（机械工程专业论文）开卷校平冲压生产线的开卷机分析及研究.pdf

摘要 薄板硅钢片的生产技术是钢铁工业发展水平的一个重要标志。薄板及硅钢片 除了供汽车、农机、化工、建筑、电器等工业使用外，还与日常生活有直接关系， 如家用电冰箱、洗衣机、电视机等都需要用到。因此在工业发达的国家中，薄板 硅钢片的需求逐年增加。而开卷机又是其生产中的必备装置，因此对开卷机的研 究显得尤为重要。特别是通过对其张力的优化调整，提高了其产品质量及原料使 用率。 本文通过分析开卷机恒张力控制的特点，提出了通过调节逆变器转矩电流的 给定值来实现丌卷机的恒张力控制，并进一步分析计算f j 影响转矩电流给定值的 三个囚素一张力电流、惯性补偿电流和摩擦补偿电流。并在m a t l a b 的s i m u l i n k 中搭建了计算张力电流百分值、惯性补偿电流百分值以及摩擦补偿电流百分值的 模块。通过动态仿真检验了推导的惯性力矩表达式符合实际的变化规律。 对带材开卷机的主轴进行了受力分析，求出支反力，并画出主轴的弯矩图。 根据主轴所承受的弯矩和扭矩对主轴的强度进行了校核，验证了开卷机使用时的 安全性。 对开卷机传动部分结合回转机械系统转动惯量进行测量研究，提出了开卷机 转动惯量的测量方案，对摩擦阻力矩的消除提出一种可行的方法，并对所用器件 进行了选型设计。通过构建电测系统进行多组实验，可以求出一系列对应不同转 矩的转动惯量的数值，将这些值求平均值得到最终转动惯量的值。 提出了一种新的浮动支撑结构，通过改变托辊的数量及位置，降低了由于硅 钢卷径的变化导致的重力改变而带来的卷筒轴与浮动支撑的弹性变形，减轻了开 卷张力分布的波动，使张力变化在规定的范围之内，减少硅钢片在开卷过程中的 翘曲现象，从而提高冲压后硅钢片的产品质量，机械结构更加经济合理。 关键词：开卷机恒张力控制浮动支撑开卷机t 轴转动惯量 a bs t r a c t s i l i c o ns t e e ls h e e tp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yi st h el e v e lo fi r o na n ds t e e li n d u s t r yi s a ni m p o r t a n ts y m b 0 1 i na d d i t i o nt os h e e tm e t a la n ds i l i c o ns t e e lf o ra u t o m o t i v e ， a 研c u l t u r a l ，c h e m i c a l ，c o n s t r u c t i o n ，e l e c t r i c a la n do t h e ri n d u s t r i a lu s e ，b u ta l s oh a v ea d i r e c tr e l a t i o n s h i pw i t he v e r y d a yl i f e ，s u c h 舔h o u s e h o l dr e f r i g e r a t o r s ，w a s h i n g m a c h i n e s t e l e v i s i o n sa n ds on e e dt ou s e t h e r e f o r e ，i ni n d u s t r i a l i z e dc o u n t r i e s ，t h e d e m a n df o rs i l i c o ns t e e ls h e e ti n c r e a s e se v e r yy e a r t h eu n c o i l e ri se s s e n t i a li nt h e p r o d u c t i o n u n i t ，s ot h es t u d yo fo p e n b o o km a c h i n e i s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t p a r t i c u l a r l yt h r o u g ht h eo p t i m a la d j u s t m e n to f i t st e n s i o n ，i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h e i r p r o d u c t sa n d r a wm a t e r i a l su s a g e t h i sp a p e ra n a l y z e st h eu n c o i l e rc o n s t a n tt e n s i o nt oc o n t r o l ，m a d eb ya d j u s t i n g t h et o r q u ec u r r e n ti n v e r t e rt oa c h i e v eag i v e nv a l u eo ft h ec o n s t a n tt e n s i o nu n w i n d i n g m a c h