棒材轧机力能参数采集及数学模型研究.pdf

武汉科技大学 硕士 学 位 论文 第 I页 摘要 轧制压力和轧制力矩是轧制过程中重要的工艺参数 在制定压下规程 工序负荷分析 设备强度校核等方面都具有重要作用 在棒材生产过程中 由于轧件在孔型中的变形过程 属于三维不均匀变形 其变形规律较难掌握 轧制压力模型的理论研究比 较薄弱 实际工 作中对于轧制压力的预报往往以传统经验公式为主 预报精度不高 误差较大 本文重点研究了各种类型棒材轧机力能测量传感器的设计与优化方法 结合韶钢中板 和水钢棒材的实际生产情况 编写了实时数据采集系统软件 在测量数据统计分析的基础 上 应用Ma t l a b 分析工具 建立了 理论一统计型的数学模型 把现场实际情况和弹性元件的设计原则结合起来 设计了一套适合现场操作而且线性 度高 重复性好的传感器 实时数据采集系统软件与生产实际紧密结合 并应用于实际生产 该软件采用V i s u a l B a s i c 6 0 进行编程 可实现力能数据的储存 显示 分类 组合查询 对比分析及建模计 算等功能 对采集到的现场数据进行整理 并通过选用多种数学模型进行非线性回归 将回归的 理论一统计型数学模型所计算的结果与现场实际情况进行比较 选择与现场实际情况最接 近的 模型 因此 所选择的模型具有较高的实用价值 关键词 棒材 轧制压力 轧制力矩 数学模型 第 I l页武汉科技大学 硕 士学 位论 文 Ab s t r a c t R o l l i n g p r e s s u r e a n d r o l l i n g t o r q u e a re i m p o r t a n t t e c h n i c a l p a r a m e t e r s i n r o l l i n g c o u r s e T h e y p l a y a n i m p o rt a n t r o l e i n e s t a b l i s h i n g d e p r e s s i o n re g u l a ti o n a n a l y s i s o f l o a d i n w o r k i n g p r o c e d u r e c h e c k a g e o f e q u i p m e n t s i n t e n s ity a n d s o o n B e c a u s e d e f o r m a t i o n o f r o l l i n g p i e c e i n r o l l g r o o v e i s u n e v e n t h r e e d i m e n s i o n a l d e f o r m a t i o n m as t e r y i s d i ff i c u l t a n d t h e t h e o r i c a l r e s e a r c h o n r o l l i n g p r e s s u re m o d e l l a c k s P r e d i c t i o n m o d e l s o f r o l l i n g p r e s s u r e a r e m o s t l y e x p e r i e n ti a l i n p r a c ti c e t h e s e m o d e l s h a v e l o w p re c o s i o n a n d r e l a ti v e l y b i g e r r o r T h e d e s i g n a n d o p t i m i z a t i o n m e t h o d s o f s e n s o r o f a l l k i n d s o f r o d m i l l s a r e r e s e a r c h e d i n t h i s p a p e r C o m b i n i n g r o d f a c t o rt o f S h u i C h e n g i r o n a n d s t e e l C o a n d p l a t e f a c t o ry o f S h a o S h a n i r o n a n d s t e e l C o w r i t e a g a t h e r re a l t i m e d a t a s y s t e m o n t h e b a s i s o f t h e s t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f m e a s u r i n g d a t a u s i n g a n a l y s e t o o l s o f M a t l a b h a s s e t u p t h e t h e o ry c o u n t i n g m a t h e m a t i c s m o d e l C o m b i n i n g t h e d e s i g n p r i c i p l e s o f e l a s t i c c o m p o