帶溫度顯示的軋輥輥型曲線測量儀研究

摘 要：在各行業中，凡是使用等高或不等高軋輥且對產品精度有要求的場所，都需要對軋輥的表面尺寸進行檢測。基于采用新型軋輥技術的軋鋼生產發展前景，軋輥的幾何形狀及其精度對最終產品的質量有著直接影響。鑒于此，提出了一種具有溫度測量功能的軋輥輥型曲線測量儀，創新性地將實時溫度記錄功能集成于輥型測量過程中，解決了傳統測量方式中因溫度變化帶來的測量誤差問題，為軋輥使用中的實時狀態監控和質量控制提供了可靠的數據支持。

關鍵詞：輥型儀；點溫儀；輥型溫度同步測量

中圖分類號：TG333" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）05-0001-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.001

0" " 引言

軋輥的精度直接決定了產品的質量，軋輥精度越高，產品才越能達到生產要求；同時，時刻關注軋輥的狀態和精度，也是為了延長軋輥使用壽命及減少磨削量。軋輥研磨費用較高，在了解軋輥狀態的前提下，可判斷是否需要對軋輥進行研磨，或繼續再使用。即便軋輥研磨至理想狀態，隨著環境變化，輥型依然會發生變化。

所以，實時監測輥型至關重要，尤其是熱軋機設備中軋輥表面處理對板材質量的影響[1]，不得不考慮。

然而，在現代制造業中傳統輥型測量設備通常僅關注輥型，而忽略了溫度對軋輥輥型的影響，尤其像鋼輥，在高溫使用環境中會發生輥身熱凸、磨損變形的現象，如在這種情況下軋制產品，產品多數會產生褶皺、厚度不均勻等質量問題。在實際生產中，軋輥會受熱膨脹，特別是鋼輥在高溫下易發生熱凸現象，導致在磨床上精確測量的輥型曲線在高溫狀態下出現顯著偏差，進而影響產品質量。傳統的溫度測量方案如紅外測溫法在光潔表面存在誤差，無法滿足高精度測量需求，更無法通過溫度變化來反映輥型的實際變化。

為解決這一問題，本研究在高精度德國軋輥輥型測量儀的基礎上，加入了點溫儀，實現了輥型與溫度的同步記錄，以確保數據的準確性和一致性，從而為高溫條件下的軋輥狀態監測提供了一種行之有效的方案。

1" " 設計原理

薄板、紙張、鋁箔等生產加工過程中，對軋輥輥型的關注極其重要，因為輥型直接影響成品的質量、厚度均勻性等參數。市面上一些軋輥輥型測量設備雖然在精度、便攜性等方面存在差異，但與傳統的人工測量方法相比，其首先在軋輥表面等分21點或41點，再使用千分尺進行測量，比起人工繪制輥型曲線，效率已有顯著提高。而德國軋輥輥型測量儀采用每毫米測一個采樣點，采樣精度大大提高。

1.1" " 現有輥型測量

行業中，目前已經可以做到1 mm記錄一個輥型變化數據值，測出的原始數據顯示如圖1所示。

該數據左側為編碼器通過1 mm記錄一個點位，右側顯示輥型的變化量。將該數據導入到Excel中，可以直觀地顯示出軋輥輥型，如圖2所示。

再通過軟件編輯功能，增加公差帶、錐度線等，將測量實際結果與軋輥理論數據做對比，就得到市面上目前比較成熟的輥型報告，如圖3所示。

圖3所示報告僅可看出輥型狀況，但實際生產中很明顯的一種情況就是軋輥溫度升高后，原有輥型將發生變化。

1.2" " 增加溫度測量

傳統的軋輥測量設備通常忽略了溫度因素，即便考慮到溫度，傳統的溫度測量儀器多采用紅外測溫。紅外測溫的主要缺陷在于，當軋輥表面較為光滑時，溫度測量的誤差會顯著增大，這使得其在許多鏡面輥的應用場景中不具備適用性。本文研究了一種改進型設備，加入了點溫儀溫度測量功能，點溫儀能夠精準測量軋輥表面的絕對溫度，不受軋輥材質、表面光潔度等因素限制，通過集成點溫儀，測量出的溫度即為軋輥表面的絕對溫度。

同時，編碼器的作用在于確定軋輥表面長度方向上每個數據采集點的位置，無論是輥型變化還是溫度測量，都離不開編碼器所指示的位置點。

按簡單測輥型的原理，在編碼器位置加裝點溫儀，如圖4所示。

將輥型變量傳感器換成點溫儀傳感器，測出的最原始數據如圖5所示。

利用一根下線輥做實際測量，通過編碼器所采集到的每點溫度幾乎一樣，放在Excel表格中幾乎就是一條直線。

理論上，測輥型的同時還可以測溫度，下一步將輥型與溫度結合在一個報告中實現。為確保編碼器測得的點位同時具備輥型和溫度參數，將這三點設計在同一截面上，這樣編碼器對應的點，就是輥型與溫度同時測出的數據。再通過txt格式，將同時測出的兩組數據編寫在同一文本中，如圖6所示。最后再對測出的兩組數據在軟件里編輯，就形成了既帶有輥型數據又有溫度數據的報告了。

