（流体机械及工程专业论文）准工业化气动板形检测仪的开发研究.pdf

摘要 摘要 板形是板带的重要质量指标之一，该项指标对生产超薄板和箔材( 包括 铜、铝等有色软金属) 的质量尤为重要。因此超薄板和箔材的板形检测与控 制技术就成为掌握精密带材轧制成套设备核心的关键技术。而板形检测是 实现板形自动控制的前提之一，所以本课题展开对板形检测装置气动板 形仪的研究具有重要的实际意义。 本文以我校孙旭光教授为主的课题组研制成功的气动板形仪为基础， 设计了为提高检测辊精度的硬件装置并且利用可视化软件v b 6 0 开发了一 套配套的板形测试实验软件，包括板形检测辊的零负载压差显示、校正， 板形的在线测量、显示，板形的模式识别等方面的内容。 通过大量的实验研究了板形检测辊在静态加载和旋转过程中的位置一 压差曲线，得到了它沿辊环周向分布的规律。并提出了一个鉴相校正补偿 方法。大量实验证明此方法在补偿零负载压差的过程中是行之有效的，为 板形检测辊精确反映实际板形提供了保证。 众所周知，轧机不同的执行机构控制不同类型的板形缺陷，而由板形 仪测得的板形数据是一个综合板形缺陷，无法直接应用到板形控制系统中。 只有通过适当的方法进行模式分解，提取出控制系统各回路的控制量，才 能达到控制板形的目的。因此，实测板形的模式分解就成为本文研究的一 个关键环节。本文采用了模糊分类方法对实际检测的板形进行了分解，并 利用单纯形方法对分解的系数进行优化。模糊识别算法简单，很容易推广 到生产实践中，因此该方法是一种很有发展潜力板形模式识别法。 以我校现有的3 0 0 四辊轧机为实验装置，将此板形仪测试系统应用于 实际的轧机实验。通过实验积累了大量的实验数据证明了本测试系统的可 行性。对进一步对气动板形仪的研究推广到实际轧制生产中发挥作用将具 有重要的意义。 关键词板形；气动板形仪；动态鉴相校正补偿；模式识别；模糊识别 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es h a p ei so n eo ft h ei m p o r t a n tq u a l i t yi n d e xo ft h es t r i p ，w h i c hi sm o r e i m p o r t a n tt ot h eq u a l i t yi np r o d u c i n gs u p e rl a m e l l am e t a la n df o i lm a t e r i a l ( s u c ha st h ec o l o r e ds o f tm e t a l si n c l u d i n gc o p p e ra n da l u m i n u me t c ) s ot h e m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n go fs h a p ei n d i c a t e sak e yt e c h n o l o g yi nt h ec o m p l e t e s e to ft h ep r e c i s es t r i pr o l l i n g b u tt h es h a p em e a s u r i n gi st h ep r e c o n d i t i o nf o r a c t u a l i z i n gt h es h a p ea u t o m a t i o n s ot h et e x tt h a ts t u d yt h ep n e u m a t i cs h a p e m e t e rh a v ep r a c t i c a lm e a n i n g t h et e x tb a s e so nt h ep n e u m a t i cs h a p em e t e rd e v e l o p e db yt h ep r o f s u n x u g u a n g i td e s i g n sa ne q u i p m e n tf o ri m p r o v i n gt h ep r e c i s i o no ft h ep n e u m a t i c s h a p em e a s u r i n gr o l l e r i ta l s od e v e l o p sas e to fa ne x p e r i m e n ts o f t w a r ef o r m e a s u r i n gs h a p ei n c l u d i n gt h em a n i f e s t a t i o n ，c o r r e c t i o no ft h em e a s u r i n gr o l l e r o fz e r ol o a dp r e s s ，t h em e a s u r e ，s h o wo ft h es h a p eo n l i n e ，p a t t e r nr e c o g n i t i o no f t h es h a p ee t c w es t u d yt h ep