i n ec o n t r o l ，a n df u r t h e ra n a l y s i st oc a l c u l a t et h ei m p a c to ft h et o r q u ec u r r e n t v a l u eo ft h et h r e ef a c t o r sap o w e rc u r r e n t , i n e r t i aa n df r i c t i o nc o m p e n s a t i o nc u r r e n t c o m p l e n s a t i o nc u r r e n t a n dt h es i m u l i n ki nm a t l a b t oc a l c u l a t et h et e n s i o ni nt h e c u r r e n tb u i l dp e r c e n t i l e ，i n e r t i aa n df r i c t i o nc o m p e n s a t i o nc u r r e n tp e r c e n t i l ep e r c e n t i l e o ft h ec o m p e n s a t i o nc u r r e n tm o d u l e d e r i v e db yd y n a m i cs i m u l a t i o nt e s t o ft h e m o m e n to fi n e r t i ae x p r e s s i o nr e a l i s t i cv a r i a t i o n s t r i pu n c o i l e rf o rt h es p i n d l e o ft h es t r e s sa n a l y s i s ，f i n dt h es u p p o r tr e a c t i o n sa n d d r a wt h ea x i so ft h eb e n d i n gm o m e n td i a g r a m a c c o r d i n gt ot h es p i n d l ea r ee x p o s e d t ob e n d i n gm o m e n ta n dt o r q u eo nt h es p i n d l ei n t e n s i t yw e r ec h e c k e dt ov e r i f yt h eu s e o fo p e n b o o km a c h i n es a f e t y s o m ec o m b i n a t i o no ft h ep a y o f fr e e ld r i v er o t a r yi n e r t i ao ft h em e c h a n i c a l s y s t e mm e a s u r e m e n t so fp r o p o s e do p e n b o o km a c h i n em o m e n to f i n e r t i ao ft h e m e a s u r e m e n tp r o g r a m ，t h ee l i m i n a t i o no ff r i c t i o nm o m e n tp r e s e n t saf e a s i b l em e t h o d ， a n dd e v i c e sw e r eu s e di ns e l e c t i o na n dd e s i g n b yb u i l d i n ge l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t s y s t e mf o rm u l t i p l ee x p e r i m e n t s ，y o uc a nf i n dac o n e s p o n d i n gm o m e n to fi n e r t i ao f d i f f e r e n tt o r q u ev a l u e s ，t h e s ev a l u e sa r ea v e r a g e dt og e tt h ef i n a lm o m e n to fi n e r t i a v a h l e s an e w f l o a t i n gs u p p o r ts t r u c t u r e ，b yc h a n g i n gt h en u m b e r a n dl o c a t i o no fr o l l e r s ， r e d u c e ds i l i c o ns t e e lc o i ld i a m e t e rd u et oc h a n g e si ng r a y i t yd u et oc h a n g e sb r o u g h t a b o u tr o l la x i sa n dt h ee