n e n t a n d r e a l s t a t i o n d e s i g n a s u i t a b l e re a l i t y s e n s o r s f ur t h e r m o r e t h e s e n s o r s h a v e g o o d r e p e a t c a p a b i l i t y a n d l i n e a r it y T h e g a t h e r r e a l ti m e d a t a s y s t e m i s c l o s e t o p r o d u c e r e a l ity a n d a p p l y i n g t o p r o d u c e r e a l i ty T h i s s o ft w a r e i s p r o g r a m m e d 妙V i s u a l B as i c 6 0 t h e s y s t e m c a n r e a l i z e t h e d a t a s t o r a g e s h o w c l as s i f y i n g i n q u r i n g c o m p a r a b l e a n a l y s e a n d e s t a b l i s h i n g m o d e l e t e s S e tt l e t h e d a t a m e as u r e d a n d r e g r e s s n o n l in e a r l y b y s o m e k i n d s o f m a t h e m a t i c s m o d e l B y c o m p a r i n g t h e r e s u l t o f m e as u r e d a n d c a l c u l a t i o n 勿t h e o r y c o u n t i n g m a t h e m a t i c s m o d e l c h o o s e t h e m o d e l m o s t c l o s e t o t h e r e a l i ty S o t h e m o d e l s t h a t a r e c h o s e n h a v e r e l a t i v e l y h i g h p r a c t i c a l v a l u e K e y w o r d s r o d r o l l i n g p r e s s u r e r o l l i n g t o r q u e Ma t h e ma t i c s m o d e l 武汉科技大学 硕士 学 位论 文 第 1页 1 研究意义和课题来源 近年来 随着全国能源 交通 水利 土建等基础设施的建设和发展 对棒线材的需 求急剧增加 国内棒线材产量逐渐增加 到目 前为止 国内 产量已 达 2 0 0 0多万吨 就产 品而言 目 前国内生产的还是以 普通棒材产品为主 但产品质量也常常不能满足用户的要 求 目 前 各发达国家都在努力开发棒 型 材精密轧制的新技术并研制其精密的轧制的 新设备 以使棒 型 材产品的精度达到新水平 对钢在热轧时力能参数的研究历来是国内外普遍关注的课题 这是因为准确预报轧制 线上各道次的负荷和力能参数具有如下的重要意义 I 可提高轧制产品的尺寸精度及合格率 众所周知 在设备一定的条件下 棒材的 尺寸精度是靠调节辊缝来实现的 而辊缝的调节一般依赖于操作工的经验反复地实测和调 整 当工艺及设备条件产生波动时 辊缝调整难度增大 从而导致尺寸合格率下降 特别 是采用负公差轧制时 尺寸精度地命中率就更低 若能准确预报轧制力能参数 则由轧机 的刚度和弹塑性曲线即可迅速得到符合产品公差要求的辊缝值 不但避免了辊缝调整的盲 目 性 轧材的尺寸精度和合格率必将明显提高 2 为工艺设计或设备改造时选择轧机或电机提供依据 在实际生产中 设备能力不 足或过剩的现象经常发生 前者不但限制了企业的发展 还极易导致生产或设备事故 后 者将使电耗大幅度增加 若根据预报的力能参数来选择设备 就可以防止这种不合理的现 象发生 3 在开发新品种 新工艺时 能使设计更为合理可行 4 准确预报轧制负荷能使轧制线上的力能分布更为合理 从而降低整体工序电耗 减小设备磨损 还可对各架轧机的整体负荷进行监测 有效防止设备事故 还能找出轧制 线上力能负荷的薄弱环节 及时进行调整 以最大限度的发挥设备潜力 当然 对棒材连轧机负荷的分析也是非常重要的 相对等负荷是指当棒材连轧机各机 架的主电机功率不相等时 若按等负荷分配 会造成小容量主电机能力不足 而大容量主 电机不能充分发挥其能力 这种情况下 可按轧机各机架主电 机的相对等负荷来制定轧制 规程 即主电机容量大的轧机 让其多消耗一部分轧制功率 容量小的轧机则让其少消耗 一部分轧制功率 这样不仅可以充分发挥设备能力 而且避免了因负荷分配不均衡而发生 的轧制事故 利用相对等负荷技术对棒材轧制规程进行优化设计时可以从两方面入手 一是通过调 整轧辊辊缝来改变轧制负荷 使轧制负荷趋于相对均衡 但是 辊缝的调整量受到轧件质 量的限制 当调整量大时 