o s i t i o n p r e s sc u r v eo ft h er o l l e ra ts t a t i cs t a t ew i t hl o a da n d d y n a m i cs t a t ec i r c u m r o t a t i o np r o c e s st h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t s t h e nf i n d t h ep r e s sd i s t r i b u t i o na l o n gt h ec i r c u m f e r e n c ed i r e c t i o n w ep u tf o r w a r da d y n a m i cr e f l e c t i n gp h a s er e v i s i o nm e t h o d m a n ye x p e r i m e n t st e s t i f y t h a tt h e m e t h o di se f f e c t i v ei nt h ep r e s sc o r r e c t i o np r o c e s s i to f f e r sg u a r a n t e et h a tt h e m e a s u r i n g r o l l e rc a l la c c u r a t e l yr e f l e c tt h er e a ls h a p e i tc o m e st ol i g h tt h a tt h em a c h i n eo ft h er o l l i n gm i l lc o n t r o lt h ed i f f e r e n tt y p e s h a p eo b j e c t i o n b u tt h ed a t af r o mt h es h a p em e t e ri sag e n e r a lo b j e c t i o n s oi t d o e s n td i r e c t l ya p p l yt ot h ec o n t r o ls y s t e m o n l yt h r o u g ha p p r o p r i a t em e t h o d t oc a r r yo nt h em o d ed e c o m p o s i t i o n ，p i c ku pt h ec o n t r o lv a r i a b l eo fe a c hl o o p o ft h ec o n t r o ls y s t e m ，w ec a no b t a i nt h ea i mt oc o n t r o lt h es h a p e h e n c e ，t h e p a t t e r nr e c o g n i t i o no ft h er e a ls h a p ei st h ek e yt a c h ei nt h i st e x t w ea d o p tt h e f u z z yr e c o g n i t i o nt od e c o m p o s et h es h a p e ，t h e no p t i m i z et h ed e c o m p o s e d c o e f f i c i e n t t h ef u z z yr e c o g n i t i o na r i t h m e t i ci ss i m p l e i ti se a s yt oe x t e n dt o t h ep r a c t i c e s of u z z yr e c o g n i t i o ni sa p o t e n t i a ls h a p er e c o g n i t i o nm e t h o d w i t ht h e3 0 0f o u r - r o l l e rr o l l i n gm i l lf o re x p e r i m e n t a le q u i p m e n t ，w ea p p l y t h es h a p em e m rs y s t e mt ot h ep r a c t i c a le x p e r i m e n t ，w ea c c u m u l a t eal o to f d a t a t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t t h e yt e s t i f yt h a tt h es h a p em e t e rs y s t e mi sf e a s i b l e ，i t h a sm a i nm e a n st ou l t e r i o r l ye x t e n dp n e u m a t i cs h a p em e t e ri n t ot h e p r a c t i c et o e x e