1.3" " 研究目的

既然在測量輥型的過程中可以引入溫度因素，則可以進一步將溫度參數作為軋輥研磨及生產過程中的常量進行考慮，具體可參考文獻[2]、文獻[3]。

本文以鋼輥作為測試軋輥，因為它是所有軋輥中受熱脹冷縮影響最嚴重也是應用場景最多的一種軋輥。在材料特性上，鋼的熱膨脹系數較高，在熱軋過程中溫度顯著升高，將導致鋼輥產生較大的體積和長度變化。根據材料熱膨脹系數數據，鋼的線膨脹系數在11～13 μm/（m·℃），這意味著溫度每升高1 ℃，每米鋼材會伸長11～13 μm。在熱軋過程中，軋輥溫度可以從室溫迅速上升至100 ℃甚至更高（部分生產中達到200 ℃以上），這樣的溫差會導致鋼輥長度和直徑的明顯變化。在熱梯度影響上，鋼輥在使用過程中，由于受熱不均勻或受軋件的影響，往往會在橫截面和軸向上產生溫度梯度。通常軋輥中部溫度高于兩端，這種不均勻的熱分布會導致鋼輥表面和內部的膨脹不一致，從而引起輥型的變形。如果在前期軋輥研磨時不考慮這種變形，那最終不僅影響軋制的精度，還會導致軋輥的額外應力集中，加速輥體的磨損或變形。

在輥型與溫度可以同時測量的前提下，再增加鋼的熱膨脹系數，以此驗證溫度對輥型帶來的影響。

用一根比較復雜的CVC軋輥作為實驗對象，如圖7所示。可以看出，常溫25 ℃下，從起始點到600 mm位置，輥型變化量在800 μm左右；從起始點到1 500 mm位置，輥型變化量為320 μm左右。

對做完研磨并軋制生產一段時間的軋輥進行測量，如圖8所示。圖形明顯有了較大變化，軋輥兩端溫度在70 ℃左右，而軋輥最中間位置溫度將近100 ℃。再看輥型變化，從起始點到600 mm位置，輥型變化量達到1 200 μm左右；從起始點到1 500 mm位置，輥型變化量達到750 μm左右。CVC中間段曲線的最高點和最低點都明顯高于常溫下測出位置數據。

1.4" " 研究結果

該軋輥的直徑是800 mm，下面驗算鋼的熱膨脹系數。

在常溫狀態下，600 mm位置處，軋輥表面溫度約為25 ℃，輥型變化量為800 μm。溫度升高后，600 mm位置處，軋輥表面溫度是90 ℃左右，輥型變化值為1 200 μm。將測試結果由半徑變為直徑：

（1 200-800）×2=800 μm

鋼的線膨脹系數在11～13 μm/（m·℃），按中間值取12 μm/（m·℃），溫度從25 ℃升高到90 ℃：

（90-25）×12=780 μm

誤差為20 μm，相對誤差為2.56%。

再驗證第二個凸點位置。

在常溫狀態下，1 500 mm位置處，軋輥表面溫度約為24 ℃，輥型變化量為320 μm。溫度升高后，1 500 mm位置處，軋輥表面溫度在99 ℃左右，輥型變化值為750 μm。將測試結果由半徑變為直徑：

（750-320）×2=860 μm

再計算鋼的線膨脹系數導致的變化量：

（99-24）×12=900 μm

誤差為40 μm，相對誤差為4.65%。

因此，上述理論計算與實際測出的數據相比，有較高參考價值。若在前期軋輥研磨時，充分考慮到實際軋輥生產中存在的熱膨脹，那理論上就可以實現軋輥的實時監測，并排除溫度對軋輥輥型變化的影響。

以上理論數據，還需要在不同的材質下、采用不同輥型做驗證。深入理解熱軋輥在高溫環境下的輥型變化特征，實時測量輥型在不同溫度下的變化規律，對于預測軋輥在實際工作環境中的行為具有重要意義。另外，還可以通過溫度的變化來測量輥型的變化，實時記錄溫度對不同軋輥輥型的改變規律。通過大量實際數據，可判斷出溫度與輥型之間的直接關系，獲得一個溫度與輥型比，并將其作為一個常量，以此在實際軋輥軋制生產過程中，基于工作環境溫度對輥型的改變，把控產品質量?？梢哉f，溫度與輥型比極具參考價值。

2" " 設計過程

2.1" " 硬件總體分析

控制板硬件布局如圖9所示，該控制板能實現輥型曲線測量與溫度同步記錄，其主要由以下功能模塊組成：供電模塊、溫度測量模塊、輥型測量模塊、數據存儲模塊、主控模塊。外接電源通過DC接口輸入，經過濾波穩壓后，提供穩定的3.3 V電壓。溫度測量信號經過運放放大及濾波后，和經過ADS1256高精度數字化處理后的輥型測量信號，分別通過ADC和SPI接口傳輸至主控制器。主控對采集到的溫度和位置信號進行數據融合，通過SPI接口傳輸至SD卡，完成存儲。