孔型充不满或出 耳子 会影响棒材产品质量 调整量小时 起 不到均衡负荷的作用 二是利用优化方法修改孔型尺寸 以达到均衡轧件负荷的目的 因此 准确预报钢在轧制时的力能参数对提高企业的经济效益十分重要 为了实现轧制过程力能参数准确预报 首先需要采用一定的检测方法和数据采集软件 第 z页 采集生产现场的实时数据 武汉科技大学 硕 士 学 位 论 文 随着微型计算机的应用技术和数据检测技术的迅速发展 以微机为处理中心的数据检 测系统 以它独特的优点和强大的生命力 在各个领域中发挥愈来愈强大的作用 运用数 据检测系统对生产过程和设备进行监测 定量分析 故障诊断和优化控制以及对工艺优化 提供重要的数据来源都有着极为重要的意义 生产现场经常要测取点多而分散的模拟信号 如电压 电流 电阻应变 热电偶 热 电阻和数字量信号 因此 检测系统应具有测量精度高 抗干扰能力强 智能化程度高 使用灵活 安装维护方便等特点 实时数据采集系统应具有的功能如下 首先 它是实时的 可以实时的得到现场数据 具有实时数据的曲线显示功能 可以实时的监控现场 其次 将实时得到的数据保存到数 据库中 可以方便的进行查询 还可以对故障分析提供重要的数据来源 不仅如此 还可 以进行负荷对比分析 以 及建立力能参数数学模型 棒材轧制中的力能参数模型的研究 目 前在理论上仍不太成熟 在实际生产中 对轧 制力的计算 一般采用经验公式进行计算 由于生产情况的变化 经常造成计算结果存在 较大的误差 因此 有必要在现有轧制理论的基础上 根据现场的实测值 建立棒材连轧 机的压力模型 力矩模型等 由以上分析可知 开展对棒材轧机力能参数的研究具有十分重要的 研究意义 本论文 是在厂协课题 水钢棒材厂引进轧机力能参数测试与工艺优化 的基础上进行的 重点研 究了 各类型棒材轧机力能参数测试传感器的设计与优化方法 实时数据采集系统的构成与 功能 在测量数据统计分析的基础上 应用Ma t l a b分析工具 对力能参数数学模型进行了 研究 本论文研究成果对棒材轧制过程具有一定的指导作用 武汉科技大学 硕士 学 位论文 第 3页 2 国内外研究动态与文献综述 2 1 力能参数测 试技术I l l 在压力和扭矩测量中最常用的两种传感技术是压电式和应变式 压电式传感器的原理是 当外界施加的力发生变化时 敏感介质的电荷量发生改变 由 于这种传感器只在负载条件发生变化时 其电 荷量才发生改变 所以它们不能测量静态负 载 应变式传感器的原理是 应变片的电阻与施加的应力成正比 这种特性使应变片既可 以测量动态载荷 也可以测量静态载荷 2 1 1轧制压力的测量 目 前 压力传感器种类很多 有振动筒式 石英波登管式 压阻式 应变片式等多种 申 宝成 同宇权12 1在 5 0 三辊联合穿轧机力能参数的 测试与 研究中 采用应变片式测量 轧制压力 轧制压力的测定是通过安装在压下螺丝端部的压头测量的 采用自行设计的电阻应变 式传感器 弹性元件材料为 4 0 C r 箔式电阻应变片 并组成全桥 为了可靠地 长期地 进行数据测量 对其防潮 防水 防碰采取了极有成效的措施 在压头标定时还特制了仿 压下螺丝头部的球面垫 使得标定更加准确 如图2 1 所示 传感器 图2 1轧制力测量的压头安装装置 F i g 2 1 T h e p r e s s s e n s o r s f i x i n g d e v i c e o f m e a s u r i n g rol l i n g p r e s s 闰英 吕 延军 曹建刚 杜天苍 陈 林 孙尚 祖 李荣清在 D 5 5 0和 D 5 0 0轧 机力能 第4 页武汉科技大学硕 士 学 位 论 文 参数测试分析中 采用如下方法测量轧制压力 3 上轧制压力选用安全臼做传感器 将压力传感静胃于压下螺丝与轴承座之间 下轧制 力选用 H 形瓦座上端的料铁制成的传感器 并将传感器预先在 1 5 0吨油压材料试验机 上进行模拟标定 为消除材料的不均匀性及滞后现象 进行了四次重复标定预压试验 测 试时组 成了由 压头 A P 应变片 A R 一应变仪 A V 记录仪 A S 的 轧制压力测量 电路 2 1 2轧制力矩的测量 C4 5 目 前 国内外已 研究了多种测量扭矩的方法 归纳起来分为接触式和非接触式两种 接触式测量存在接触部位的摩擦阻力和接触零件的磨损等不足 且不能测封闭式轴 安装 不便 负载效应大 非接触式测量克服了 接触式缺点 但非接触信号传输技术难度较大 扭矩会使物体产生某种程度上的扭转变形 当轴有扭矩作用时 只要轴的尺寸 材料 确定 则轴的剪应变和轴2 个端面的相对转角就只与轴所承受的扭矩有关 且成正比例关 系 一般扭矩的测试方法正是基于这种关系 用各种传感器将轴的剪应变或2 端面的相对 转角变换成电量 再经测量电路进一步处理 实现对扭矩的测量 常见的扭矩测量方法可 分为应变式及相对转角式 对于旋转轴扭矩的测量 采用相对转角法则比较困难 故多采用简单可靠的电阻应变 式测量方法 即将应变片粘贴在被测轴上或特制的弹性轴上做成扭矩传感器 利用应变片 将轴由于扭矩产生的剪应变转换成电量进行测量 为了提高灵敏度 并消除其他参数的影 响 通常在轴圆周方向 每隔9 0 布置一个应变片 其贴片方向 与轴成4 5或1 3 5夹角 把 它们接成全桥测量形式 这样应变片感受转轴在扭矩作用下产生的剪应变 