l a s t i cd e f o r m a t i o no ff l o a t i n gs u p p o r t ，r e d u c i n gt h et e n s i o n d i s t r i b u t i o no fo p e n b o o kf l u c t u a t i o n s ，c h a n g e si nt e n s i o nw i t h i nt h el i m i t sp r e s c r i b e d t or e d u c et h es i l i c o ns t e e ls h e e ti nc o i li nt h ep r o c e s so fw a r p i n g ，t h e r e b ye n h a n c i n g t h eq u a l i t yo fs i l i c o ns t e e la f t e rs t a m p i n g ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r ei sm o r ee c o n o m i c a l k e yw o r d s ：u n c o i l e r ；c o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o l ；f l o a t i n gs u p p o r t ；u n c o i l e r s p i n d l e ；m o m e n to f i n e r t i a 学位论文的主要创新点 i u lli i iu ll i ti iit liiii y 2 0 5 9 0 91 一、 本文对硅钢片冲压生产线的主要设备一开卷机的张力控制进行分析研究。 提出了通过调节逆变器转矩电流的给定值，实现了开卷机的恒张力控制，解 决了生产线中硅钢片表面划痕严重及硅钢片跑偏问题。 二、通过对传统的水、f 摆动及垂直摆动的开卷机浮动支撑结构进行受力分 析，提；“了通过改变托辊的数量及支撑位置的设计方案，降低了由于硅钢卷 径的变化导致的重力改变而带来的卷筒轴与浮动支撑的弹性变形，减小了开 卷张力分布的波动，张力变化在规定的范围之内，减少硅钢片在开卷过程中 的翘曲现象，从而提高了硅钢片的表面质量。通过实验验证了改进后的浮动 支撑结构比传统的浮动支撑结构紧凑，节省了占用空间，提高了产品的表面 质量。 第一章绪论 1 1 课题的选题目的和意义 第一章绪论 硅钢又称电工钢，其制成品的工艺往往代表了钢铁产品的制成工艺，国内外 的生产技术都以专利形式加以保护，视为企业的生命。硅钢主要分为：热轧硅钢 片、冷轧无取向硅钢片、冷轧取向硅钢片和高磁感冷轧取向硅钢片。是电力、电 子和军事工业不可缺少的软磁合金。主要用作各种电机、发电机和变压器的铁心。 电工用硅钢薄板俗称矽钢片或硅钢片，硅钢片是含硅量在0 5 5 的超低碳 钢板，用性能良好的硅钢片制作变压器、电机的铁芯，不仅能节省能源，减少铁 损，而且还能减小噪声污染，因此，它是电力、电子和军事工业中不可缺少的重 要软磁合金。硅钢片分冷轧、热轧两种，使用较多的是冷轧硅钢片。冷轧硅 钢片沿轧制方向有优良的磁性能，不仅在强磁场中具有高饱和磁通密度和低铁 损，而且在弱磁场中也有良好的磁性( 初始磁导率大) 。这是由于冷轧工艺过程使 钢片中杂质含量降低，并在钢片中造成粗大晶粒，致使磁导率增大，磁滞损耗减 小。目前我国冷轧电工钢数量、质量、规格牌号，还不能满足能源( 电力) 工业发 展的需求，在生产技术、设备、管理及科研等方面与日本相比，存在较大差距。 近年来，随着我国发电量和机电产品产量的快速增长，硅钢片消费量增长较 快。同时中国是一个电力工业长期短缺的大国，随着生产的发展及人民生活水平 的提高，电力缺口会愈显突出。因此国家将把加大电力工业发展作为长期建设方 针，这就要求大力增加硅钢产量。毕竟加工制造业的发展需要大量中、小型电动 机对硅钢提出大量需求。目前我国年生产中小电机容量为( 5 0 0 0 万w ) 。这些因素 都为硅钢发展创造了广阔的前景。 硅钢片在电机领域的应用中需要将其冲压成片，堆叠后形成电机组件。为适 应产品市场日益增长的需求，硅钢片加工效率提高就显得尤为重要了。一般来讲， 大多数的企业都会采用开卷校平冲压生产线将硅钢片冲压成型。 开卷校平冲压生产线是指具备开卷、纠偏、余量调节、步迸送料、取片、切 废料及码垛等一系列功能的自动化设备。生产线主要由上料顶升、开卷机、预送 料机构、步进送料装置、取片装置、切废料机构及堆垛装置等组成。总体上分为 天津工业大学硕士学位论文 前线和后线两个部分：前线为料卷的输送部分；后线为冲压片的拾取、码垛及废 料切断部分。硅钢卷板首先经开卷机和送料机构后等步距通过冲床冲压模具间， 在冲压完成后，废料与冲片成品同时通过取片机械手拾取码放在液压升降平台 上，同时废料切刀将废料带切断并收集于废料车内。 开卷校平冲压生产线除了应用在硅钢片的生产上之外，还主要应用于加工各 种冷轧热轧卷板，硅钢板，不锈钢板，彩板，铝板以及电镀后或者涂装后的各类 金属板材的校平、冲压、码垛。广泛用于电工设备、汽车、集装箱、家电、食品、 包装、建材等金属加工行业。