白 潔，李國(guó)斌

(東北輕合金有限公司，哈爾濱150060)

傳統(tǒng)的用自由鍛機(jī)鍛壓環(huán)件生產(chǎn)鋁合金環(huán)件的生產(chǎn)工藝，由于受鍛壓機(jī)械能力的限制，只能加工直徑3m以下的環(huán)件。隨著國(guó)防及航空航天事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)直徑3m以上的鋁合金環(huán)件的需求越來越大。為此，東輕公司自行設(shè)計(jì)研制了加工直徑可達(dá)5m鋁合金環(huán)件的專用設(shè)備——環(huán)軋機(jī)。

1 環(huán)軋機(jī)軋制原理

環(huán)軋機(jī)軋制原理，如圖1主要由4個(gè)輥完成軋制:輥1為主軋輥、輥2為芯輥、輥3輥4為左右定心輥。圖示中標(biāo)出了各輥及環(huán)件的位置及運(yùn)動(dòng)方式。其中主軋輥為主動(dòng)輥，其他輥為被動(dòng)輥，由環(huán)件旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。主軋輥在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，還在該輥與位置不動(dòng)的芯輥圓心連線的方向上運(yùn)動(dòng)，即壓下運(yùn)動(dòng)，兩輥間的輥縫決定了環(huán)件的壁厚。當(dāng)主軋輥以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速和移動(dòng)速度向芯輥靠近時(shí)，在兩輥間的環(huán)件上產(chǎn)生軋制力，并使環(huán)件轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)軋制力滿足環(huán)件的鍛透條件時(shí)，環(huán)件在與主軋輥接觸點(diǎn)切線方向上延伸，使環(huán)件直徑增大。左右定心輥的作用為保持軋制過程的平穩(wěn)及環(huán)件的圓度。

圖1 環(huán)軋機(jī)軋制原理圖

軋制一般分為以下幾個(gè)過程:

(1)初軋階段:此階段以小的壓下量和移動(dòng)速度進(jìn)行軋制，對(duì)坯料表面進(jìn)行平整，為快速軋制做好準(zhǔn)備。

(2)連續(xù)軋制階段:根據(jù)不同環(huán)件的生產(chǎn)工藝要求，調(diào)整軋輥轉(zhuǎn)速和壓下速度，實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)軋制。

(3)整形階段:當(dāng)環(huán)件尺寸即將達(dá)到要求尺寸時(shí)，減少壓下量直至停止壓下，進(jìn)行整形軋制，對(duì)環(huán)件進(jìn)行最終規(guī)圓整形。

2 各輥的驅(qū)動(dòng)和軋制控制的主要參量

2.1 各輥的驅(qū)動(dòng)

由于鋁合金環(huán)件的規(guī)格尺寸、合金成分、溫度等不同，因此各種環(huán)件以及每個(gè)環(huán)件軋制的各階段的各輥運(yùn)行參數(shù)也不相同。要求各輥運(yùn)行能夠平滑調(diào)速，運(yùn)行過程平穩(wěn)。為此上述各輥的驅(qū)動(dòng)均采用Z4系列直流電動(dòng)機(jī)來完成。通過機(jī)械變速裝置使各輥速度調(diào)速范圍及輸出功率達(dá)到環(huán)件軋制的要求。各直流電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如下表:

表1 硼鐵成份

2.2 軋制控制主要參量關(guān)系

環(huán)軋機(jī)在軋制過程中要對(duì)如下主要參數(shù)實(shí)施控制和檢測(cè):

(1)各輥的運(yùn)行速度:主軋輥的轉(zhuǎn)速和壓下速度決定了環(huán)件軋制力和軋制速度;左右定心輥的移動(dòng)需適時(shí)跟蹤環(huán)件直徑的變化。

(2)軋制中各輥的位置:由于芯輥的位置不動(dòng)，主軋輥的位置決定了環(huán)件的壁厚。在滿足鍛透條件下壁厚的變化決定了環(huán)件直徑的變化。左右定心輥的位置決定了軋制過程的穩(wěn)定和環(huán)件的圓度。

(3)各輥的壓力:為保證設(shè)備安全運(yùn)行和生產(chǎn)合格產(chǎn)品，各輥均設(shè)置了壓力檢測(cè)裝置，當(dāng)輥與環(huán)件間壓力達(dá)到設(shè)備能力或產(chǎn)品生產(chǎn)工藝允許值時(shí)，將自動(dòng)調(diào)整各相關(guān)運(yùn)行輥的速度。