r tf u n c t i o n k e y w o r d ss h a p e ；p n e u m a t i cs h a p em e t e r ；d y n a m i cp h a s ec o r r e c t i o nm e t h o d ； p a t t e r nr e c o g n i t i o n ；f u z z yr e c o g n i t i o n i 燕山大学硕士学位论文原创性说明 本人郑重声明：此处所提交的硕士论文准工业化气动板形检测仪的 开发研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字莉丰日期：，啕年妒弘日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 准工业化气动板形检测仪的开发研究系本人在燕山大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大 学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人 完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权 燕山大学，可以采用影印，缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不但密冈 不保密酬 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名彩睾 日期：五唧年明知日 导师签名：b 期：2 d 口，7 年雪月l o b 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 板形是板带一个重要的性能指标，目前板带材都向着宽而且薄的方向 发展，产品的宽度越大、厚度越薄板形缺陷就越突出【l 】。国外关于板形问 题的研究和对板形控制的应用始于六十年代，m d 斯通的弹性基础梁理论 和液压弯辊的实用研究，使板形问题取得了较大的突破，以后各国相继开 展这方面的研究工作，并取得了较大进展。目前，关于板形问题的理论研 究和实验研究成果己经大量地应用到生产实践中去，极大地促进了板带材 生产的质量 2 捌。 实现板形的自动检测和自动控制是提高板带钢板形质量水平的必由之 路。就板形检测方法而言，几乎所有能反映板形质量的物理量都被尝试用 于板形检测方法的研究。如：张力计法、测距法、电磁法、测振法、光学 法、测厚法、测温法等，其主要目标是寻求结构简单、投资少、制作周期 短、检测精度能满足生产要求的检测方法f 4 4 l 。 板形测控系统根据测量结果可以采用3 种方式实现对平直度的控制， 即轧辊弯皓、轧辊倾斜和轧辊喷射冷却。它们各自校正板形缺陷的一个方 面，但其控制信号都以带钢宽度方向各区段的张力分布作为依据。系统设 计保证各种控制方式之间无相互抵消作用，相反，其合成作用可得到更好 的板形。因此，通过适当的方法对板形缺陷进行模式分解，提取出控制系 统各回路的控制量，才能达到控制板形的目的n ”】。 1 2 板形检测装置的发展现状 在板形的测控系统过程中，系统根据由板形检测装置提供的在线板形 信息进行数据处理，发出指令控制改善板形的轧机的执行机构工作。因此， 板形检测装置足实现板形测控系统的重要前提之一h ”。 由于板形本身受到许多因素的影响，板形缺陷又有各种复杂的表现形 式，这就给板形精确检测带来了困难。特别在实行张力轧制时，由于张力 燕山大学工学硕上学位论文 的作用，通常会将某些板形缺陷掩盖起来，揭露这些潜在的板形缺陷是比 较棘手的问题i l2 1 。尽管如此，由于实际生产的迫切需要和板形改善所带来 的巨大经济效益，各国都开展了板形检测装置的研制。目前已经研制出多 种形式的板形检测装置，多数已经用于生产实践中，并取得良好的效益。 板形检测装置结构形式繁多，工作原理也各不相同，但按板带和板形 检测装置的关系划分，大致可分为接触式和非接触式两大类，如图1 - 1 所 示【1 3 1 。 板彤榆测装置 接触式 b f i 辊 分度式a s e a 辊 多辊式榆测辊 d a v y ( 气功检测辊) 非接触式 磁性吸引式 弹性吸引式 光学式 水柱阻抗法 图i 一1 板形检测装置分类 f i g 1 - 1 t h ec l a s s i f i c a t i o no fs h a p em e a s u r i n ge q u i p m e n t s 下面简单介绍一下目前比较常用的几种板形检测装置的基本原理 1 1 4 - 1 7 1 。 ( 1 ) b f i 检测辊b f i 辊是由德国钢铁工艺研究所( b f i ) 研制的一种张力 分段板形检测装置，它利用的是压电效应原理。某些电介质如( 石英) ，当 沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的 表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现 象，称之为“压电效应”。由这种电介质制成的力传感器就是压电式传感器。 