并经集流环与 测试电路相连 即可对旋转轴的扭矩进行测量 为了将粘贴在旋转轴上的应变片的引线引至测试电路的输入端 必须采用可以传递微 弱信号的集流环装置 因此 集流环是旋转轴扭矩测量的一个很重要的传递信号装置 旋 转扭矩测量方法可按其集流环工作原理来划分 常见的集流环有以下几种 1 水银式集流环 2 感应式集流环 3 电刷式集流环 冯玉平 高丽霞 王家增 赵杰锋在 铸L 制扭矩的现场测试 中 采用拉线式集电装 置 7 i 如图2 2 所示 武汉科技大学 硕 士学 位论文第 5页 图之 拉线式集电 装 图2 2拉电式集电装置 F i g 2 2 T h e g a t h e r e l e c t r i c i t y e q u i p m e n t o f D r a w i n g p a tt e r n 申 宝成 同宇权在 5 0 三辊联合穿轧机力能参数的测试与研究中 采用如下方法测量轧 制力矩 轧制力矩的测定是通过安装在万向接轴上的简易集流环和粘贴在万向接轴上的应变 片来测量的 将四片应变片贴在与万向接轴轴线相交成 4 5 的方向上 其贴片位置及组 桥方法如图2 3 所示 轧制力矩的标定是在现场直接进行的 具体的方法是将接轴一端固 定 而在另一端直接加已知力矩进行的 图2 3轧制力矩测量的贴片位置及组桥方法 F i g 2 3 T h e s i t e o f a f f i x i n g s t r a i n p i e c e a n d t h e m e t h o d o f a s s e m b l i n g e l e c t r i c a l b r i d g e o f m e a s u r i n g r o l l i n g t o 川u e 闰英 吕 延军 曹建刚 杜天苍 陈林 孙尚 祖 李荣清在 D 5 5 0和 D 5 0 0轧机力能 参数测试分析中采用如下方法测量轧制力矩 本次测定轧制力矩主要是指测定主电机输出的扭矩 即测定轧制力矩与空转力矩 辊 颈与轴瓦之间的 摩擦力矩等 测试时组成了 传动轴 A M 应变花 A R 发射机 A V 接受 机 A V 应变 仪 A V 记录仪 A S 直接在传动轴上贴片组成轧制力矩测量电 路 采用遥感技术接受信号 第 6页 2 2 数据采集与处理技术 8 9 1 0 武汉科技大学 硕 士 学 位 论 文 实时数据采集基本原理是用A D转换板卡 将现场压力 扭矩传感器所产生的电 信号 转换成数字信号并输入计算机储存处理 编写数据采集系统的语言各有偏重 C语言编写的数据采集系统 实时性较强 但是 界面简单 操作也不太方便 而用V C编写的程序则周期较长 但是操作方便 可制作成 W i n d o w s 风格的界面 用V B编写的程序则有一个缺点 就是采集的周期必需在5 0 毫秒以 上 但是这一点可由A D板的缓冲解决 除此以外 它的界面友好 而且 也可制成标准 的Wi n d o w s 界面 传统的测控软件开发工具多为D O S或WI N D O WS 下的C语言开发 对软件开发人员 的要求较高 从而造成系统开发周期长 可维护性差 而且 D O S下的应用程序不具有标 准的WIND O WS图形用户界面 M i c r o s o ft W i n d o w s 系统的程序为计算机用户提供了一个直观的图形丰富的工作环境 为数控系统建立高度友好的用户界面奠定了基础 W i n d o w s 程序一般采用 C或 C 语 言进行编写 但Wi n d o w s 编程较为复杂 一般的 D O S 程序员很难掌握 为此 Mi c r o s o ft 公司1 9 9 1 年推出的 V i s u a l B a s i c 使得 Win d o w s 程序编写变得简单 V i s u a l B a s i c 是一个可 视化的集成开发环境 它采用一种非常巧妙的方法将 Wi n d o w s编程的复杂性封装起来 使程序员能够采用一种事件驱动的结构化编程方法编制具有 Wi n d o w s各种优良 性能的程 序 并且可以产生Wi n d o w s 的可执行文件 但是数控系统要求程序具有实时性 并具有对 硬件进行输入输出操作特性 而V i s u a l B asi c 不能直接对硬件进行动作 这就给V i s u a l B asi c 在数控系统中的应用带来一定的难度 动态连接库可以直接实现 1 0操作 V i s u a l B a s i c 可通过调用动态连接库中的函数来实现实时控制及对硬件进行输入输出操作 V i s u a l B a s i c 自 身的功能是有限的 但 V i s u a l B as i 的设计者却利用用户控件 V B X 动态连接库 D L L 动态数据交换 D D E及对象的连接与嵌入技术 O L E来对其功能实现无限扩展 因此 近 几年来用V B开发测控软件已日 益流行 它既可以使用D L L来实现Y O端口的输入输出功 能或提高浮点运算能力 也可通过A P I 函数或MS C O MM控件实现串口通信 还能够充分 发挥V B数据库功能强大以及生产用户界面快等优点 实时曲线的描绘对于实时数据采集系统来说也是非常重要的 因为 实时曲 线反映的 是现场数据的实时性 实时曲 