3 電控系統(tǒng)概述

3.1 主要電控部件及其作用

(1)PLC:該系統(tǒng)是較為復(fù)雜的電控系統(tǒng)，不僅要對(duì)上述各直流電動(dòng)機(jī)實(shí)施控制，還要根據(jù)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)需要對(duì)如芯輥升降，夾緊松開，潤(rùn)滑油泵等其他電動(dòng)機(jī)、電磁閥等設(shè)備實(shí)施控制。為此選用西門子S7－300系列PLC作為控制核心，完成對(duì)各電動(dòng)機(jī)、電磁閥等設(shè)備的控制。模塊化結(jié)構(gòu)的S7－300系列PLC產(chǎn)品具有高性能的中央處理器和種類繁多的功能模塊，具有強(qiáng)大快速的數(shù)據(jù)運(yùn)算和信息處理能力及通訊能力，可以非常方便靈活的組成用來完成各種不同控制要求的電控系統(tǒng)，具有體積小，便于組態(tài)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

本系統(tǒng)主要配置:

CPU315－2DP:用于數(shù)據(jù)運(yùn)算和信息處理。

SM321:用于各種按鈕，轉(zhuǎn)換開關(guān)，行程開關(guān)等信號(hào)的輸入。

SM322:用于輸出各種閥、接觸器等控制信號(hào)。

(2)直流調(diào)速器:環(huán)件的軋制質(zhì)量取決于各直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量。為此選用ABB公司的直流調(diào)速器DCS500系列，對(duì)各直流電動(dòng)機(jī)實(shí)施驅(qū)動(dòng)控制。它是一種內(nèi)含80186EM微處理器CPU和應(yīng)用專用集成電路ASIC控制的，雙閉環(huán)數(shù)字化直流調(diào)速裝置，具有強(qiáng)大的信息處理監(jiān)控和通訊功能，可通過豐富的軟件功能塊的選擇和設(shè)置，方便地實(shí)現(xiàn)用戶的控制要求，具有性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。該系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制均采用DCS502B調(diào)速器，各調(diào)速器均通過適配器NPBA－12與PROFIBOS－DP總線連接。其中，用于主軋輥驅(qū)動(dòng)的兩臺(tái)直流調(diào)速器進(jìn)行了功率擴(kuò)展，并且構(gòu)成了主從方式的控制系統(tǒng)。

圖2 環(huán)軋機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(3)計(jì)算機(jī):用于輸入和顯示各種軋制控制參數(shù)和曲線，比如:輸入各直流電機(jī)的速度給定，顯示各電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、各輥位置、環(huán)件直徑等，實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息的交換。

(4)軋制過程中各直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，各輥的位置是重要的控制參數(shù)，檢測(cè)需準(zhǔn)確可靠，故選用每轉(zhuǎn)1 024脈沖倍加福增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，實(shí)現(xiàn)對(duì)各直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和由其驅(qū)動(dòng)的輥的位置的檢測(cè)。

(5)壓力檢測(cè)采用冶自歐博CH－V型軋制力檢測(cè)儀，以確保軋制過程安全穩(wěn)定。

(6)環(huán)件直徑檢測(cè):采用激光測(cè)距儀，測(cè)距范圍0～5m。

3.2 電控系統(tǒng)組成

(1)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概況

電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

由S7－300PLC為核心，組成了環(huán)軋機(jī)的電控系統(tǒng)，由PROFIBUS－DP現(xiàn)場(chǎng)總線，完成PLC、計(jì)算機(jī)及各直流調(diào)速器間的數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)主要數(shù)學(xué)模型運(yùn)算和各種信息的處理均在PLC中進(jìn)行。其中主站MASTER用于系統(tǒng)控制，安裝在控制柜中，從站SLAVE用于各按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)信號(hào)的輸入和運(yùn)行狀態(tài)指示安裝在操縱臺(tái)內(nèi)。PLC對(duì)由輸入模塊SM321和計(jì)算機(jī)等取得的條件信息，經(jīng)運(yùn)算處理，通過SM322輸出模塊，完成各電機(jī)、電磁閥的運(yùn)轉(zhuǎn)與否的控制。

