無打滑連續輥軋機同步性能自動化改進

薛建平，石益鋒，江龍華，嚴興朝，徐 興

（1.紹興市天龍錫材有限公司，浙江紹興 312001；2.浙江越宮機械有限公司，浙江紹興 312071；3.銅陵龍峰新材料有限公司，安徽銅陵 244000）

1 前言

軋制具有比拉絲模拉拔更節能、污染物排放更少的優勢，因此近年逐步在?3.0mm 以上的有色金屬線材加工中得到應用，為糾正有色金屬加工屬高能耗誤區[1]發揮一定作用。為提高生產效率，軋制速度往往350m/min 以上，對軋輥等機件提出了更高要求，以滿足精度和使用壽命要求。隨著技術發展，軋輥等機件性能等滿足了使用要求，但存在一些問題。單電機驅動適合一種成分合金，變頻控制各道次獨立電機驅動，可適應多種成分合金軋制。不同成分有色金屬寬展特性不同，因此各道次之間的軋制速度也各不相同，獨立電機驅動的軋機可調整速度匹配。為建立穩定的軋制條件，各道次之間需保持適度的漲緊力，但漲緊力會導致軋輥與線坯的打滑，打滑率一般控制在0.5%～1.0%。對于銅、鋁等具有優良塑形的材料，打滑率影響不大，但對熔點低、塑形較差的鋅基等有色合金，則容易造成線坯斷裂、軋輥表面粘附致碎屑增多、線坯表面易受損，同時打滑率存在會使附加載荷增加，能耗和機件磨損也會有所增加。本文針對一臺變頻電機驅動的8 架次連續軋輥存在的線材易斷、軋輥與線材打滑率等問題，試驗采用8 臺獨立伺服電機分別控制8 架次軋機，并結合各道次之間線坯漲力機構，實現各道次之間速度匹配智能控制，消除打滑率引起的線材異常斷裂、附加載荷等，使一套連續輥軋機適合多種成分有色合金材料加工。

2 解決方案

新購的8 機架連續輥軋機（一個機架軋制一道次），各機架軋機獨立伺服電機驅動，進線?7.5mm,出線?3.0mm，電機總功率39.5kW，軋制速度350m/min，適當增大各道次軋機的間距，進行以下改進。

2.1 電控系統改進

2.1.1 獨立伺服電機控制

各道次軋輥獨立使用伺服電機驅動，伺服電機與控制系統采用西門子V90 單軸伺服驅動，V90 支持即插即用式調試，伺服性能充分優化，與SIMATIC PLC 快速集成，可靠性高。與全新的SIMOTICS S-1FL6 伺服電機配套使用，形成最佳伺服系統。V90 支持內部設定值位置控制、外部脈沖位置控制、速度控制和扭矩控制，整合脈沖輸入、模擬量輸入/輸出、數字量輸入/輸出及編碼器脈沖輸出接口。通過實時自動優化和自動諧振抑制功能，可自動優化為一個兼顧高動態性能和平滑運行的系統。本文設計V90 驅動系統與西門子的S7-1215PLC 進行組合，PLC 與V90 伺服電機進行速度的控制精度可以達到±0.1r/min,可滿足不同成分材料的穩定軋制。

2.1.2 點動與聯動控制

考慮生產效率，在線坯頭部穿過連續輥軋機過程，設備處于點動狀態，各機架軋輥之間打滑率控制在1.5%左右，使線坯快速漲緊，進入正常軋制后，根據合金成分寬展特性預先確定道次間速度匹配參數，并與漲力機構位控傳感器聯動（設置于2 臺軋機之間），該機構根據位控傳感器松緊程度產生0～10V 的模擬量信號，該模擬量信號反饋到PLC 模擬量輸入通道。PID 控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e（t）與輸出u（t）的關系為：

傳遞函數為：

式中，u（t）是輸出；kp是比例系數；e（t）是輸入；TI 是積分時間常數；TD 是微分時間常數；d（t）是采樣輸入；dt 是采樣時間，積分的上下限分別是0和t，調整PID 參數提高各電機之間漲力穩定[2]。

圖1 軟件設計中需完成西門子的硬件組態后，V90 伺服與西門子PLC 采用網口通訊，用100兆速率的西門子PROFINET 進行通訊數據交換，極大的提高了伺服電機的快速響應能力。

在完成PLC 與V90 伺服驅動的硬件組態后，按圖2 的程序調用MC-POWER 的功能塊對軸4進行程序編寫，同時在下面左側畫面工藝對象中對7 個伺服傳動軸進行運動控制參數配置。