线可以监测该点在现场工况变化的情况下的控制稳定性 通常当前点在曲线的最右端显示 随着时间的推进整个曲 线动态地向左移动 实现曲 线的动态平移要涉及曲线消隐和重绘 曲线消隐的实现有几种方式 用C L S 方法清屏 用 X O R方式 即将画线对象的D R A WMO D E属性设为X O R P E N 而后在原位置处重画该曲 线 此法适用于单一背景色 B I T B L T方式 A P I 函数B I T B L T可将一副位图从一个设备场 景 D E V I C E C O N T E X T 复制到另一个 通过此函数为设备场景赋以 初始位图 亦可实现曲 线 消隐 曲线重绘通常通过B I T B L T函数实现 它以块复制的形式快速地传递位图而不必重 复绘制数据点 巧妙地使用该函数既可以很好地实现曲线的平移滑动 又可以减少资源的 消耗 武汉科技大学 硕 士学 位 论 文第7页 数据处理 通常是综合应用D a t a 数据控件 D a o 数据访问对象和S Q L数据查询语言 等数据处理技术 满足实时采集系统需要采集和处理大量数据的要求 2 3 棒材轧制力能参数模型 国内 外棒材轧制力能参数计算主要采用工程法 上界法和有限元等三种方法 2 3 1工程法计算棒材轧制压力 1 1 1 2 1 3 1 4 1 孔型中轧制时轧制压力的计算 根据轧制压力的定义 尸 p F K f Q P F 公式 2 1 式 中 K f 一 变 形 抗 力 F f 接 触 面 积 Q 一 应 力 状 态 系 数 P一单位压力 筱仓恒树 高井耕一提出的轧制压力模型如下 尸 Q F d K 向 公式 2 2 Q 0 7 3 1 0 7 7 1 M 1 6 1 一M 平均变形抗力采用如下的志田算式 6 U f 7 m 10 2 3 1 1 变形抗力K 的计算 变形抗力K f 的概念是轧制温度下 在给定变形成对和变形速度下金属的屈服极限 根 据B N 久津的资料 采用热力学系数法 K f 用下式计算 K 二 K K 0 3 5 公式 2 2 1 武汉科技大学 硕士学 位论文 第 巧 页 n 二 1 6 一 1 5 1 P I h p 0 1 4 h 1 用 于 几 1 h p 1 n o 0 7 8 5 0 2 5 h p l l p 用 于1 p 气与弹性体承受的载荷 被测力 保持 严格的对应关系 同时 为了提高测力传感器测力的灵敏度 还应使贴片部位达到较高的 应力 应变 水平 由此可见 在弹性体的设计过程中必须满足以下两项要求 武汉科技大学 硕 士 学 位 论文第2 5 页 1 贴片部位的 应力 应勿应与被测力保持严格的 对应关系 2 贴片部位应具有较高的 应力 应变 水平 为了满足上述两项要求 在测力传感器的弹性体设计方面 经常应用 应力集中 的 设计原则 确保贴片部位的应力 应变 水平较高 并与被测力保持严格的 对应关系 以 提 高所设计测力传感器的测力灵敏度和测力精度 基于现场条件 不便采用直接在机械零部件 如轧机牌坊 上贴片 因除了 打磨费工 费时外 其精度也不如专门 设计的弹性体 为此 在轧制压力的测定中 有条件时一般根据 轧机结构特点设计专门的弹性元件 它是传感器的关键部件 它的好坏关系到传感器的精 度 灵敏度 线性度和稳定性 首先 选择弹性元件的几何形状 其原则是应保证沿其横截面上应力分布均匀和机械 加工容易 常见的弹性元件几何形状有 圆环形 圆柱形 方柱形及双曲面形 从测量性 能来看 圆环形比圆柱形具有良 好的线性度 稳定度和精度 滞后也小 从贴片来看 若 承受相同大小的压力时 显然 圆环形比圆柱形具有更多的贴出面积 因此 绝大多数弹 性元件均采用圆环形 尤其在轧机测定中 由于轧制力大 而轧机牌坊窗口高度又有限 故只能采用圆环形弹性元件来增大其名义高度 以改善其特性 至于方柱形和双曲面形由 于其加工较之圆环形困难 应用不及园环形普遍 3 3 各轧机弹性元件的确定 由于现场粗轧机乃紧凑式结构 在铅垂面上 即高向 安装传感器的位置狭小 同时 其轧制压力又相当大 加之上轴承座是用长方形垫块与压下装置接触 鉴于此 不能采用 常见的圆环 圆柱形 而采用长方形结构 由于考虑传感器受力的均匀及稳定 特别是考 虑传感器高向安装的困难 因此最后选用长方筒形 这样在满足贴片处不受弹性元件端面 上作用的载荷性质和接触条件影响的同时 又可使弹性元件高向尺寸大幅减小 粗轧机压 力传感器如下图所示 盆 尸 一 一 图3 9粗轧机压力传感器 F i g 3 9 T h e s e n s o r o f r o l l i n g m 川 如前所述 作为轧机轧制力测定的弹性元件 首先以圆环形为主 因此 根据现场提 供的中 精轧轧制压力情况 通过计算 认为中 精轧弹性元件采用圆环形为宜 中 精 第 2 6页武汉科技大学 硕士学位论文 轧机压力传感器如图3 1 0 3 1 1 所示 图3 1 01 2 H 1 4 H 1 6 H轧机压力传感器 F i g 3 1 0 T h e s e n s o r o f r o l l i n g m i l l 图3 1 1 1 5 V 1 7 V轧机压力传感器 F i g 3 1 1 T h e s e n s o r o f r o ll i n g m i ll 由于轧机频率不高 不必进行刚度和固有频率的计算 故只需进行强度计算即可 若 