(2)有關(guān)過程控制參數(shù)信息的取得和傳送

a.環(huán)件直徑的獲取:見圖一，由于芯輥和激光測(cè)距儀的位置是固定的，

則:環(huán)件直徑=測(cè)距儀到環(huán)件和芯輥的切點(diǎn)距離一測(cè)距儀到環(huán)件距離+環(huán)件臂厚。

其中:測(cè)距儀到環(huán)件距離由測(cè)距儀測(cè)得。

環(huán)件壁厚由主軋輥位置決定，由壓下電動(dòng)機(jī)測(cè)速編碼器測(cè)得。

b.各移動(dòng)輥的位置:由驅(qū)動(dòng)該輥移動(dòng)的直流電動(dòng)機(jī)測(cè)速編碼器測(cè)得。由機(jī)械裝置經(jīng)減速機(jī)、絲母絲杠機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，通過機(jī)械變比，得出編碼器每轉(zhuǎn)一周，輥移動(dòng)的距離。得出:

脈沖當(dāng)量=旋轉(zhuǎn)一周的行程÷1 024(mm/脈沖)

則:輥距零點(diǎn)的距離=累計(jì)脈沖數(shù)×脈沖當(dāng)量

c.移動(dòng)輥的壓力:由軋制力檢測(cè)儀測(cè)得。

d.激光測(cè)距儀與壓力檢測(cè)儀的輸出信號(hào)均為模擬信號(hào)，利用直流調(diào)速器的X3通道的4個(gè)模擬輸入端將其輸入進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，例如壓力信號(hào)由壓下直流調(diào)速器X3通道的9和10端口輸入，轉(zhuǎn)換后由功能模塊AI3的10110讀出，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS－DP傳送至PLC。

各電機(jī)測(cè)速編碼器具有雙重作用:電機(jī)速度反饋和輥的位置檢測(cè)。各輥位置的檢測(cè)通過直流調(diào)速器的X5通道輸入的編碼器信號(hào)，經(jīng)過速度測(cè)量功能模塊的記錄脈沖數(shù)的計(jì)數(shù)器12104的累計(jì)得到所需的脈沖數(shù)，取出計(jì)數(shù)器的數(shù)值，通過總線PROFIBUS－DP傳送至PLC。

通過以上措施，節(jié)省了PLC的A/C轉(zhuǎn)換模塊和高速計(jì)數(shù)器模塊的使用，電路得以簡(jiǎn)化。

e.各電機(jī)速度給定:根據(jù)工藝要求，由計(jì)算機(jī)輸入，并通過總線傳至各直流調(diào)速器控制電機(jī)按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、環(huán)件直徑壁厚等參數(shù)。由調(diào)速器及PLC經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線傳至計(jì)算機(jī)顯示。

3.3 直流電動(dòng)機(jī)的控制:

各直流電動(dòng)機(jī)的控制是類似的，現(xiàn)以壓下電動(dòng)機(jī)控制原理為例加以說明:見圖3.壓下電氣原理圖

通過調(diào)速器的各輸入、輸出通道，實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)對(duì)直流調(diào)速器的控制和直流調(diào)速器與其他設(shè)備的信息交換。簡(jiǎn)述如下:

BCS502B直流調(diào)速器控制板，有一個(gè)數(shù)字傳送控制DPCS通道V260傳輸速率高達(dá)4Mbits/s。該通道連接適配器NPBA－12接至PROFTBUS總線，實(shí)現(xiàn)該調(diào)速器與計(jì)算機(jī)和PLC等對(duì)象的數(shù)據(jù)傳送，通道X16:4和5端為適配器提供電源。

通道X3為模擬信號(hào)輸入通道，如壓力信號(hào)由該通道的一個(gè)輸入端輸入，激光測(cè)距儀的信號(hào)從另一個(gè)調(diào)速器的該通道輸入，A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)總線傳至PLC。

通道X4為模擬信號(hào)輸出通道:電流、轉(zhuǎn)速等信號(hào)，由該通道輸出送儀表顯示。主軋輥由2臺(tái)電機(jī)經(jīng)機(jī)械減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，兩臺(tái)直流調(diào)速器構(gòu)成主從控制系統(tǒng)，由主電機(jī)調(diào)速器的X4通道的8和10端口輸出的速度信號(hào)，經(jīng)從電機(jī)調(diào)速器X3通道的9和10端口輸入，作為從電機(jī)的速度給定。即由主電機(jī)調(diào)速器功能模塊A02輸出的主電機(jī)轉(zhuǎn)速的模擬信號(hào)，經(jīng)從電機(jī)調(diào)速器功能模塊AI2讀出，調(diào)節(jié)從電機(jī)轉(zhuǎn)速。