b f i 辊的板形检测，就是通过测量每段上的压电式传感器的输出电荷 量玎来获得作用在每段检测辊上的负载力，进而得到板带材的张力，以达 到检测板形的目的i ”1 。 它的优点在于便于装拆和维护检修：输出较大、通道少、用滑环少、 测量精度高，但足它的信号处理比较麻烦。 2 第1 章绪论 ( 2 ) 分段式a s e a 检测辊这种板形检测装置首先由加拿大铝公司 ( a l c a n ) 和瑞典电气公司( a s e a ) 联合研制出来，是最早出现的板形检测装 置之一。它利用的压磁传感器的作用原理是基于铁磁材料的压磁效应的， 即在机械力p ( 盯) ( 拉、压、扭) 的作用下，铁磁材料的导磁率发生变化， 进而引起铁磁材料的磁阻足。的变化，而磁阻的变化又引起铁磁材料线圈的 阻抗z 或者电动势e 的变化，即：p ( 仃) 一一r 。一z ( e ) 。因此，通过测 量压磁传感器的输出电压，再通过相应测量线路就可以测得作用在检测辊 上的负载力“。 它的优点是输出信号大、过载能力强、寿命长、抗干扰性能好、结构 简单及测量精度高。不足之处就是使用的滑环多。 ( 3 ) 多段式检测辊这种板形检测装置是在1 9 8 0 年由我校的前身( 东北 重型机械学院) 研制成功，并于1 9 8 2 年通过机械部鉴定。成功用于我校3 0 0 四辊实验冷轧机上，并形成闭环控制系统1 2 州。该辊由支撑辊l 、承载件2 、 压辊3 、变形梁4 、传感器5 和底座6 组成，它的结构示意图如图l 一2 所示。 l 图1 - 2 多段式张力检测装置示意图 f i g 1 - 2 t h es k e t c hm a po ft e n s i l es t r e s sd e v i c e 其主要优点是它把旋转的电信号从测力辊中分离出来，变成固定在底 座上的传感器的信号：而旋转辊变成单纯的承载件，所以信号也由断续的 变成为连续的信号。使辊体本身没有滑环，消除了滑环噪音，并使信号处 理过程大大简化。当然，多辊环间的干涉及调整尚稍显复杂，有待进一步 完善。 3 燕山大学工学硕上学位论文 ( 4 ) 涡流测距仪应用涡流来检测板材平直度是因为板带材的自然振 动和平直度有对应的关系，所以用涡流测距仪来测定振幅j 。这就足掸性 振动式平直度检测器的原理依据。电涡流式传感器的原理图如图1 3 所示。 图l 一3电涡流式传感器原理图 f i g 。1 - 3w o r k i n gp r i n c i p l eo fv o r t e xs e n s eo r g a n 将一块金属板p 放在一支扁平线圈w 附近，由高频振荡器供给线圈高 频交流电流，线圈便形成一个交变磁场；于是，导体极板p 上生成同轴涡 流。它也形成一个磁场m 。，涡流交变磁场中，与线圈磁场m 。方向相反，中。 总是抵抗m ，的存在。两个磁场叠加后使线圈原来的电感量l 下降，使线圈 中电流的大小和相位都发生变化，变化的程度与可变距离d 有关。 当被测导体材料与激磁频率一定时，阻抗值z = t a l 将是距离d 的单值 函数 z = ，( d ) 因此通过适当的测量电路，可以把z 的变化转化为电压的变化，从而 达到把位移转换为电量的目的。用它测量振幅范围从几十微米到几毫米； 频率特性从零至几十赫兹以内比较平坦。通过测定振幅可以间接地测量平 直度。涡流测距仪的优点是测定范围宽。 ( 5 ) 光学式板形检测装置这是一种非接触式板形检测装置，一般应用 与热轧带钢，它的检测对象是带钢的波形。基本原理如图1 - 4 ，在带钢一 侧竖立一荧光灯，它发出的光经带钢反射后由带钢另一侧的摄像机摄取。 当带钢的板形缺陷不同时，在摄像机中会形成不同的象。图1 - 4 ( a ) 的带钢 d 第1 章绪论 平直，则带钢反射后所形成的虚象为一水平线；若如图1 - 4 ( b ) ，j g 样产生中 波，则形成的象在对应中波的位置上发生凸起或凹入；带钢产生边波的情 况如图1 - 4 ( c ) ，这时带钢的象在两端发生向上或向下的弯曲。带钢波形越 高，则成象偏离正常位置越大，虚象的位移量和带钢翘曲度成正斟2 ”。 由于该板形检测装置是检测波形的，所以它适用于低张应力轧制过程。 当张应力较大时，板形缺陷常常被掩盖起来，这时用光学式板形检测装置 难以检测出板形缺陷。因此，这种装置不适用于大张力轧制过程。 骖骖骖 狂丑衄! 母 abcabca bc ( a )( b ) ( c ) 图1 4 光学式板形榆测装置的原理 f i g 1 - 4w o r k i n gp r i n c i p l eo f o p t i c ss h a p ed e v i c e 上述介绍的接触式板形检测辊，板带材与力敏感元件之间要有转动装 置过渡，不但结构复杂，机械磨损严重，精度也不尽人意。又因辊环的惯 量大，必须在张力较大的情况下进行工作，因此进行超薄板和箔材( 铜、铝 等有色软金属) 的板形检测时，容易划伤带材的表面，造成带材质量下将。 而非接触式板形检测装置由于只能进行“表观的”板形检测，影响了它的 使用范围，使这类板形检测装置的应用具有一定的局限性。因此研制一种 适用于超薄板和箔材的高可靠性、高精度板形检测装置引起了人们的关注。 而气动板形检测辊因为辊环和固定轴之间无摩擦，辊环转动惯量小，所以 板带对辊环的包角可以很小，在较小的张力作用下即可工作，不会擦伤薄 板和箔材的表面，因此它弥补了上述检测装置的不足而适合超薄板和箔材 的板形检测。 