用于檢測在規定的掃描時間內發光二極管是否發光。其發射和接收光電檢測元件都安裝在固定支架上，不隨板寬調整，也不隨卷取機移動，工作可靠，檢測精度高，但是成本高。

4.3 卷取機浮動機構中的LM導軌

滾動直線導軌(簡稱LM導軌)實質上是一種滾動摩擦副，也是一種直線運動機構，由導軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成，如圖4所示。

糾偏系統中采用的LM導軌與滑動摩擦相比，有阻力小、響應準、磨損小、維護工作量小等明顯優點。左右各1條負荷滾珠列與轉動溝形成45°的接觸，能夠承受所有方向的載荷。當導軌與滑塊在作相對運動時。鋼球在滾動直線軌道中與滑塊一起在4列精密研磨加工過的滾動溝槽上進行滾動，再通過球保持器與裝在滑塊上的端蓋板，實現各列球的循環運動。為了使滑塊的4個方向(徑向、橫向)具有相同的額定負荷，各球列被設計成45°的接觸角，實現其可在各種各樣的姿勢中使用的目的。并且因能施加均等的預壓，從而既能一邊維持較低的摩擦系數，又加強了4個方向的剛性。同時，因斷面高度低，對滑塊的高剛性設計，從而能獲得穩定的高精度直線運動。

圖4 滾動直線導軌的組成Fig.4 Composition of rolling straight guide rail

滾動直線導軌副的運動精度和摩擦力是導軌副的兩項突出的性能指標，其中，運動精度是指LM導軌副在工作過程中滑塊體直線運動的誤差情況。而摩擦力又是影響運動精度的另一個重要因素。LM導軌副摩擦系數相比滑動摩擦系數，要小得多了，動靜摩擦之差也很小，既消除了滑動導軌的滑移，又能夠靈活運動。

此外，滾動直線導軌副具有良好的誤差均化功能。因為導軌副具有較高的自動調芯能力，導軌安裝后，其基準面的誤差將不會全部反映到導軌的運動誤差上來，即使2根軸的安裝精度沒調好，也可由LM滑塊將誤差吸收。因此，采用LM導軌后，較低的安裝精度同樣能達到較高的運動精度。

因為LM導軌副裝有球保持器，使球與球之間相互摩擦所引起的球磨損消失，球被均勻地排列后進行循環，金屬沖突音消失，滾動摩擦阻力變動小，使運動變得平滑穩定，面壓變低，發熱減少，延長了潤滑脂的壽命。

關于超重負載設備用的導軌副，一般選用滾柱重載直線導軌副，因為，滾柱的剛性極高，相比滾珠，可使點接觸受力方式變成負載線接觸受力，大大提高了負載能力。這里，為了避免滾柱之間的內部碰撞而引起的噪音，特采用滾柱鏈將滾柱分隔開，由于滾柱鏈的設置，防止了滾柱的歪斜運動，此外，滾柱與保持鏈之間形成的油膜接觸也避免了滾柱之間的摩擦，滾柱鏈中存在一定量的潤滑脂，又實現了長期無需維修保養的優點，并延長了使用壽命。

當然，目前重型卷取機(卷重大于15 t)，其浮動機構為降低投資成本，不少卷取機糾偏機構是采用銅滑板結構的，即卷取機卷筒和齒輪箱箱體在固定底座上前后滑動達到糾偏目的，這種設計，雖然價格相比LM導軌低廉不少，但控制精度卻不如LM導軌，因為該種機構機加工有誤差，安裝精度不高，潤滑也不暢，不具有誤差均化功能，于是，卷取機本體滑動阻力很大，特別是因其動靜摩擦系數差較大，很容易造成低速爬行，自然會影響卷取機的糾偏控制精度。

由此可見，為了減小卷取機的軸向阻力，采用直線導軌可將原來銅滑板的滑動摩擦變成LM導軌的滾動摩擦，大大降低了二者間的運動摩擦阻力，從而使得動、靜摩擦力之差很小，隨動性很好，提高了系統的響應速度和靈敏度，如圖5所示。

圖5 滾動直線導軌在糾偏裝置中的應用Fig.5 Application of rolling straight guide rail in deviation rectification device

6 結論

通過對卷取機尋邊控制應用的分析不難得出，采用帶有EPC控制的卷取機浮動糾偏裝置大大改善了帶鋼的卷取質量，而采用滾動直線導軌代替傳統的銅滑板結構滑動導軌不但大大降低了卷取機軸向運動阻力，也減小了動靜摩擦力之差，隨動性很好，同時減小了糾偏靜差，還消除了低速爬行的現象，更大程度提高了糾偏精度。

本文通過對執行機械結構本身及光電液控制系統兩方面進行改進，在實際應用中使糾偏精度滿足生產的要求。

［1］陳舉慶.開卷機自動對中液壓控制系統的設計分析 ［J］．一重技術，2001(2)．

［2］白振華.卷取過程中鋼卷內部應力的計算 ［J］．上海金屬，2002(2)．

［3］顧軍.鋼帶自動對中(對邊)CPC/EPC糾偏控制系統 ［J］．江蘇冶金，2004(6)．

Deviation rectification system for coiler of strip steel rew inder

QIAO Shun-ping1，ZHAO Chun-he2
(1．Baosteel Engineering＆Technology Group Co．，Ltd．，Shanghai201900，China;2．Shanghai XZSHeavy Machinery Integration Co．，Ltd．，Shanghai201900，China)

In view of the problems of strip-coil edge irregularity and edgemisalignment，which affect the strip quality，an automatic positioning servo deviation rectification system i.e．EPC(edge position control)edgeseeking system is adopted in the design to change themechanical structure of the coiler and improve the tension control accuracy．The method solved the problems and improved the strip qulity and reached the expected effect．

coiler;edge position control;deviation rectification mechanism;LM guide rail

TG333.2

A

1001－196X(2012)04－0033－05

2012－04－09;

2012－06－11

喬順平(1960－)，女，上海人，高級工程師，寶鋼工程技術集團有限公司主任管理師。