对灵敏度有要求时 则应在此计算基础上 以灵敏度为标准进行修正 对于圆筒形弹性元 件 其主要几何尺寸为直径和高度 1 弹性元件直径 它是根据轧机一扇牌坊承受的额定轧制力 并参考压下螺丝端头直径 应小于或等于端 头直径 确定的 对于圆筒形弹性元件 其外径应小于或等于压下螺丝端头直径 其内径为 4 只r d D d l公式 3 1 0 式中 应变片基长 M M 本设计弹性元件的几何尺寸及相关参数 如表3 1 所列 表3 1弹性元件的几何尺寸及相关参数 T a b l e 3 1 T h e g e o me t ry d i m e n s i o n a n d c o r r e l a t i v e p a r a m e t e r o f t h e e l a s t i c e l e m e n t 机架 压下装置尺寸 m m 一片机架最大压力 w 压头弹性元件 材质形状 外径 住 田 1 内径 1 1 高度 1 1 5 压下垫块尺寸 3 2 0 X 1 1 0 1 2 0 04 0 Cr 矩形 筒 内长宽 2 3 0X 1 4 0 内长宽 2 1 4 X 1 2 4 3 8 7 9 拉杆螺母外径2 0 2 内径 1 2 0 一个拉杆最大压 力 2 5 0 4 0 Cr 圆筒 1 8 01 7 2 3 0 8 压下螺丝直径 1 2 7 5 0 04 0 Cr 圆筒1 2 51 1 06 2 1 2 1 4 1 6 压下螺丝直径 1 2 7 2 5 0 4 0 Cr 圆筒 8 27 0 6 0 1 3 拉杆螺母外径2 2 0 内 径 一个拉杆最大压 5 0 圆筒1 7 81 7 32 7 第 2 8页 武汉科技大学 硕 士 学 位 论 文 力 1 2 0 1 5 1 7 拉杆螺母外径1 5 0 内 径 1 0 0 一个拉杆最大压 力 1 2 0 5 0 圆筒 1 1 2 8 1 2 2 2 8 3 4 弹性元件的制作要求 弹性元件除了机加工要求精度高 热处理工艺要求复杂外 还要对其表面进行再处理 其再处理过程简述如下 去油 用水磨细砂纸沿4 5 0 打磨 用水磨细砂纸沿1 3 5 0 打磨 划线定贴片位 丙酮清 洗表面 无水乙醇清洗表面 在烘箱约4 0 除湿 根据现场工况 轧制压力测量处温度较高 故选用为高温应变片 由于应变片最后要 组成电桥电路 所以为了保证在静态或无压力信号时 使桥路输出为零 在选片时应使之 各应变片之间阻值之差不超过0 1 0 贴片工序的好坏 直接影响到传感器的线性范围和传感器的精度 所以该工序至关重 要 除了贴片本身精心操作外 还根据粘接剂的要求 按不同的温度对所贴应变片进行了 二次高温聚合 以达到应变片的粘接强度 3 5 传感器的防护 传感器的防护主要包括 防潮 防受力不均以及机械防护 因此 对贴好片的传感器 均涂了二次防潮胶水 并分别进行了二次高温聚合 对组 成桥路后的传感器 在其应变片面均进行了包扎 以防护应变片和线路被异物划伤 同时 在包扎物的表面又涂以防潮防水胶 以 保证传感器能高度绝缘 为了消除偏心载荷的影响 除了设计时 考虑了H D 弹性元件高度 弹性元件直径 比 值适宜外 在传感器上 下二端面尚垫有紫铜板以防机加工时 弹性元件上 下二端面 平行度不足 而且在传感器贴片时 采用多片粘贴 并使其均匀地分布在弹性元件的表面 同时 把对称于弹性元件轴线的应变片串 并联在一个桥臂上 以消除偏心载荷的影响 为了进一步防止实测时载荷偏心 设计中考虑了球面垫 以起到自 动定心的作用 传感器乃测力的核心元件 尽管对其进行了包扎 也难免会受到外界尖硬物的刺伤 为此 设计有外壳对传感器加以进一步保护 并在信号接点的航空插头处涂以防潮胶 且 在底盖处设计有油毡 使传感器在受到机械保护的同时达到内部无污染并进一步防水的效 果 3 6 传感器的安装 由于粗轧机除了有水平式还有立式 对于立式轧机 若直接安放传感器 由于传感器 的自 重 若无约束力 其自身会下落 因此 安装传感器时对中困难 甚至有落地的危险 武汉科技大学 硕 士 学 位 论 文 第 3 1页 4 数据采集与软件开发 本文编程软件采用V i s u a l B as i c 6 0 硬件采用P C 1 8 1 8 H D的A D板和研华的工业控制 计算机 V i s u a l B as i c 6 0 是面向 对象的可视化编程语言 具有高效 简单易学及功能强大 维护容易的 特点 近几年来用 V i s u a l B as i c 6 0开发测控软件己日 渐流行 它既可以使用 D L L 来实现1 O端口 的输入输出功能 也可通过A P I 函数或MS C O M M控件实现串口通信 还能够充分发挥V i s u a l B as i c 6 0 数据库功能强大以 及生成用户界面快等优点 4 1 数据采集系统基本原理 3 0 3 1 3 2 3 3 1 数据采集系统的任务 具体的说 就是采集传感器输出的连续模拟信号并转换成计算 机能识别的离散数字信号 然后送入计算机 根据不同的需要由计算机进行相应的计算和 处理 得到所需的数据 数据采集系统性能的好坏 主要取决于它的精度和速度 数据采 集系统原理框图如下 图4 1数据采集原理图 F i g 4 1 T h e t h e o ry f i g u r e o f d a t a c o l l e