开卷机为作为此生产线重要的组成部分，对产线的 生产效率及产品质量的提高显得尤为重要。 1 2 开卷机的特点及应用 开卷机作为硅钢片冲压生产线的主要设备之一，其作用是把硅钢卷带头引出 并矫平进入送料机和在生产过程中提供足够的开卷张力。 常用的开卷机有双柱头式、悬臂式、双锥头式三种形式。 1 ) 双锥头式开卷机 双锥头式开卷机的锥头分可胀缩式和不可胀缩式两种。不可胀缩式开卷机对 带钢形成的张力小，锥头易压伤钢卷内层的边缘，曾用于精整机组的开卷，现己 不再采用。乜1 双锥头式开卷机结构如图卜1 所示。 第一章绪论 图1 - 1 双锥头开卷机 可胀缩式双锥头开卷机由于锥头插入钢卷以后使其胀紧，因而带钢形成的张 力较大，常用于轧机和平整机机组的开卷。瞳1 在铝带材的加工中一般采用双锥头 开卷机。铝带材加工机组中，为了带卷定位准确，减少卷轴变形，同时也为了减 小转动惯量，达到较高的控制精度，其开卷机和卷取机会采用双锥头夹紧机构。 【3 】 2 ) 双柱头式开卷机 双柱头式开卷机主要由回转涨缩缸、滑动底座、轴向液压缸、柱头卷筒、料 卷驱动机构几部分组成，主要具有以下特点：承载重量大。该机由左右两边支撑 料卷，相对悬臂式开卷机，承载结构合理，更适合于大吨位料卷。上料操作方便， 工作平稳和可靠。双柱头开卷机上料时，当料卷卷径中心与卷筒中心基本重合时， 轴向液压缸向中间靠拢，当料卷与卷筒轴台挨上时回转胀缩缸开始工作，直到将 料卷涨紧，这时上料工作就算完成。相对于悬臂式开卷机，双柱头开卷机能准确 的将各种宽度料卷与剪切中心对准。结构和制造比较简单。悬臂式开卷机卷筒长， 为了考虑上料方便，要求卷筒卷径胀缩范围大，这就导致一些零件如棱锥体、空 心轴、弓形块等备料困难、加工难度大、周期长；相对而言双柱头开卷机结构和 制造比较简单h 1 。见图卜2 图1 - 2 双柱头式开卷机 天津工业大学硕士学位论文 3 ) 悬臂式开卷机 悬臂式开卷机一般由主轴部分、辅助支撑、动力部分、压辊部分、底座等组 成。主轴部分为该机的核心部分，四扇型块通过t 型斜块与滑套相连，并同时套 在空心主轴上，芯轴与滑套相连，油缸控制滑套运动，可实现四扇型块同时涨开 和收缩。这样当扇型块收缩时，有利于上卷，当扇块涨开时，可将钢卷涨紧。主 轴涨缩式开卷机使主轴与钢卷在工作时不产生打滑，在开卷过程中钢卷运转开 稳，容易实现开卷控制。哺1 压辊部分位于主轴上部，通过一根长轴固定在主轴箱 顶部，压辊安装在悬臂底部，通过链轮由电机驱动，悬臂固定在长轴中央。长轴 在油缸控制下，可带动悬臂压下和抬起，当进料时，压下悬臂压辊将钢卷压住， 可以防止散卷，便于进料。退料时将悬臂压下给钢卷一定的压力，可帮助收紧钢 卷。辅助支撑部分位于主轴端部，主要由支撑架、托架、连杆和油缸等组成。工 作时，油缸推动连杆将托臂升起，托住开卷机主轴端部来提高主轴刚性，是开卷 机平稳，防止跑偏。传动部分位于主轴箱内部，由液压马达驱动开卷机主轴旋转， 亦可反向张力，实现开卷时的反向涨紧。 1 卷筒；2 减速机；3 底座；4 移动液压缸；5 涨缩液压缸； 6 电动机；7 框架：8 外支撑：9 压紧辊 图1 - 3 悬臂式开卷机 第一章绪论 开卷机作为冲压生产线的重要组成部分对冲压生产线效率的提高起着重要 的作用。随着经济的快速发展，为适应市场日益激烈的竞争，越来越多的企业开 始关注自动化生产。哺1 冲压生产自动化主要是指包括材料供给、制品及废料的排 出、模具更换、冲床的调整与运转、冲压过程异常状况的监视等作业过程自动化。 将这些技术应用到冲压生产流水线的相应环节从而实现冲压生产过程的自动化。 其中自动送料机构是冲压加工生产线试下自动化的关键，通过模具的调整实现多 工位冲压的保证，它直接影响着产量的高低，产线速度的快慢以及冲压生产整体 的自动化水平。 冲压生产自动化是提高生产率、保证安全生产的根本途径。在采用手工操作 进行送料的通用压力机上行程利用率较低，约为2 0 至i l j 3 0 。但是采用自动送料 装置将行程次数利用率提高3 至1 j 4 倍。所以，大多数企业都在通用压力机上采用自 动送料装置进行自动或半自动生产，通常这样一般可使生产率提高几倍以上。在 一些生产生产冲压件很大量的行业中，高效的自动冲压设备及其相适应的自动送 料装置和模具开始广泛的应用了，冲压次数可以达到每分钟1 0 0 0 多次，送料精度 达可以达n o 0 1 。此外各个企业对冲压柔性加工系统的应用和研究工作也随着 电子计算机技术的发展越来越受到重视。自动送料机构一般采用普通的送料机 构、机械手臂加穿梭小车的形式。 多工位压力机的自动送料机构和自动化输送系统。目前开式单点压力机加装 辊轮送料机( 或气动送料机) 在冲压生产线的配置中应用较为广泛，这种生产线操 作性良好，能够实现单工序及多工序的连续冲压；另一种开式双点压力机则需要 加装与之配套的多工位送料装置，在生产线上安装开卷装置、校平装置等组成能 够组成用于多工位连续冲压的生产线。因为占地面积少工序间的搬运少，越来越 多的企业中采用这种方式；但是专门冲制电机硅钢片的生产线，则采用高速压力 机加装送料机，配装开卷机、校平装置等组成的生产线。 