5 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 气动板形检测辊的发展概况及其特点 1 3 1 气动板形检测辊的发展概况 近些年来，一些发达国家开始着手于研究气膜支承原理在板形检测领 域里的应用。英国洛威一罗伯逊工程公司最早研制出了称为维地蒙 ( d i m o n ) 的气动板形检测装置1 2 3 2 4 1 。检测辊的中心是一根固定轴，外面是 一排辊环( 共2 1 个) ，在轴承和辊环之间通以压缩空气，辊环可自由地在轴 上转动，此即所谓空气轴承。在固定轴内装有压力检测元件，当板带对每 段辊环的压力改变时，每段辊环内气膜压力也变化，这种压力变化由检测 元件测出，经过处理，可以给出张应力沿板宽方向的分布。 日本在8 0 年代初，由j i l 崎制铁设计了结构类似维地蒙( v i d i m o n ) 的板 形检测装置1 2 5 ，但其气体压力的测定方法不同。它采用在每段辊环的最高 点和最低点两个位置上有两个传送气体的通道，当板带作用在辊环上时， 固定轴端头的压力传感器检测上下两个通道的压力，将压力差以电讯号的 形式输出，经过电子回路处理，在显示装置将板带张应力分布显示出来。 其每个辊环承载能力为6 0 0n ，压差灵敏度为0 2 4k p a n 。 开展薄板和箔材的板形检测装置的开发研究，国内始于不久，我校是 这方面研究方向的提出单位，目前研究水平居于全国领先，现在仍然保持 着发展的势头。我校以孙旭光教授为主的这方面课题组，在原机械工业部 公关课题“气动板形检测辊的研制”的资助下，在国内率先研制成功了具 有专利产权的气动板形检测辊，并对该辊进行了比较全面的静态实验，获 得了大量的实验数据，发表了一些相关文章【2 ”，为气动检测辊的加工工 艺和设计方法积累了一定的经验，填补了国内在箔材板形检测技术上的空 白。因此该检测辊的研制成功对国内进一步开发和研制箔材气动板形检测 仪，及至开发研制精密箔材板形控制系统和开展精密箔材轧机的研究都具 有重要的基础意义。 1 3 2 气动检测辊的特点 气动检测辊同现有的板形检测装置比较具有自身的特点，主要表现为： 6 第1 章绪论 ( 1 ) 它继承了气动测量设备的特点，具有检测精度高的优点。结构设计 方面由于每个辊环上都采用了检测其上顶点和下顶点气体压差的方法，能 够在较小的张力作用下产生压差反应，因此方法上具有比单个气动检测设 备反应灵敏。 ( 2 ) 辊环与芯轴间为压缩空气，辊环基本上可自由无摩擦的绕芯轴转 动，辊环惯量小，它克服了其他形式的分割检测辊的辊环与不动件间具有 较大摩擦力，易于造成薄板带材表面擦伤的缺点，因此适合于超薄板和铜、 铝等有色软金属箔材的板形检测。 ( 3 ) 它是一种接触分割辊式板形张应力检测装置，因此可以直接测量到 “表观的”和“潜在的”板形。 从上述的特点可以看出，气动检测辊适合箔材生产过程中，在较小的 接触张应力下进行板形接触在线检测，这是其它类型的板形检测设备所不 具有的优点。但同其它板形检测设备比较，气动检测辊也有如下缺点： ( 1 ) 设备的加工精度要求高，一般要求达到量具级的加工精度。由于该 检测设备与寻常的量具相比其尺寸要大的多，因此其实际加工与检验都具 有较大的难度。 ( 2 ) 由丁二气膜的工作问隙很小，为了避免节流孔的堵塞和腐蚀等故障， 对使用的气源和工作环境的清洁度和干燥度要求高，一些附属设备及设备 的维护和调定具有较高的要求。 1 4 板形模式识别方法及特点 板形是指带材沿横向不均匀延伸的程度，而这种不均匀延伸与其所产 生的内部应力有关，因此可以通过检测带材内部应力来在线表示板形。在 实际板形测控系统中。带材的板形信息可以通过板形仪在线测量获得，通 常，轧机不同的执行机构控制不同类型的板形缺陷，而板形检测装置测得 板形数据是一个综合板形缺陷，无法直接应用到板形测控系统中。只有通 过适当的方法进行模式识别，提取出控制系统各回路的控制量，才能达到 控制板形的目的。因此，在板形闭环控制系统模型中，板形缺陷模式识别 和控制策略优化是关键环节。为制定合理的控制策略，通过对板形信号处 7 燕山大学工学硕士学位论文 理就是对实测的一组板形应力信号：4 ( f _ 1 , 2 ，m ) 进行分析，判别板带 存在的板形缺陷类型，为各种板形控制策略提供依据。一般的板形缺陷模 式较复杂，数学描述作为控制参数不能直接使用。为此，根据被控轧机的 技术，工艺实况及控制要求，定义种简单的板形缺陷模式作为基本模式， 则识别的结果就是此组离散板形应力信号：毋所反映的板形缺陷，能正确 反映原应力分布所决定的板形状况，可直接输给控制环节，满足控制要求。 板形模式识别的主要任务就是把在线检测到的( 或理论计算得到的) 一 组张力分布离散值，经过一定的数学方法，映射为较少的几个特征参数， 并具有如下性质： ( 1 ) 尽可能少的状态变量，数学表达简练； ( 2 ) 不丢失必要的信息。特征参数能够完全反映原应力分布值所决定的 带钢板形质量状态； ( 3 ) 特征参数便于计算机处理，满足控制上的要求。 