c t i o n 4 2 力能参数采集系统的基本功能 3 4 1 放在 高线 数据采集系统软件的功能主要有 数据存储 数据查询 数据分析及建模 数据存储 A c c e s s 数据库中 数据查询功能可以根据序号和时间查询 数据分析具有趋势线和等 结合Ma t l a b 及负荷对比功能 同时还具有建模功能 功能图如下所示 第 3 3页 武汉科技大学 硕士 学 位论 文 4 3 1 1 0 端口操作 P C L 8 1 8 H D提供给用户很大的开发自 由度和灵活性 并且能够在很大程序上兼容不 同 数据采集对象的 特性 实 现一 个系 统的 重复利 用 3 5 它的A D转换 编程过 程中 编写 P C L 8 1 8 H D的程序的关键是使用板卡上的1 6 个寄存器 P C L 8 1 8 H D需要 1 6 个连续的 P C机U O空间地址 每个口 地址与采集板内的寄存器相对应 每个寄存器的地址是通过指 定到板卡基地址的偏移量 例如 B A S E O 是这个板卡的基地址 并且B A S E 7 表示基地 址 7 个字节 如果板卡的基址是 3 0 0 H 则B A S E 7 寄存器的地址就是3 0 7 H 结果见表 表 4 1 寄存器的 作用与相应的1 1 0 端口 地址 T a b l e 4 1 T h e f u n c t i o n o f r e g i s t e r a n d t h e r e l e v a n t V O p o r t a d d r e s s I t o地 址作用 口应SE 今0 口 AS E 日 禹sE 日 人弓 习 低 确位和通道软徉灿 发游 盯 高 位和 A t 扫播范围 M I J X扫抽通道 a代w仍的低字负 田一 d叹w 0 的高字节 口 一 仍 V B 6 0虽具备简单易学 高效及功能强大等特点 但其自 身也有不足 因其不具备直 接对硬件1 O地址的访问能力 在工业控制中对计算机的底层硬件进行访问以及利用各种 接口 板进行数据采集和控制时间 仅靠V B自 身 无 法解决 3 6 3 7 但通过调用驱动 提供的函 数 就可以 实现对U O口的 访问 和控制 驱动支持高速的数据采集方案 如D M A 中断 而且采用双缓冲的技术 还支持事件驱动的工作方式 这些特点使V B很方便的编制数据 采集软件 因此 采集实时数据时采用V C 十 编写的D L L函数来读取A I D转换器端口的数据 然后由V B主程序调用 8 9 在V C 十 中 对端口 进行操作的输入函 数的原型为 i n t we i n p u n s i g n e d s h o rt p o rt 其中 p o rt 参数为指定的 输入端口 号 该函数从p o rt 参数指定的 端口 读入并返回一个字节 输入 值在 6 5 5 3 5范围内的任意无符号整型数 输出函 数的原型为 i n t o u t p u n s i g n e d s h o rt p o rt in t d a t a b y t e p o rt参数为 指定的 输出 端口 号 d a t a b y t e参数为 输出 值 该函 数将 d a t a b y t e 指定的 值输出 到p o rt 参数 指定的 端口 号 并返回 该值 实现A D转换的主要代码为 o u t p b a s e a d d r e s s p a s s 向 转换器送通道号 o u t p b a s e a d d re s s 1 s t a r t v a u l e 启动A D转换器 h e i g h t b i t e i n p b a s e a d d r e s s 2 l o w b i t e i n p b a s e a d d r e s s 3 读高四位 读低八位 第3 4 页武汉科技大学 硕 士 学 位论 文 a d d a t a h e i g h t b i t e 1 6 l o w b i t e 1 6 4 0 9 6 将结果转换 成十进制 P C L 8 1 8 H D的A D转换板 为了方便用户 A d v a n t e c h D L L D r i v e r 的软件开发商 制作了 D r i v e r b as 文件 其中声明了有关D L L函数及相应的结构 只需把 D r i v e r b as 导入V B工程的 模块中 用户就可省去声明D L L函数的麻烦 3 8 1 在WI N D O WS 环境下调用驱动程序 要实现数据的读取 需要将一些库文件加到程序 中来 工程中添加一个模块D R I V E R B A S 在资源菜单中添加该模块即可 在这个模块中 定义了P C L 8 1 8 H D的所有常量 全局变量名 函数 数据结构 状态代码和消息 可以 直接在程序中调用这个文件中定义的这些量实现数据的读取 在D R I V E R B A S 文件的最后 定义了许多A P I 函数 但都不是私有的 也就是说工程里的所有窗体都可以调用这些函数 下面对几个关键的D L L函数进行简单的说明 1 D R V 一 D e v i c e 0 p e n 该函 数必须最先被调用 它加载一个设备驱动程序到内 存 并确定设备的类型 完成对设备的初始化 使设备做好1 O的准备工作 同时返回一个函 