1 3 开卷机国内、外发展现状 据1 9 9 0 年前后美国精密锻压学会统计，在美国汽车公司采用多工位压力机的 比例可达7 0 ，日本为美国建造的生产线中也有6 9 采用了多工位压力机，日本 国内生产线中，多工位压力机的比例为3 2 。克莱斯勒与三菱公司合资的汽车厂、 通用汽车公司的s a t u r n - v 厂已经实现1 0 0 采用多工位压力机。由此可见，大型多 工位压力机必将取代单机联线冲压生产线。近几年来，随着电子技术的发展，计 天津工业大学硕士学位论文 算机控制技术的提高以及现代控制理论的广泛应用，交流伺服驱动技术也得到了 飞速的发展。交流伺服电动机为交流伺服自动送料提供动力，交流伺服电机工作 性能和工艺适应性很强，具有柔性化、智能化的特点。在我国n c h f 系列三合一伺 服系统送料机为较先进的自动送料装置，它广泛适合于需要连续冲压加工的五 金、电子、电器、玩具及汽车零件企业，送料矫正，准确耐用；同时可任意设定 送料长度，同时具备操作容易的特点，安全及稳定也大大性高。但是，该送料 机中的核心伺服马达、电器箱电子元件和控制器等都不是我国生产的，都是从日 本进口的。 目前，新的自动化冲压线也在国外出现了。加拿大的巨人钢铁公司的高速纵 切生产线，生产线面积达n 1 1 0 0 0 0 f i ，可生产最大宽度7 2 英寸的钢卷，最高生产 速度为1 0 0 0 英寸每分钟，承重可达6 0 0 0 0 磅、厚度的最低值为0 0 1 5 ”一0 2 5 英寸。此条新生产线还具备很多其他特点，并且可设定简便并能运行效率很高。 拉力跟踪系能够实现拉力曲线图的可视化管理，直接看出卷曲材料受力的大小。 能够根据板材的厚度进行定位，在刀具的顶端和两端安放了自动在线调整系统， 以减少材料纵切产生的应力。随1 按钮装置转换系统，可以实现离线设置和设备转 换两分钟内完成，快速设定并有很强的适应能力。为满足非手动切断钢带的需要， 生产线上还安装了带钢分配器，可以自动调整并确定带材的中央位置。循环移动 车台从纵切设备上进行非手动进行带钢缠卷，通过活套坑，最后到达张紧辊的咬 入点。凹1 生产线包含钢卷载料和装载系统、在线废钢切边卷取机、自动缠卷系统、 张力系统、卸卷机、坯料剥皮破碎机、入口切头剪机、双重纵切设备、出口切尾 剪机、转卷车、重卷机、和回转台。 马里兰钢铁公司于2 0 0 4 年8 月定购了h e r rv o s ss t a m c o 公司的多功能切割生 产线，该生产线为同时安装计算机数控纵切机和计算机数控矫直机的第一条生产 线。两方面的改进使得纵切和矫直的性能得到了提高，也提高了正常运行的时间。 生产线最大加工速度3 5 0 英寸每分钟、可加工处理1 2 - _ 6 0 英寸卷宽、厚度0 0 1 8 - - 0 1 0 5 英寸的钢卷，最小宽度为5 英寸的窄带。平整机包括用于精调的所有配 置。n 伽因为带编码器反馈装置的高性能驱动器准确定位轧机，所以可以自动重复 校准。纵切机的操作者只需输入设定参数( 包括间隙值) ，即可自身快速准确设定， 在下一钢卷通过之前完成设定工作，因此纵切机是真正由计算机数控的设备。那 些带远程控制调节刀具间隙的高速剪切机，可生产出无毛刺的薄板。聚乙烯、包 装纸再加带气挚的堆垛机，可以保证敏感材料均匀快速堆垛而不产生任何损坏。 第一章绪论 1 4 本文的主要研究内容 本课题密切结合制造装备业对开卷机的需求，立足于原始创新，通过分析计 算对开卷机进行分析研究。本文研究内容包括机构结构分析、运动学分析、动力 学分析等。全文编排如下： 第一章阐述论文的选题目的和意义，结合国内外发展现状，提出本论文的 主要研究内容。 第二章对开卷机的主要运用功能一张力控制进行受力分析及计算并通过动 态仿真分析以达到使用时的张力在静止及运动状态下的恒定。 第三章对开卷机的主要部件一主轴进行受力分析。通过计算得出轴径的大小 以保证主轴能够承受钢卷重量，确保生产中的安全性。 统。 第四章对开卷机的转动惯量进行研究分析，提出计算方法。并构建电测系 第五章对开卷机的浮动支撑进行研究分析，并对其结构进行优化改进。 第六章总结与展望：总结全文，并对进一步研究提出建议和展望。 天津工业大学硕士学位论文 第二章开卷张力控制的确定与形成分析 2 1 引言 第二章开卷张力控制的确定与形成分析 张力是一个很重要的工艺生产指标，在很多的生产过程中，比如冶金、化纤、 印刷，张力控制都是主要的内容，张力控制的效果是改善产品品质、提高产品的 合格率的关键措施。 生产线要正常地运行，必须保证硅钢卷带建立恒定的张力。如果张力过小， 一是硅钢卷会在自身重量下松散，硅钢卷在散开的过程会产生相对的滑动，在硅 钢片表面留下划痕，产品的合格率大大降低；二是在高速运行的生产线上如果张 力过小很容易产生跑偏的现象。如果张力过大，硅钢卷就会在层间窜动，也会使 硅钢片产生划痕擦伤，张力过大时甚至使硅钢带断裂。而张力不稳时会使硅钢带 产生抖动，这样会影响产品的质量。因此，硅钢带的恒张力控制的主要任务就是 开卷段自动控制，它同时也是开卷段控制的核心内容。整条生产线的第一道工序 就是开卷，张力控制的好坏将直接关系到硅钢片质量的好坏，所以一定要求较高 的控制精度。 开卷机张力控制系统有其自身的特点。主要是动力模型变化大，随着开卷的 进行，硅钢卷的半径不断发生变化，使得系统惯量逐渐减小，开卷开始和结束， 通常会有几倍，甚至几十倍的变化。