传统的板形信号处理方法是最小二乘法，文献 3 2 1 对该法进行了详细 讨论，指出该法理论上存在无法确定逼近聘阶的大小和逼近精度有限两个 难题，主要原因是该法存在原理上的近似性，把板形识别带上了寻找最佳 逼近多项式的“歧途”而忽略了板形识别的根本任务足判别板形模式、压 缩特征数量为在线控制服务。因此使用多项式线性最小二乘拟合法识别板 形在目的上存在着缺陷。对于精度要求高、控制机理复杂的新一代轧机是 难于合乎要求的，因此有必要寻求新的方法。目前在板形识别中使用较多 的有两种新方法：模糊分类原理模式识别法和人工神经网络原理板形识别 法3 2 。蜘。这两种方法都克服了传统多项式线性最小二乘拟合原理板形识别 方法的不足，而且各具特点。两种新方法完成一次识别所需时间都很短； 在预先以工艺原则选择基本模式时能考虑轧机的各种板形调控能力。人工 神经网络原理板形识别法对实测信号具有一定的容错能力，而且由此导致 的对主要模式成分的夸大和对次要模式成分的缩小，相当于一种智能调节 器作用。与之相比较，模糊分类原理板形模式识别法的识别能力和精度不 及前者，但它的模型简单实用，快速有效，能给出稳定的定量识别结果。 日本学者成功地进行了用人工神经网络( b p 网络) 进行板形模式识别的研 8 第1 章绪论 究，取得了一定成果。但对于宽带冷轧机，需要多个有不同拓扑结构的神 经网络才能完成板宽变化时的识别任务，这加大了网络学习的工作量；同 时神经网络本身存在收敛速度慢、局部极小等结构性能不佳的问题。针对 板宽变化时需要不同拓扑结构的神经网络才能完成识别任务，网络学习工 作量大、同时神经网络本身存在收敛速度慢、局部极小等结构性能不佳的 问题，建立板形模式识别g a b p 网络模型，该方法是将待识别信号与标准 样本之间的欧氏距离作为神经网络的输入，网络的结构和权值的优化方法 是自适应遗传算法和b p 算法结合，建立一个优化神经网络，使网络性能 在训练中始终保持最优，始终达到最佳结构，有效解决了板宽变化时神经 网络结构形式不变的问题，从而实现了板形信号模式识别的智能化，为板 形控制策略的制定提供依据。 1 5 本课题的主要研究内容与实际意义 1 5 1 本课题的主要研究内容 本课题的主要研究内容为： ( 1 ) 在我校成功研究的七段气动板形检测辊基础上，通过大量实验找出 了辊环在动态下测量误差沿圆周方向的分布规律和特点，进一步提出了一 种提高气动板形检测辊测试精度的动态鉴相校正方法。经实验验证，按照 本文所提出的方法，检测辊经过校正后，压差测量值与辊环设计平均工作 压差6 0k p a 相比为2 o ，实现了辊环测量精度为2 级。 ( 2 ) 由于板形检测环境恶劣，影响检测信息的因素很多，因此板形信息 处理技术、板形的模式识别至关重要。本文在传统基于拟合原理板形模式 识别的基础上，详细分析了一种模糊优化的模式识别方法。通过实际带材 板形数据模糊识别结果，基本上可以反映出来它的板形。 ( 3 ) 以本校3 0 0 四辊轧机为基础进行了板形在线检测实验，证实了该板 形仪测试系统的有效性，为检测系统的实际应用打下了良好的基础。 1 5 2 本课题研究的实际意义 近年来，国内一些厂家开始了超薄板和箔材的生产，并取得了较好的 社会经济效益。所使用的轧制设备都是由国外成套引进的，如中信公司秦 q 燕山大学t 学硕上学位论文 皇岛渤海铝业有限公司和东北轻合金有限责任公司的精密铝箔轧制生产 线。吸收和消化这些先进的轧制设备是快速提高我国自主开发精密板带轧 制设备的一条重要捷径。而在精密板带生产中，承担着板形检测任务的气 动板形检测仪是板形检测的首选设备，是全套精密板带轧机最关键的核心 技术设备之一。 目前我国气动板形检测仪完全依赖进口，国内目前所使用的几十套精 密板带轧机，设备中均包括价格昂贵的气动板形检测仪。一套气动板形检 测仪( 包括硬件和软件) 价格约为4 0 0 5 0 0 万元人民币，并且国内每年用于 维护这些气动板形仪购置进口的配件就花费大量资金。因此尽快掌握超薄 板和箔材板形检测和控制技术，研制气动板形检测设备及其板形控制系统 替代进口设备，促进国内精密轧制技术的发展都具有重要意义。本课题研 究的气动板形检测仪就是在这样的背景下确定的，具有重要的工程实际意 义。 l o 第2 章板形及板形检测相关概念 第2 章板形及板形检测相关概念 2 1 板形 取一定长度的带钢自然地放到一个平面上，常常可以观察到带钢的翘 曲现象。翘曲有各种形式，大多数为波浪形，薄带钢常产生皱纹或局部凹 凸。翘曲有时可以遍布整个带宽，有时只限于局部。这种翘曲和带钢的变 形不均及内应力分布不均密切相关。 轧制过程实质上是金属在轧辊的作用下发生塑性变形的过程，一定断 面形状的坯料经过轧制发生明显的纵向延伸和一定的横向流动，最终成为 一定尺寸的成品。板带轧制对轧制变形过程有一个主要的要求，既沿板带 宽度各部分有均一的纵向延伸。假设将板带分割成若干纵向板条，如图2 1 所示，如果当轧辊沿横向的压下量分布不均时，各窄条就会相应地发生纵 向延伸不均，这样相邻的带材之间产生伸长差，由于板带实际上是一个 整体，必然会同时影响到相邻窄条的变形，这样各个窄条之间必定互相牵 制，互相影响。延伸大的部位牵拉延伸小的部位，使其产生拉应力，反之 延伸小的部位阻止延伸大的部位伸长，使延伸大的部位产生压应力，当压 应力达到某个值时，板带失稳发生应变，便产生了板形缺陷。 