数值 若设备驱动成功返回非 0 的设备句柄 若设备驱动失败则返回 0 e E r r C d e D R V D e v i c e 0 p e n 0 D e v i c e H a n d l e 2 D R V 一 D e v ic e C l o s e o 该函数是关闭由D R V 一 D e v i c e 0 p e n o 函数打开的设备 它的 函 数参数是由D R V D e v i c e O p e n O 函数返回的设备句柄 若设备关闭成功返回非 0 值 否则返回 0 1 E r r C d e D R V 一 D e v i c e C l o s e 0 D e v i c e H a n d l e 3 D R V 一 D e v i c e G e t F e a t u r e s o 该函数从由D R V 一 D e v i c e 0 p e n f 数打开的设备中获 取相关的硬件信息 同时返回一个函数值 操作成功则返回非 0 值 否则返回 0 0 4 D R V 一 G e t A d d r e s s 该函数仅在V B中 适用 它把变量作为函数参数 返回值是该 变量的指针或地址 在V C 或D e l p h i 中 用户能获得一个变量的指针或地址 但在V B 中却没有相应标准函数来获取变量的内存地址 因此 特为V B开发环境制作了该函数 5 D R V 一 M A I V o lt a g e ln 该函数的参数是由 D R V D e v i c e 0 p e n g t 数返回的设备句 柄 它每被调用一次就对通道的设置完成一次U O操作 操作成功则返回 0 值 在实际 的数据采集中 是通过调用这个函数得到与模拟量相对应的电压值 按照所要求采样频率 在V B的T i m e r 事件中定时调用该函数 A i V o l i n c h a n I p A I C o n f t g D as C h a n 电 压输入通道 A i V o l I n g a i n l p A i C o n f i g D as G a i n 电 压输入增益 A i V o l I n T r ig M o d e A i C t r M o d e 触发模式 L A i V o l I n v o lt a g e D R V G e t A d d r e s s v o lt a g e 读入电 压值 E r r C d e D R V A I V o l t a g e I n D e v i c e H a n d l e A i V o l l n 4 3 2采样频率 采样频率可以由T i m e r 事件控制 当按照下图所示的方法设定采样频率以后 间隔采 样频率时间 系统就会逐个扫描各个通道的电压值 然后转换为实际值 第 3 8页武汉科技大学 硕 士 学 位 论 文 表4 2 各机架测试数据 T a b l e 4 2 T h e me a s u r i n g d a t a o f e v e ry m i l l 0 16 实 数 据 机架号冲击压力值 k N 稳态平均压力 值 k N 压力比值冲击力矩值 k N m 稳态平均力 矩值 k N m 力矩比值 轧 制 温 度 一 1 2 一 3 一 41 8 3 2 7 4 72 7 2 6 6 9 51 4 8 7 7 6 46 3 31 1 8 0 5 61 8 6 5 0 2 4 9 8 8 3一 541 4 3 2 48 1 0 1 41 9 5 5 3 33 7 9 2 66 9 9 2 81 8 4 3 8 0 1 9 7 4 一 6 77 6 8 4 719 7 6 0 4 51 2 7 01 1 33 1 8 6 84 4 4 6 81 3 9 5 3 8 1 84 9 1 0 3 76 8 9 8 7 81 4 0 4 9 4 1 2 2 5 8 44 6 5 8 82 0 6 2 8 7 6 一 9 一 1 0 一 1 1 11 1 26 6 3 0 68 7 6 1 7 51 3 2 1 4 1 12 3 3 1 2 42 7 6 3 3 41 1 8 5 3 5 2 9 8 1 2 5 1 33 5 9 9 5 7 35 0 3 9 0 9 3 31 3 9 9 9 1 4 9 7 7 7 2 5 1 41 7 5 4 4 82 3 9 6 8 21 3 6 6 1 1 47 2 89 9 0 31 3 6 0 3 0 2 1 0 0 7 一 1 51 6 0 8 0 71 9 6 7 6 21 2 2 3 5 9 1 1 0 0 0 7 1 61 2 2 9 0 81 5 6 2 9 81 2 7 1 6 6 75 1 4 29 3 4 41 8 1 7 1 9 2 9 9 1 一 1 731 5 9 0 6 74 0 5 6 2 4 6 71 2 8 4 0 0 21 9 8 2 812 3 7 9 5 51 2 0 0 0 9 一 cD 2 实 数 据 机架号冲击压力值 k N 稳态平均压力 值 k N 压力比值冲击力矩值 k N m 稳态平均力 矩值 k N m 力矩比值 车 匕 度 一 1 一 21 7 0 8 2 4 42 1 3 7 6 9 81 2 5 1 4 0 14 1