通道X5為旋轉(zhuǎn)編碼器的輸入通道，作為速度反饋信號(hào)。

通道X6為數(shù)字量輸入通道:電樞主回路，風(fēng)機(jī)回路的接通信號(hào)，急停、復(fù)位、啟動(dòng)、運(yùn)行控制信號(hào)均由此輸入。

通道X7為數(shù)字量輸出通道:對(duì)風(fēng)機(jī)、勵(lì)磁回路的聯(lián)鎖，運(yùn)行準(zhǔn)備，正在運(yùn)行，設(shè)備故障等信號(hào)，均由此通道輸出。

直流調(diào)速器的調(diào)節(jié)功能是通過軟件完成的，控制程序全部是由功能模塊組成，BCS500B調(diào)節(jié)器提供了大量功能豐富的功能模塊。例如:輸入、輸出、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、傳動(dòng)邏輯、速度測(cè)量、制動(dòng)控制、故障報(bào)警等功能模塊，通過選擇連接系統(tǒng)控制所需的功能模塊，并設(shè)置相應(yīng)的控制參數(shù)，組成了滿足生產(chǎn)工藝和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)控制的應(yīng)用程序。圖3為電機(jī)電樞控制框圖。

由控制框圖可知，該系統(tǒng)為電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)為外環(huán)的雙閉環(huán)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，數(shù)字化的功能強(qiáng)大的軟件控制，使得系統(tǒng)具有很高的控制精度和運(yùn)行可靠性。

由于壓下無需弱磁調(diào)速，故外設(shè)了電機(jī)的勵(lì)磁回路，圖中的GL1為欠勵(lì)磁繼電器，用以對(duì)其他電路的聯(lián)鎖。

3.4 環(huán)軋機(jī)運(yùn)行控制

圖3 電機(jī)電框控制框圖

環(huán)軋機(jī)運(yùn)行控制由PLC控制完成，生產(chǎn)工藝和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所需的各種控制信息，通過按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、編碼器、壓力檢測(cè)儀、激光測(cè)距儀、計(jì)算機(jī)等經(jīng)輸入模塊SM321和PROFIBUS總線傳送給PLC，經(jīng)運(yùn)算處理后，由輸出模塊SM322及經(jīng)PROFIBUS總線控制各電機(jī)、電磁閥工作及送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)顯示。而軟件程序則是每種運(yùn)行狀態(tài)調(diào)用與之相應(yīng)的子程序控制指定的設(shè)備進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)于需要對(duì)某些參量進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算才能達(dá)到控制要求的控制對(duì)象，則需建立與此控制相適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來完成。比如，在自動(dòng)快速軋制過程中，對(duì)左右定心輥的控制，就是通過由環(huán)件直徑、壁厚等參量建立的數(shù)學(xué)模型經(jīng)運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)的。

應(yīng)用軟件的控制功能有如下幾方面:

a.系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)的控制，如手動(dòng)狀態(tài)、自動(dòng)狀態(tài)對(duì)設(shè)備的控制及調(diào)整狀態(tài)下對(duì)各輥位置的校準(zhǔn)等。

b.各直流電動(dòng)機(jī)的電樞及其勵(lì)磁、風(fēng)機(jī)等運(yùn)行狀態(tài)的控制。

c.對(duì)激光測(cè)距儀、各直流電動(dòng)機(jī)測(cè)距編碼器、輥壓力檢測(cè)儀等檢測(cè)參數(shù)的處理及為運(yùn)行控制所建立的各種數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算，如環(huán)件直徑及壁厚、各輥位置及壓力等。

d.其它電控設(shè)備的運(yùn)行控制，如齒輪箱油泵、芯輥升降、芯輥夾具夾緊松開、活動(dòng)支撐起落等控制。

(1)手動(dòng)控制

在設(shè)備維修，調(diào)整和軋制的初始階段及整形階段，均可采用手動(dòng)控制，各輥運(yùn)轉(zhuǎn)、移動(dòng)及其他部位的動(dòng)作，通過按鈕、開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)操作，并將各直流電動(dòng)機(jī)調(diào)整為適宜的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，各環(huán)節(jié)的操作均可獨(dú)立完成。

