・６・ 重型机械 ２０１３ Ｎ０．６ 新技术新设备 径轴向数控轧环机定心辊位置自动控制技术研究 谷瑞杰 。，权晓惠 ，张淑莲 一，杨大祥 ，杨展飞 一，梁建筑 ，苏振华 ， （１．中国重型机械研究院股份公司，陕西西安７１００３２： ２．金属挤压／锻造装备技术国家重点实验室，陕西西安７１００３２；３．西北工业大学材料学院，陕西库尔勒８，￥１００１ １） 西安７１００７２： ４．天山水泥股份有限公司塔什店分公司，摘要：径轴向数控轧环机定心辊的合理控制对环件ＴＬＮ成形过程十分重要。本研究基于环件径 轴向轧制丁艺分析，提出了径轴向数控轧环机定心辊位置控制方法，推导了环件径轴向轧制过程中定 心辊位置计算公式，建立了定心辊驱动油缸行程控制方程，并基于此开发了径轴向数控轧环机定心辊 位置自动控制程序，该程序已经成功应用于生产实践。 关键词：数控轧环机；径轴向轧制；定心辊位置；自动控制技术 中图分类号：ＴＧ３３３．１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—１９６Ｘ（２０１３）０６—０００６—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｇｕｉｄｅ ｒｏｌｌｅｒｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｒｉｎｇ ｒａｄｉａｌ－ａｘｉａｌ ｒｏｌｌｉｎｇ ＮＣ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＧＵ Ｒｕｉ－ｊｉｅ ， ，ＱＵＡＮ Ｘｉａｏ—ｈｕｉ 一，ＺＨＡＮＧ Ｓｈｕ—ｌｉａｎ 一。ＹＡＮＧ Ｄａ—ｘｉａｎｇ 一， ＹＡＮＧ Ｚｈａｎ—ｆｅｉ ’ ．ＬＩＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｚｈｕ ．ＳＵ Ｚｈｅｎ—ｈｕａ ’ （１．Ｃｈｉｎａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｈｅａｖｙ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ ７１００３２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ａｎｄ Ｆｏｒｇｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７ １ ００３２，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｅａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７ １００７２，Ｃｈｉｎａ； ４．ｘｉｎｉｉａｎｇ Ｔｉａｎｓｈａｎ Ｃｅｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｉ ｔｄ．Ｔａｓｈｅｎｄｉａｎ Ｂｒａｎｃｈ，Ｋｏｒｌａ ８４ｌ０ｌ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｇｕｉｄｅ ｒｏｌｌｅｒｓ ｏｆ ｒｉｎｇ ｒａｄｉａｌ—ａｘｉａｌ ｒｏｌｌｉｎｇ ＮＣ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｓｉｇｎｉｉｃａｎｔｆ ｆ＿ｎｒ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｉｎｇ ｒｏｌｌｉｎｇ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｉｎｇ ｒａｄｉａｌ—ａｘｉａｌ ｒｏｌｌｉｎｇ，ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｇｕｉｄｅ ｒｏｌｌｅｒｓ ｏｆ ｒｉｎｇ ｒａｄｉａｌ—ａｘｉａｌ ｒｏｌｌｉｎｇ ＮＣ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｓ ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｕｉｄｅ ｒｏｌｌｅｒｓ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｖｉｎｇ ｏｉｌ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｏｆ ｇｕｉｄｅ ｒｏｌｌｅｒｓ ｉｓ ｂｕｉｌｔ， ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｇｕｉｄｅ ｒｏｌｌｅｒｓ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｅｈ— ｎｉｑｕｅ ｏｆ ｇｕｉｄｅ ｒｏｌｌｅｒｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ， Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｉｎｇ ｒｏｌｌｉｎｇ ＮＣ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｒｉｎｇ ｒａｄｉａｌ—ａｘｉａｌ ｒｏｌｌｉｎｇ，ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｕｉｄｅ ｒｏｌｌｅｒ，ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｅｏｎｔｕｌｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ０前言 环件径轴向轧制成形是通过轧辊对环件厚度 和高度的局部连续压下作用使得环件半径不断长 收稿日期：２０１３—０９—２１；修订日期：２０１３～１０—２３ 大的成形工艺 ，该成形工艺对加工设备吨位 要求较锻造成彤工艺小的多，而且环件成形质 量、材料利用率和生产效率都很高，目前已经成 为生产大型环件的最佳加Ｔ方法 ，如 １ 所示。 基金项目：“高档数控机床与基础制造装备”科技重大々项 （２０１０ＺＸ０４００４—１３１）；国家重点基础研究发展汁划 （２０１２ＣＢ７２４３００） 径轴向数控轧环机主机（图２）主要包括径向 轧制装置、轴向轧制装置、定心机构、托辊和底 作者简介：谷瑞杰（１９８０一），男，巾国重型机械研究院股份公司 高级Ｔ程师，博上，主要从事锻压设备 Ｔ艺研究。 