其次，强耦合性，张力控制系统控制的是硅 钢带的张力。张力是指材料在受到外力作用时的内应力，该内应力与硅钢带的弹 性系数相关，弹性系数在大多数情况下是一个可变量，在受到过大的拉力情况下， 超过材料的弹性极限，甚至会导致材料断裂。硅钢带的开卷要靠一定的牵引力， 并且他的速度需要满足生产的工艺要求维持在一个稳定的值内，而有时为了工艺 的需要，速度要产生变化，通常这种变化有时是突然的。在这样的情况下，速度 的变化必将造成张力的变化，反之张力变化也会对速度产生影响。因此速度和张 力是相互影响的，我们称之为耦合。第三，强干扰性，在一般的控制中，往往认 为速度是张力的干扰。如果把张力作为控制对象，那么最突出的就是速度对它的 干扰，表现最明显的就是突然的启动和停止，突然的加速和减速。另外来自机械 的，如开卷机卷筒不圆、转动时的摩擦力、板辊偏一t l , 等都会使起硅钢片产生抖动， 从而影响张力。 天津工业大学硕士学位论文 2 2 开卷机恒张力控制的原理 异步机的参数是一个强耦合、多变量、非线性的时变系统，难以通过外加信 号直接准确地控制电磁转矩。因此我们采用矢量控制，其原理的出发点是，以转 子磁通作为为参考坐标，用静止坐标系与旋转坐标系间的变换，把定子电流的励 磁电流与转矩电流变成标量独立开来，进行分别控制，其中转子磁通是旋转的空 间矢量。开卷机就是采用正这种交流调速矢量控制方式。这样直流电动机与异步 机就能产生相同的转矩，即磁场与其相垂直的电流厶口的积为转矩。我们就可以 用这一基本原理进行张力分析。 张力t 和电动机转矩的关系为 m ：r 旦 2 功 ( 2 - 1 ) 式中，是开卷电动机至卷筒的减速比，堤开卷机的张力，腥带钢的直径， 刀是传动装置的效率，艉电动机的转矩。 磁通及产生转矩与电动机转矩m 的电流分量厶秩系为 m = 西i m 式中，艉电动机的转矩，砌是电动机常数，d 为磁通。 由公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可以得出张力玛口、卿厶口的关系为 西 t = k 三i s q d 。 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 可见，当函值是恒定的，电流厶瘌转矩成正比。痧( 磁通) 的减小，即产 第二章开卷张力控制的确定与形成分析 生磁场的电流分量( 厶动的减小，在电动机内部是异步电动机的定子电流，电磁 感应作用在电气上使电流被分解为磁场电流和转矩电流，i m a x 定子最大电流保持 恒定，厶诚小，导致转矩产生的电流分量厶拥应地增大。卷径在生产中是逐渐 变化的，因此我们预设转矩参考值也是的变化，所以在恒定的预漫定点上转矩的 变化成为卷径变化的函数，实现t 为恒定值的控制，即电流厶口变化是卷径变化的 函数，即保持厶口9 = 常数：基于以上工作时，磁场电流与速度成反比例减少， 有进行恒功率控制的磁场给定器。卷机系统设计使得在基速以上时，电机电流变 化与开卷机电机磁场弱磁程度协调一致，据此计算转矩设定值，在限幅范围内， 转矩设定点和电机电流之间相对进行调整，使得痧d i i s q 叵定，即实现了张力t 恒定控制。 1 1 为确保在开卷过程中，硅钢带张力的恒定，生产中对张力开卷机的动态性能 控制要求很高。开卷机张力控制系统主要包括张力控制和张力设定这两个部分。 开卷张力的给定值需要设计者根据各种片材不同伸长率的工艺需要来设定：张力 控制实质上是电动机的转矩控制或者转速控制，在此运用转矩给定实现恒张力控 制，也即调节相应逆变器转矩电流的给定值实现恒张力控制。开卷机张力控制系 统不仅能够控制电动机的转矩随着卷筒上带钢直径瑚变化而变化，而且要对开 卷机加减速时的惯性转矩和摩擦损耗的转矩进行补偿。 2 3 开卷电动机轴上的转矩平衡分析 开卷机电动机轴上转矩平衡方程式为： 乃o ) = m 一必一恤 ( 2 - 4 ) ( 2 4 ) 式中：乃俐开卷电动机的输出转矩，方向与转速方向相反，为阻转矩； 膨带钢的张力力矩； 必惯性力矩； 天津工业大学硕士学位论文 膨摩擦力矩。 1 硅钢带的张力电流 ( 1 ) 开卷机张力的生产定值 开卷张力的生产定值可由以下的公式计算： t = 】c y o b h ( 2 - 5 ) 式中：o 。单位张力，开卷时一般可取( 2 9 4 , - - - 5 8 8 ) 1 0 6 n m 2 。还可按经验 公式计算：0 0 - 丘0 。，其中口，为带钢在开卷温度下的屈服极限，k = - o 0 3 - - - , 0 0 5 ： b 硅钢带宽度； h 硅钢带厚度。 在本生产中，o 产2 3 4 m p a ，根据工( 2 - 5 ) 艺参数，取k = o 0 3 9 ，则0 。= 9 3 8 1 0 6n m 2 ，鲰1 0 0 0 m m ，鲰0 4 9 m m 。根据公式，可以求得生产中张力的给定 值为4 7 0 0 n 。 ( 2 ) 硅钢带的实时卷径 不考虑生产中因其他原因造成的硅钢带打滑等类似特殊现象，卷筒的角 速度为： v2 v 国= 一= 一d 2d ( 2 - 6 ) 第二章开卷张力控制的确定与形成分析 式中：y 开卷机硅钢带线速度； 刀卷筒实时卷径。 开卷机卷筒每转一圈，卷径减少两倍的硅钢带厚度。