(2)自動(dòng)控制

經(jīng)過初軋和調(diào)整各輥的位置及轉(zhuǎn)速，使之到達(dá)自動(dòng)運(yùn)行的條件。系統(tǒng)便可轉(zhuǎn)入自動(dòng)高速連續(xù)軋制。此時(shí)的主傳動(dòng)電機(jī)和壓下電機(jī)是根據(jù)設(shè)備性能和生產(chǎn)工藝要求，設(shè)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著軋制的進(jìn)行，環(huán)件直徑就逐漸增大，而左右定心輥則需隨環(huán)件直徑的增大而移動(dòng)。也就是說:自動(dòng)軋制的關(guān)鍵是自動(dòng)控制左右定心輥的移動(dòng)。以左定心輥為例:定心輥由直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，沿A－O1方向移動(dòng)。連續(xù)軋制過程中，定心輥位置示意圖見圖4。

圖4 軋制過程中定心輥位置示意圖

圖中:O—環(huán)件圓心

A—沿軌道運(yùn)動(dòng)的定心輥絲杠延長(zhǎng)線的交點(diǎn)。

O1—定心輥圓心。

B－兩定心輥圓心連線與主軋輥和芯輥圓心連線延長(zhǎng)線形成的垂點(diǎn)。

R－環(huán)件半徑。

r－定心輥半徑。

D－芯輥直徑。

H－環(huán)件壁厚，即主軋輥與芯輥輥縫。

L－A點(diǎn)到芯輥邊緣的距離。

設(shè)定心輥外沿與環(huán)件外沿相切:則

設(shè):定心輥位置O1A為X:則

解得

由此可見:在自動(dòng)控制過程中，定心輥應(yīng)處的位置，將隨環(huán)件直徑和壁厚的變化而變化。其數(shù)據(jù)將由激光測(cè)距儀及壓下電機(jī)編碼器即壓下輥位置獲得。驅(qū)動(dòng)定心輥的電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是依據(jù)實(shí)測(cè)的定心輥位置與計(jì)算的位置的比較結(jié)果控制的。

定心輥的實(shí)際位置，是自動(dòng)軋制過程能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，若定心輥與環(huán)件外沿距離過大則可能引起環(huán)件擺動(dòng)，過小會(huì)因環(huán)件圓度不均等因素，使定心輥夾持環(huán)件而影響環(huán)件轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，實(shí)測(cè)的距離與計(jì)算的距離的差值應(yīng)保持一定的范圍。即設(shè)定上下限范圍，當(dāng)差值達(dá)到下限值時(shí)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)差值達(dá)到上限值時(shí)，停止運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可根據(jù)不同合金規(guī)格的環(huán)件設(shè)定或調(diào)整。從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

在軋制過程中，有時(shí)會(huì)因環(huán)件溫度低，壁厚和圓度不均等因素，使運(yùn)行輥承受很大的壓力，如果該壓力達(dá)到或超過設(shè)備承受能力，則會(huì)造成設(shè)備故障和安全事故。在環(huán)軋機(jī)相關(guān)的運(yùn)行輥設(shè)置了壓力檢測(cè)裝置——軋制力檢測(cè)儀。在PLC軟件中為相應(yīng)輥設(shè)置了壓力設(shè)定值。比如當(dāng)主機(jī)輥的壓力達(dá)到或超過所設(shè)定值時(shí)，PLC發(fā)出指令，停止壓下電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，待主軋輥壓力降至設(shè)定值以下并調(diào)整壓下電機(jī)轉(zhuǎn)速后，啟動(dòng)壓下電機(jī)運(yùn)行，確保軋制過程的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的金屬環(huán)件軋制設(shè)備，其壓下和定心機(jī)構(gòu)多采用液壓傳動(dòng)，適合于小規(guī)格尺寸且材質(zhì)和規(guī)格尺寸單一的環(huán)件軋制。而大規(guī)格鋁合金環(huán)件其合金品種，尺寸規(guī)格多樣，軋制過程中尺寸變化范圍大，軋制過程中各輥適時(shí)跟蹤環(huán)件尺寸變化時(shí)難以準(zhǔn)確控制定位。利用直流電機(jī)調(diào)速平滑，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的特點(diǎn)輔以本文所述的各種控制措施，取得良好效果，該設(shè)備投入生產(chǎn)使用后，生產(chǎn)出了大批包括直徑達(dá)5M的鋁合金環(huán)件，為祖國(guó)的國(guó)防及航空航天事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。

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