图2 - 1 板带延伸示意图 f i g 2 - i t h es k e t c hm a po fs t r i pe x l c n d 为了说明这种金属纵向变形不均的程度，引入了板形的概念。所谓板 形，直观上讲，指横向各部位是否产生波浪和瓢曲，它决定于延伸率沿宽 度方向是否相等；就其实质而言是指带材内部残余应力的分布。 根据带材中残余内应力的大小，可以把板形不良分为“表观的”板形 1 1 燕山大学丁学硕上学位论文 不良和“潜在的”板形不良。如果该内应力足够大，以至于引起板带翘曲， 则称为“表观的”板形不良；如果这个内应力存在，但不至于引起板带翘 曲，则称为“潜在的”板形不良。“表观的”板形不良和“潜在的”板形不 良与板带的环境条件有关，在一定条件下两者可以相互转化。如带钢在张 力作用下冷轧有时并未发生翘曲，去除张力后，发生明显的翘曲，就体现 了“潜在的”板形不良转化为“表观的”板形不良。 板带沿横向的延伸率不同，则横向产生的残余内应力也不同，产生的 板形缺陷也就不相同。如果一边的延伸率大于另一边的延伸率，则产生向 延伸率小的一边的侧弯，如图2 - 2 ( a ) 所示。如果中部的延伸率大于两边， 如图2 - 2 ( b ) 所示，则产生中间波浪和瓢曲。相反如果两边的延伸率大于中 部的延伸率，则产生对称的双边浪，如图2 - 2 ( c ) 所示。此外还可能产生如 图2 - 2 ( d ) 所示的四分之一波浪、中边复合浪等板形缺陷。不同的板形缺陷 要采用不同的控制系统校正，如侧弯采用倾辊系统校正，对称的边浪和中 间浪可以通过调节辊形来控制，而单边浪必须通过调整左右压下装置才能 消除。 )( )( )( )( 6 , 蝉址，+虬l 址，讲 陆味1 血睑畸么i 皿吣 伊，弋尹a k 了 ( a )( b )( c )( d ) 图2 - 2 板形缺陷的类别 f i g 2 - 2 t h et y p e so fs h a p ed e f e c t 1 2 第2 章板形及板形检测相关概念 2 2 带钢翘曲的力学条件 由弹性力学的研究结果，带材发生翘曲的力学条件可示为： 。c ，= k c r h t 。o z - c e p 7 3 l h i ) ( 2 - 1 ) o c r 2 k c r 。jl 仃盯。 ( 2 - 2 ) 式中 以，一带材发生翘曲的l 临界应力 仃一带材内应力 b 一带材宽度 h 一带材厚度 e 。，。一带材材料的杨氏模量和泊松比 t ，板材翘曲l 临界应力系数 上式反应了带材的宽厚比b 和带材发生翘曲的l | 台i 界应力系数k 等 因素对发生带材翘曲的临界应力疋，的影响。带材发生翘曲的i 临界应力系数 。，取决丁二应力分布特征及板边支撑条件。 一些研究结果弱1 指出，对于冷轧带钢，在产生边波时，z 1 2 6 ，而中 波时则k 。= 1 7 0 。对于热轧宽带钢( 1 7 0 0 轧机，带钢宽1 0 0 0r a m ) 在产生边 波时k 。z1 4 ，而中波时则七。= 2 0 。根据应力分布特征及板边支撑条件确定 了k 及仃。后，即可用上式定性的分析带材的翘曲情况。 2 3 板形的相对长度差表示方法 为了衡量板形的好坏，实现板形的在线自动控制，就要对板形进行定 量描述。人们依据不同的研究角度及不同的板形控制思想采取了不同的表 示方式。其中取板带横向上不同点的相对长度差工，工来表示板形的这种 方法直观、简单，因此许多国家和工作者都采用相对长度差这种方法来表 示板形1 3 7 1 。 图2 - 3 为轧后翘曲板带的板形外形，将板带切取一段放在平台上，沿 板带的宽度方向将带材分成若干纵条，最短的板条视为直线，最长的波浪 板条视为条正弦波，可得正弦波的方程为 1 3 燕山大学工学硕上学位论文 灭：久，4 吣吣 、 i 、 一 工i f i g 2 - 3 t h es i n ew a v et y p eo fs h a p ec u r v e 日2s i n ( 爿 口s ， l ， 式中 ，一正弦波振i 隅的两倍 三一波长 对方程进行曲线积分得： 工+ 址= r 瓜等) 2 出= 书凡翁c o s 20 d 0 = l 睢) 2 c z 4 ， 因此，曲线部分和直线部分的相对长度差为 等= ( 甜 陪s ， 式( 2 3 ) 表示了扳带最长和最短纵条相对长度差之间的关系。 加拿大铝公司也是取横向上最长和最短纵条之间的相对长度差作为板 形单位，称为i 单位，一个i 单位相当于长度差为1 0 4 ，本课题中的板形也 以i 作为单位。所以式( 2 3 ) 板形可以表示为 。圳5 ( 等) 岱6 ， 2 4 保持板形良好的条件 以往认为延伸率沿窬度处处相同板形就是良好的，即 1 4 第2 章板形及板形榆测相关概念 锱“= c o n s t ( 2 - ，) 由此可得 坐：丝 ( 2 - 8 ) 式中峨一来料中部厚度与边部厚度之差 玩一轧后中部厚度与边部厚度之差 h 一来料平均厚度 h 一轧后平均厚度 上述条件简洁但比较粗略，其除了没有考虑来料板形的影响以外，主 要是没有考虑金属在变形区内横向流动。轧制时金属在横向各个部位的宽 度变形量是很不均匀的，它直接影响延伸率的变化。例如对等厚的来料轧 制时，实际测定表明，边部的波浪并没有按不考虑宽展预计的那么大，因 为边部有一部分金属向外流动。因此，必须考虑横向流动才能正确进行板 形分析。 