当开卷时间为 时， 卷筒旋转过的角度为工o ) d t ，则有： d ：d 。一兰竺2 乃：d 。一丝 兰衍 d = d o 一一2 乃= o 一竺i 二衍 2 j r 刀山d 式中刃为硅钢卷最初的直径。 对芒两边进行求导，得卷径变化率为： d d2 h v 一：= 一一 a r t 7 r d 根据公式( 2 8 ) 可以得硅钢带的实时卷径： 。= 再 ( 3 ) 硅钢带的张力电流值 硅钢带的张力力矩与电动机转矩相等： ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 天津工业大学硕士学位论文 胁玎旦以巫互 2 i e2 i r 式中：t 开卷机与i # s 辊间硅钢带的张力； j 开卷机卷筒的减速度比； n 传动装置的效率，一般取0 8 8 9 左右。 ( 2 - 1 0 ) 交流电动机在基频以下为恒转矩调速，基频以上恒功率调速的特性，所以转 矩电流的控制要分两种情况考虑，分别为：基频以下和基频以上。 当电动机转速大于额定转速时，在弱磁工作段进行工作，电动机具有恒功率 的特性，电动机的额定转矩为胙励，。当电动机转速小于额定转速时，电动机 在非弱磁段进行工作，这时电动机额定转矩不随转速度而变化，应该等于电动机 上的铭牌值； 因此，计算完额定转矩，可利用( 2 - 1 1 ) 式求出张力电流百分值： i rm r l n地 2 摩擦补偿电流的值 胁= 坛砒+ 彪慨= c + k f 古 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 第二章开卷张力控制的确定与形成分析 式中肠是常数，堤线速度，肭摩擦力矩。 这部分力矩由两部分构成：滑动磨擦力矩和静磨擦力矩。m s t a r i c 在调试时， 根据机械特有的参数，随机找出一部分位置，实测他们的值，随后根据实测的变 化规律绘出曲线，在系统中根据曲线进行设置。而滑动磨擦力矩可按公式( 2 一1 2 ) 进行动态控制。 综上所述，在计算出电动机的额定转矩后，可以利用式( 2 1 3 ) 得出摩擦补 偿电流百分值： i fm r i 。m n 3 惯性补偿电流的值 ( 2 - 1 3 ) 在生产过程中，一方面硅钢带在加减速时开卷机电机会出现惯性力矩；另一 方面，随着卷径的不断减小，电机的转速和转动惯量也在不断变化，并且会出现 惯性力矩。所以要对惯性力矩进行补偿，否则硅钢带的张力将会发生较大波动， 影响产品质量。n 3 1 卷筒轴上的惯性力矩为： m：型：塑+缈坐i 。 d t d t d t ( 2 - 1 4 ) n 表示转速，彩睐表示转动惯量j 。d 和1 3 之间的关系如( 2 一1 5 ) 公式所示，j 和彩眨间的关系如公式( 2 - 1 6 ) 所示。 天津工业大学硕士学位论文 万刀 国= 一 3 0 i g d 2 d = 4 9 因此，公式( 2 - 1 4 ) 可以表示为： m ：壁塑+ 生d ( g d 2 ) 3 7 5d t 1 2 0 9 i d t ( 1 ) 飞轮惯量及其变化率 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 卷筒轴上的总飞轮惯量包括：一部分固定不变的及一部分可变的飞轮惯量。 固定不变的饼，等于卷筒、传动部分、开卷电机折算到卷简轴上的飞轮惯量； 可变的坨等于钢卷的飞轮惯量，表达式为： c d ? = l z p s o b g ( d 4 一硝) 式中：p 硅钢密度： s 。硅钢卷取的充填率，取s 。= 0 8 5 - , 0 9 ； b 硅钢宽度； ( 2 - 1 8 ) 第二章开卷张力控制的确定与形成分析 g 重力加速度； d 硅钢卷直径： d 。卷筒涨开直径。 由此可推算出卷筒轴上总的飞轮惯量为： g d 2 = 嘲+ i 1 矽岛坛( d 4 一d o ) 因此，变化率为： 一d ( g d 2 ) d t = 1 2 矽6 9 d 3 警一= 一l ，n n p | j 一 。 出 ( 2 ) 转速变化率 由公式( 2 - 6 ) 可得： 百d o ) = 三d 2 ( d 鲁一v 警) 再由公式( 2 - 1 5 ) ，可导出转速的变化率为： ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 天津工业大学硕士学位论文 面d n = 了3 0 i d o ) = 万6 0 i ( 。百d v d tv 争 一= = 一：= 一i ，一一v 一- m冗行d v td t ( 3 ) 卷筒轴上的惯性力矩 ( 2 - 2 2 ) 将公式( 2 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 2 ) 的结果代入公式( 2 - 1 7 ) ，得出卷筒上的惯 性力矩的表达式为： 蟛= 去罟嘲2 + l z p s o b g ( d 4 _ 0 4 ) 1 ( 。i d v + 面2 h v 2 ) 一丢p s o b 胁2 ( 2 - 2 3 ) 公式( 2 2 3 ) 表明：当硅钢带的品种、开卷工艺和规格确定以后，开卷速度v 和卷径d 是影响惯性力矩的唯一因素。