座等。定心机构安装于径向轧制装置上，径向轧 制装置的左右各有一套定心装置，其结构如图３ ・８・ 重型机械 ２０１３ ＮＯ．６ 心到定心辊座旋转中心的距离，其值由定心机构 ０２＝ＯＬ＋０ｌ （５） 结构所确定，在本研究中取１ ８４５．７７ ｍｉｌｌ。 油缸 铰鹰 油缸 铰庵 图４环件径轴向轧制定心机构的物理模型 Ｆｉｇ．４ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｇｕｉｄｅ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ｒｉｎｇ ｒａｄｉａｌ—ａｘｉａｌ ｒｏｌｌｉｎｇ 在环件外径（半径）确定时，方程（１）、（２） 联合求解即可确定定心辊的中心位置坐标（ ， Ｙ）。 ３定心辊驱动油缸行程计算 以定心辊座旋转中心（一９００，２０５０）为原点 建立相对坐标系（ ，Ｙ ），如图５所示。在该坐 标系下，定心辊中心相对坐标 ＝ＰＣ＋９００ （３） Ｙ ＝Ｙ一２ ０５０ （４） （Ｘ ，ｙ ） 油 Ｉ前铰座 油 油 油缸前铰 图５ 环件径轴向轧制定心机构的局部坐标系 Ｆｉｇ．５ Ｌｏｃａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｏｆ ｇｕｉｄｅ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ｒｉｎｇ ｒａｄｉａｌ—ａｘｉａｌ ｒｏｌｌｉｎｇ 定心辊座旋转中心和定心辊中心连线相对于 坐标轴 的转角取为０ ，定心辊座旋转中心和油 缸前铰接中心连线相对于坐标轴 的转角取为 ，则有 其中，Ｏｔ为定心辊座旋转中心和定心辊中心 连线到定心辊座旋转中心和油缸前铰接中心连线 转角，本研究中该转角值为１３０．７９。。 由定心机构结构可知 Ｙ ＝ｆ１ｓｉｎＯｌ （６） 在获得定心辊的中心位置坐标值Ｙ后，对方 程（５）、（６）联合求解即可算得０ 。 在绝对坐标系下，油缸前铰接中心坐标设为 （ 。，Ｙ．），在相对坐标系下的该巾心的坐标 （ ，Ｙ ）满足 ： Ｉ＋９００ （７） Ｙ ＝Ｙ 一２ ０５０ （８） 由定心机构结构可知： ，一１２ｃｏｓＯ２ （９） Ｙ ＝１２ｓｉｎＯ２ （１０） 式中，ｆ，为定心辊座旋转中心到油缸前铰座中心 的距离，ｍｍ，其值由定心辊座结构所确定，在 本研究中取１ ０００ ｍｍ。 在获得０ 后，油缸前铰接中心坐标（ ．， Ｙ、）即可确定。 油缸底铰座中心的位置可由定心机构的结构 所确定，在本研究中其绝对坐标为（～４ ５２０，１ ７３０），因此油缸前后铰座的距离１ 满足 ＝￣／（ ｌ＋４ ５２０） ＋（Ｙｌ一１ ７３０） （１ １） 对于不同的环件外径，通过计算可以获得对 应的油缸前后铰座的距离ｆ 。ｆ，的值是定心辊驱 动油缸必须满足的位置条件，其最大值ｚ 和最 小值／３ｍｉｎ之差就是油缸必须满足的最大行程 。 在环件径轴向轧制过程中，油缸行程Ｓ通过式 （１２）计算 Ｓ＝Ｚ３一ｆ３… （１２） 在环件径轴向轧制过程中，环件的外径可以 通过测量装置实时检测。对于确定的环件外径， 通过计算可以获得定心辊驱动油缸的行程控制方 程，从而可以实现径轴向数控轧环机定心辊的位 置控制。 ４定心辊位置自动控制技术的应用 本研究基于定心辊驱动油缸的行程控制方程 开发了径轴向数控轧环机定心辊位置自动控制程 序，并将之应用于环件径轴向数控轧环机自动控 制系统，取得了很好的使用效果。应用本研究的 重型机械 ・９・ 径轴向数控轧环机定心辊位置自动控制技术生产 大型环件（图６）的圆度误差由原来的２％降低到 １％，合格率由原来的９８％提高到９９％。本研究 取得的径轴向数控轧环机定心辊位置自动控制技 术处于国际先进水平，提高了我国径轴向数控轧 环机的整体技术水平。 图６ 应用定心辊位置自动控制技术生产大型环件 Ｆｉｇ．６ Ｌａｒｇｅ ｒｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｇｕｉｄｅ ｒｏｌｌｅｒｓ ５ 结论 （１）提出径轴向控轧环机定心辊位置控制方 法，并建立驱动油缸行程控制模型； （２）推导了环件径轴向轧制过程中定心辊位 置计算公式，并基于此开发了径轴向数控轧环机 定心辊位置自动控制程序，可实现实心辊的位置 控制。实践证明，圆度误差由原来的２％降低到 １％，合格率由原来的９８％提高到９９％。 参考文献： ［１］Ｌｉａｎｇｇａｎｇ Ｇｕｏ，Ｈｅ Ｙａｎｇ，Ｍｅｉ Ｚｈａｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍ￣ｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｉｎ ｃｏｌｄ ｒｉｎｇ ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｙ ＦＥＭ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［１］．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａ— ｔｉｏｎ ｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５ （１３）：１０２９—１０４６． ［２］ Ｊ．Ｌ．Ｓｏｎｇａ，Ａ．Ｌ．Ｄｏｗｓｏｎａ，Ｍ．Ｈ．Ｊａｃｏｂｓａ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｈｅｒｍｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｉｎｉｔｅ—ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ— ｉｎｇ ｏｆ ｈｏｔ ｒｉｎｇ ｒｏｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，１２１：３３２—３４０． ［３］张淑莲，何养民，杨大祥，等．５ｍ径轴向数控轧环 机主要参数的确定［Ｊ］．重型机械，２００７（２）：１２ ｌ４． ［４］ 杜学斌，韩炳涛，葛东辉，等．ｑｂ５ＯＯＯｍｍ径轴向数 控轧环机［Ｊ］．锻压装备与制造技术，２００７（３）：３４ ３７． ［５］ 谷瑞杰，张淑莲，杨大祥，等．超大型环件径向轧 制设备动梁受力分析和优化［Ｊ］．重型机械，２０１２ （３）：６０—６３．