在来料和轧后的断面上，分别取出缈宽度进行分析，由体积不变定律 有 月( y ) l ( v ) a y 砒) p ) 1 + 掣p ( 2 9 ) 式中 u t y ) 一变形区出1 2 1 金属的横向位移量 ) 一来料厚度 办d ) 一对应的轧后厚度 上p ) 一轧前长度 ，) 一轧后对应长度 上式两边取增量可得 皿) + 三d ) 日) = 陆( y ) ，( j ，) + ，( y m ) 1 1 + “( y ) 】+ h ( y ) l ( y ) a u ( y ) ( 2 1 0 ) 由上式整理可得： 1 5 蔓些奎兰二兰堡兰兰篁堕奎 筹=岩+铹一铹一丽au(y)1(yl ( yh ( y ( 2 - 1 1 ) ) h )1 + z ，d ) ” 一般只计算中部与边部之差，故，) 、三) 、日( y ) 和 ) 用平均值近 似代替，而“0 ) 沿板宽的平均值很小，可得 笪l = 等+ 坐h 一坐h 刊+ “2 ( 2 1 2 ) l 。 保持板材平直度的条件是垒掣：o 或掣：o 故得： 盟h = 等+ 坐h 加) 十“2 ( 2 1 3 ) 三 一 lj 或者 a h ：丝+ 坐也) ( 2 - 1 4 ) hlh 。7 上面条件既考虑了来料的板形，又考虑了金属的横向流动，从原理上 更加合理与精确。板形控制主要足控制出口的横向厚差凡，使它满足平 直度条件。板形平直度和横向厚差虽然足两个不同的概念，但相互是有联 系的。由给出的公式可以看出：一方面，板形良好，横向厚差a h b 不一定 很小，它决定于来料横向厚差。的大小，但另一方面，只要保持板形良 好，横向厚差总比来料的月。小( 因为h h ) 。因此，只要对来料横向厚差 提出一定的要求，按板形控制就可以缩小横向厚差，保证两方面都合乎要 求。 2 5 影响板形的因素 金属在轧辊作用下经过一系列变形过程* l 靠j j 成需要的板带材。其最终 产品的板形受许多因素的影响。这些因素可以分为金属本身和轧制条件两 个方面。 金属本身的物理性能直接影响轧制力的大小，与板形有密切关系。来 料金属的几何特性，特别足板材的厚宽比、原料板的凸度等是影响板形的 重要因素。 1 6 第2 章板形及板形检测相关概念 轧制条件对板形的影响更为复杂。应该说，凡是能影响轧制压力和轧 辊凸度的因素( 如摩擦条件、轧辊直径、张力、轧制速度、轧辊力、弯辊力、 磨损等等) 和能改变轧辊间接触压力分布的因素( 如轧辊形、初始轧辊凸度 等) 都可以改变板形。 2 5 1 轧制力与轧辊凸度的影响 世 日 群 霹 图2 - 4 轧制规程图 f i g 2 - 4r o l l i n gr u l e s 图2 4 为热凸度一轧制力关系曲线，f 为完好板形线。根据力学条件， 当轧制力取t 和f 曲线的交点所对应的轧制力只、只时，可以得到良好的 板形。而在a 、c 区域时，实际的工作凸度大于产生良好板形所需的凸度， 产生中波；在b 区域时，情况相反，产生边波。 2 5 2 轧制力变化对板形的影响 p a - j - - 发生中波发生边波 图2 5 轧制偶然波动对板形的影响 f i g 2 - 5r o l l i n ga c c i d e n t a lf l u c t u a t ew o r k s o nt h es h a p e 1 7 燕山大学t 学硕士学位论文 由图2 5 可知，当轧制力为只可获得良好板形。当g l n 力低于只时， 实际的凸度大于完好板形所要求的凸度，发生中波；轧制力高于只时，情 况相反，发生边波。上述是在轧制力偶然发生波动的情况，若发生稳定性 的变化情况就更复杂了。 2 5 3 来料板凸度对板形的影响 当来料的凸度变化时，会使良好板形线上升或者下降，而热凸度可以 看作基本不变，这样就造成最佳状态点的变化，因而也会发生板形不良。 2 5 4 热凸度变化对板形的影响 实际的热凸度由于停机再开动、机架工作辊损坏d f l 辊磨损、轧辊弹性 压扃、轧辊热膨胀、轧辊的弹性弯曲、轧制规程改变) 等实际因素而产生， 因此造成热凸度曲线由一个稳态值过渡到另一个稳态值，也会造成板形缺 陷。 2 5 5 张力对板形的影响 张力的变化对热凸度会发生影响，特别是后张力影响更大；张力的变 化对轧制力也有很大影响，根据轧制理论，由于张力变化特别是后张力变 化，对轧制压力有很大的影响，而轧制压力的变化必然导致轧辊弹性变形 发生变化，所以必然对板形产生影响；张力分布对金属横向流动会发生影 响，当张力沿横向分布不均时，会使金属发生明显的横向流动，即使对于 板材轧制这种宏观近与平面变形的情况也是如此，在一定的横向变形下， 横向流动的结果必然改变沿横向的延伸分布，因而必然改变带钢的板形。 2 5 6 轧辊的接触状态对板形的影响 工作辊和支撑辊的接触状态对板形的影响足近年来人们注意探索的一 个问题。对于逐个问题的研究，人们找到了一些新的改善板形的方法，例 如采用双锥度支撑辊、双阶梯支撑辊、h c 轧机、大凸度支撑辊等。他们 可以从根本上改变轧机的板形控制特性。 2 6 板形检测原理 在板形控制的过程中，必须对板形状态进行可靠的检测。目前在冷带 1 8 第2 章板形及板形榆测相关概念 材的轧制过程中对板形的检测主要是采用接触式板形仪。板形的检测是板 形控制的重要前