觸摸屏設計中通過改變傳動比、機械參數就可以方便精確的調整電機的速度，圖3 中設置點動系數與自動系數，方便點動控制狀態與自動控制狀態下精確的微調電機的同步速度。

圖4 是系統漲力設定畫面，設計顯示7 臺電機的漲力設定與漲張力控制倍率，可以方便調整各軋制線坯之間的張力變化[3]。

2.2 漲力機構應用

圖1 CPU1215C 與軸1 的網絡通訊組態畫面

為實現連續軋制零打滑率的目的，本文采用圖5 漲力機構。工作原理如下：當線坯頭部穿過連續輥軋機時，位控滑輪退回至起始位置，設備處于點動狀態，當線坯完全穿過連續輥軋機，并進入正常聯動軋制時，位控滑輪前移壓緊線坯，即時控制線坯的漲緊程度；位控滑輪靠近極限漲緊或松弛位置時，位控傳感器發出模擬量信號，適當增或減進線側的軋機的軋制速度，進線側各道次的軋制速度同步增減，確保線坯始終處于適度的漲緊狀態，但又不至于過度拉緊產生打滑。

各道次速度匹配預先根據合金寬展特征設置，在此基礎上才可采用漲力機構，漲力機構的調整幅度，在軋制速度350m/min 時參數變化幅度不應超過±1.5%，控制系統持續超過5min 即發出報警，提示該種合金成分預先設置速度匹配不合理，或軋輥孔型尺寸有磨損變化。試驗表明，位控滑輪松弛調整距離一般不超過30mm，具體根據線坯的直徑粗細及控制系統的靈敏度選擇。

圖2 程序中軸4 調用MC-POWER 的功能塊

圖3 參數設定畫面

圖4 系統張力設定畫面

圖5 漲緊機構示意圖

3 實驗驗證

3.1 速度匹配控制系統

該設備控制系統改進完成后投入運行一年，初期發現軟件設計時用的軟件版本過低，系統有時會反映變慢，反饋速度跟不上，軟件升級后，完成對各種不同成分合金寬展特征數據的提取，及各道次之間速度的匹配參數。初期軟件設計有部分缺陷，連續軋制過程還是偶爾異常斷裂，后程序經過不斷的完善，伺服驅動器的運動控制各種參數進行了多次的自學習，對伺服電機的電子齒輪比進行了重新校正，并反復的調整重要的伺服參數，連續輥軋機可穩定使用。

3.2 漲力機構使用

漲緊機構投入使用后，一直較為正常。通過位置傳感器對各道次進線側的速度進行微調，微調的范圍基本不超過設定匹配速度數據±1%，消除了各道次之間的打滑現象和坯異常拉斷。

3.3 線坯表面和碎屑產生情況

消除打滑后，軋輥表面粘料現象也消失，線坯表面的質量有明顯的提高，圖6a 是有打滑軋制的線坯表面照片，圖6b 是無打滑軋制的線坯表面照片，軋制過程產生的碎屑明顯降低。

圖6 線坯表面

3.4 節能效果

常規連續輥軋機為建立正常的連續軋制，各道次之間需維持適度漲緊力成為反漲力，反漲力有助于降低合金的寬展特征[4]，但也增加附加負載，致能耗增加。本文無打滑連續輥軋機，以350m/min速度連續軋制抗拉強度280MPa 的有色金屬線材，與原先的一臺變頻電機驅動相比，節能20%左右。

3.5 軋輥及其他機件使用壽命

無打滑連續輥軋機消除了附加負載，軋輥的孔型磨損現象明顯降低，軋輥的使用壽命增加了30%左右，同時其他機件的損耗也同步降低。

4 結論

（1）獨立伺服電機驅動控制的多道次輥軋機控制速度精度高，可滿足?7.5mm 以下、抗拉強度低于300MPa 的有色金屬連續軋制速度匹配控制。

（2）增設的漲緊機構，進一步解決了各道次的同步軋制問題，消除連續輥軋前后道次之間的打滑率，節能效果顯著，改善了線坯表面質量，減少了碎屑產生，機件的使用壽命延長，是以后有色金屬連續輥軋機自動化設計的主流方向。

5 探討

5.1 斷面減縮率適應性設計

傳統的連續輥軋機各道次之間存在的打滑率形成漲緊力，有利于提高線坯的斷面減縮率。本文的漲力機構消除了打滑現象，反漲力消除或可控，因此各道次軋輥的斷面減縮率設計需要考慮該因素。也可以為探討和研究漲緊力氣缸提供適當且穩定的反漲力，以彌補無打滑消失的反漲力，但以不產生打滑為準。

熔點低于450℃的有色合金線材，變形熱容易造成材料軟化，進而使寬展特征發生變化，帶來軋制不穩定現象，因此一道次軋橢及后一道次軋圓結合的斷面減縮率宜不超過25%，具體視不同合金成分確定。

5.2 軋輥孔型設計及導衛的配置

需軋制多種合金材料的連續輥軋機，宜采用寬展因素[5]最大的一種合金材料來設計軋輥孔型，以橢-圓孔型工藝參數為佳，孔型形狀建議采用唇形結構[6]。各機架間距有所加大，進入圓孔型軋輥的橢形線坯宜用導衛導入。

5.3 各機架的間距

各機架間距，可依據線坯的粗細確定合理的距離，間距越大，易于控制同步精度，但會增加設備的占地面積，具體可根據現場實際情況確定。

5.4 設備適用范圍

試驗表明進線坯直徑不宜大于?7.5mm，否則不易控制同步精度。線徑小于?3.0mm，則會影響產能，需根據金屬材料的品種和產能綜合考慮。