开卷速度v 和它的变化率是根据生产制定 的，d 理论上可以通过公式( 2 - 9 ) 求出，我们可以得到通常情况下惯性力矩的变化 规律，即补偿曲线。n 射 在求出卷筒轴惯性力矩后，可根据( 2 - 2 4 ) 式求出电机轴上的惯性力矩： m m = 上 功 式中，j 为卷筒的减速比， 刀为传动的效率。 如上所述，通过下式导出补偿电流百分值，即惯性补偿电流的百分值： ( 2 - 2 4 ) 第二章开卷张力控制的确定与形成分析 i ；mi 二= j l n m n ( 4 ) 惯性力矩补偿曲线 ( 2 - 2 5 ) 我们通过惯性力矩补偿曲线分析来验证推导的表达式能否符合反应实际生 产中的规律。 我们设定开卷机恒张力控制系统的有关参数如下：减速l t , 1 = 1 3 ，印产7 9 9 6 8 n * m 2 ，硅钢带密度p = 7 7 1 1 0 3k g m 3 ，硅钢充填率5 乒0 9 ，传动装置的效率刀 = 0 9 ，卷筒涨开直径d 。= 6 1 0 m m ，硅钢卷的初始直径历为1 2 0 0 r a m ，硅钢带宽度诹 1 0 0 0 m m ，硅钢片厚度h k o 5 m m 。根据生产工艺，开卷段硅钢带的正常运行速度 v l = 1 6 6 7 m s ，速度由0 - v 1 的时间约为1 2 s ，由隆 0 的时间约为8 s 。由此可 以画出理想的开卷硅钢带速度曲线示意图，如图2 1 所示。 图2 - 1 理想开卷硅钢带速度示意图 根据公式( 2 - 9 ) 的卷径表达式和公式( 2 - 2 3 ) 惯性力矩表达式，在 a t l a b 的 s i m u l i n k 中搭建计算卷径d 和惯性力矩m j 的模块，得到惯性力矩补偿曲线，如图 2 - 2 所示。 天津工业大学硕士学位论文 图2 - 2 惯性力矩补偿曲线 由惯性力矩补偿曲线得知，开始的加速阶段，惯性力矩为正值，为阻力矩， 这时要将电机调整到减小电磁转矩的状态达到平衡的目的；当硅钢带由加速变化 成恒速时，惯性力矩也随着加速度的突变发生突变，由正值变为负值，此时的力 矩可以认为是驱动力矩，其绝对值与卷径的变化成正比，随着卷径的减小而减小； 当硅钢带由恒速转为减速时，惯性力矩再次向负方向突变，驱动力矩逐渐增加， 这时需要我们要将电机调整到增加电磁转矩的状态来达到平衡的目的。上面 分析的惯性力矩变化规律与公式( 2 4 ) 的规律一致，可以证明符合实际变化规 律。 最后，把前面所求的惯性补偿电流百分值、摩擦补偿电流百分值以及张力电 流百分值按照公式( 2 4 ) 的形式进行计算，乘以逆变器的规格化额定值3 8 0 0 h ， 得到的数值作为逆变器的转矩电流给定值，p l c 通过得到的数据来对硅钢生产线 的开卷机进行恒张力控制。 1 6 2 4 转矩电流百分值的动态仿真 为了看出转矩电流百分值变化的曲线，在仿真过程中设完成开卷的时间为 2 0 0 s ，在稳态状态下硅钢带速度是一个变量，以正常运行速度为中心上下波动， 第二章开卷张力控制的确定与形成分析 上述的开卷硅钢带速度曲线示意图改变成如下形式： ： 二。：。；鼍m 美一务如安 囊一奠p - 。一曩i 。 翟烘攀萄 一i l 璃。jr 吵 一_ _ 。 l ! p 7 一一一 ，、t 1 1 暑i 1 ，1 j ， j i i ，_ _ - j - - _ - _ - - 。 ；! i _ ri l ， ， i l 图2 3 开卷硅钢带速度示意图 计算摩擦力矩时我们将静摩擦力矩视为最大静摩擦力矩，此外还需要以下参 数：m s t a t i c = 1 9 5 n m ，k f = o 1 在s i m u l i n k 中搭建张力电流、惯性补偿电流以及摩擦补偿电流百分值的模 块，得到它们的曲线分别如图2 4 、图2 5 、图2 6 所示，转矩电流百分值的曲线 如图2 7 所示。： 图2 - 4 张力电流百分值 2 1 2 。5 1一，j。a j，j鼍 ， b 一 且。 天津工业大学硕士学位论文 图2 - 5 惯性补偿电流百分值 图2 6 摩擦补偿电流百分值 图2 7 转矩电流肖分值 第二章开卷张力控制的确定与形成分析 当硅钢带处于加速阶段时，应加快开卷速度以跟上硅钢带运行速度，所以要 减小开卷电机的输出转矩，即减小转矩电流百分值；当硅钢带稳态运行时，开卷 电机的输出转矩应随着卷径的不断减小而减小；硅钢带处于减速阶段时的情况与 加速阶段相反n 。图2 7 所示的转矩电流百分值的仿真曲线与上述实际情况一 致。 天津工业大学硕士学位论文 2 5 本章小结 夸过分析开卷机恒张力控制的特点，总结出开卷机恒张力控制的的核心是要控 制逆变器转矩电流，对转矩电流给定值产生影响的三个因素进行分析计算： 即一张力电流、惯性补偿电流和摩擦补偿电流，最后提出通过编程来实现开 卷机恒张力控制。 一 。7一 将直流调速传动系统改为交流变频调速传动系统，不仅性能可与原直调速传 动系统相媲美，而且使成本下降，维护方便。 第三章开卷机主轴设计分析 3 1 引言 第三章开卷机主轴分析设计 开卷机作为成卷轧制和带材精整机组生产中不可缺少的重要设备。开卷机主 要用于支承硅钢带卷，并配合其他机器一起把生产原料送入下一个设备。 因开卷的硅钢片尺寸不一，因此此开卷机应适应多种内径变化。我们假设其 参数为： 电机功率k w 转速r , r a i n 一1 料宽m m