2.2" " 供電模塊

系統從外部接入5 V直流電源，并在接口處串聯一個保護二極管，避免接線錯誤時損壞電路。

經過濾波電容消除低頻紋波和高頻干擾后，5 V電源分別接入AMS1117和TMH0515D。AMS1117是線性穩壓器，能將5 V降壓到3.3 V，給ESP32主控模塊和SD卡提供穩定電源。TMH0515D能將5 V升壓至

±15 V，為編碼器和溫度傳感器供電。同時，TMH0515D作為電氣隔離裝置起重要作用。因為主控模塊工作在低功耗系統中，對電噪聲較為敏感，此外編碼器接口和溫度傳感器與外部機械設備直接連接，容易受到高壓干擾，故TMH0515D的隔離可防止外部噪聲通過傳感器接口進入主控電路。供電模塊整體理論圖如圖10所示。

2.3" " 溫度測量模塊

溫度傳感器由熱電偶組成，采集溫度信號，將其轉換為電信號并傳遞到運算放大器輸入端。運算放大器對信號進行放大，使輸出信號落入主控模塊ADC輸入電壓范圍。放大后的信號通過低通濾波器（電阻+電容）處理，減少高頻噪聲干擾。主控模塊對放大信號進行采樣和數字化，并根據校準公式計算實際溫度。如圖11所示，最左邊溫度傳感器采集到溫度信號，最終輸出數字化溫度值。

2.4" " 輥型測量模塊

輥型測量模塊主要是將編碼器信號轉換為數字信號，并通過ADS1256（高精度24位ADC）傳輸給主控模塊。圖12所示為輥型測量模塊理論圖。

本文使用增量式編碼器，輸出為方波信號。調理電路作用原理為：添加信號收發器，將差分信號轉換為單端信號；經過一級緩沖運算放大器，避免負載影響。

本文使用ADS1256進行高精度數據采集。AIN0～AIN7：接多個編碼器輸出信號（最多8路）。REF+和REF-外接2.5 V精密電壓基準。輸出使用串行SPI接口，連接到主控模塊，其中CS是片選信號。

2.5" " 數據存儲模塊

SD卡數據存儲模塊在硬件上包括SD卡接口、去耦電容。具體的運行邏輯如下：

1）硬件初始化：主控模塊初始化SPI接口，檢測SD卡是否存在，掛載FAT文件系統。

2）數據寫入：打開指定文件，將數據轉換為字符串或二進制格式，寫入SD卡。

3）數據讀?。捍蜷_指定文件，按行或按塊讀取數據，存儲到內存變量中，關閉文件。

主控模塊通過ADC模塊讀取溫度傳感器的模擬輸出，轉換為溫度值。主控模塊通過SPI總線與ADS1256通信，讀取編碼器的精確位置數據。數據格式化為CSV格式寫入SD卡，每次寫入后調用flush（），確保數據實時保存到SD卡。

2.6" " 主控模塊

本文的主控制器采用ESP32-WROOM-32E，是通用型Wi-Fi+Bluetooth+Bluetooth LE MCU模組，功能強大，具有豐富的外設接口，頻率高，適用于本文所述儀器高精度高頻率測量的特點。表1為ESP32的引腳說明。

3" " 總結與展望

本文研究并實現了一種具備實時溫度測量功能的軋輥輥型曲線測量儀。與傳統的僅在常溫下獲取輥型數據的設備相比，本設備提供了更具參考價值的數據支持。本研究通過引入高精度點溫儀，能夠在1 mm間距內同步記錄輥型與溫度數據，尤其適用于高溫工況下的輥型測量。這一研究不僅填補了當前設備在溫度同步測量方面的空白，還顯著提升了設備的高溫環境適應性，有效解決了鋼輥在高溫使用環境下出現的熱凸和變形等問題。通過與編碼器和數據記錄模塊的集成，系統能夠實時生成包含溫度與輥型曲線的綜合報告，為熱軋生產線的產品質量控制提供了可靠的數據支持。

盡管本設備在高溫條件下的軋輥輥型測量方面取得了較大進展，但未來仍有進一步優化的空間。首先，在溫度測量的精確度和數據處理速度上可以進行提升，以適應更高溫度和更復雜工況下的軋制需求。此外，通過引入人工智能與大數據分析，未來可以基于大量的輥型和溫度數據，建立軋輥熱脹冷縮的預測模型，從而實現溫度變化對輥型影響的動態調整。這些改進將進一步提升設備在實際生產環境中的智能化水平，為鋼鐵和制造行業的高精度加工提供更加完善的支持。

[參考文獻]

[1] 孫清蕾.熱軋機設備中軋輥表面處理對板材質量的影響[J].冶金與材料，2024，44（10）：139-141.

[2] 周昊男.基于電子溫控技術軋輥輥形預設的研究[D].秦皇島：燕山大學，2023.

[3] 李子正，劉蘆軒，尹寶良，等.熱連軋機組軋輥溫度場及熱輥型[J].鋼鐵，2024，59（2）：111-118.

收稿日期：2024-11-26

作者簡介：郭齊（1984—），男，安徽定遠人，機械工程師，從事軋輥測量儀設計與研究、軋輥檢測服務等工作。