一种力矩控制的自动上料方法发明专利

专利名称：一种力矩控制的自动上料方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111422567.4

专利申请（专利权）人：中国重型机械研究院股份公司
权利人地址：陕西省西安市经济技术开发区草滩生态产业园尚林路3699号

专利发明（设计）人：张逸尘,郭思龙,杨鹏,苏云帆,杨一帆,田瑞明

专利摘要：本发明涉及冷轧管机连续上料技术领域，公开了一种力矩控制的自动上料方法，包括步骤：1)将主机机头停车至轧制区；2)计算最小脱棒力对应转矩；3)推料电机在行程范围内将坯料管送至送料床身；4)推料电机反转后退；5)芯棒卡盘夹紧；6)根据最小脱棒力，设置伺服驱动器的力矩限值；7)使用力矩限值下的速度控制方式，控制伺服电机将新上坯料管向机头方向动作，力矩到达限值，伺服电机速度降至零，自动上料结束。本发明方法通过对伺服电机的控制方式改进实现了上料动作的全自动，降低了人工操作失误进而产生生产事故的可能，提高了设备可靠性与设备生产效率；并且在实现上料动作全自动的同时，未新增任何检测开关与编码器。

主权利要求：
1.一种力矩控制的自动上料方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)将主机机头停车至轧制区；
步骤2)计算最小脱棒力对应转矩；
步骤3)推料电机在行程范围内将坯料管送至送料床身，推料床身中安装的推料电机正转推动推料杆，将管坯推进至送料床身中，所述推料电机在前后极限位置安装推料床身前极限、推料床身前停止、推料床身后极限和推料床身后停止四个检测开关，推料杆正转到达行程的前停止位置，此时的行程位置会保证将坯料管推进至送料床身当中；
步骤4)推料电机反转后退；
步骤5)芯棒卡盘夹紧；
步骤6)根据最小脱棒力，设置伺服驱动器的力矩限值；
步骤7)使用力矩限值下的速度控制方式，控制伺服电机将新上坯料管向机头方向动作，力矩到达限值，伺服电机速度降至零，自动上料结束。
2.根据权利要求1所述力矩控制的自动上料方法，其特征在于，所述步骤1)中，通过点动主机将主机停至轧辊轧制区。
3.根据权利要求1所述力矩控制的自动上料方法，其特征在于，所述步骤2)中，最小脱棒力是指当轧辊运行至轧制区时，送料床身中的送料小车推动坯料管且不会将坯料管顶出轧制区的最大力。
4.根据权利要求3所述力矩控制的自动上料方法，其特征在于，通过滚珠丝杠传动的送料小车，其转矩与力的关系如下公式所示：其中h表示送料小车走过的丝杠行程，F表示电机的输出力，M表示其输出转矩，根据公式(1)能够准确计算出最小脱棒力对应的输出转矩。
5.根据权利要求1所述力矩控制的自动上料方法，其特征在于，所述步骤4)，当到达前停止位置后，推料电机反转至推料小车的后停止位置，为下一次上料操作做好准备。
6.根据权利要求1所述力矩控制的自动上料方法，其特征在于，所述步骤5)，推料杆将坯料管推至送料床身当中后，通过芯棒卡盘后涡流检测判断坯料管是否已经通过芯棒卡盘，如果已经通过芯棒卡盘，则液压阀动作将芯棒卡盘夹紧。
7.根据权利要求1所述力矩控制的自动上料方法，其特征在于，所述步骤6)，将通过步骤2)计算得到的最小脱棒力对应的输出转矩值作为送料小车在上料过程动作当中的力矩限值，通过软件设置送料小车的伺服驱动器参数，保证在上料过程当中如果出现了输出转矩值过大的情况则停止动作。
8.根据权利要求1所述力矩控制的自动上料方法，其特征在于，所述步骤7)送料小车通过伺服电机驱动进而实现送料操作，将新上坯料管向机头方向动作，此时选择转矩限幅下的速度控制方式对伺服电机进行控制。 说明书 : 一种力矩控制的自动上料方法技术领域[0001] 本发明涉及冷轧管机连续上料技术领域，具体涉及一种力矩控制的自动上料方法。背景技术[0002] 我国冷轧管机中包含双床身不停机上料与单床身停机上料两种类型，停机上料机型由于价格低廉被广泛应用。现有的停机上料类冷轧管机均属于端上料形冷轧管机，此类设备上料方式过程如下：将轧管机主机轧辊停至轧制区域，保证管坯不可移动。此时坯料管前半部分已经完成轧制，未轧制部分末端处于送料床身中。送料床身包含前停止检测、前极限检测、后停止检测、后极限检测四个检测开关，当送料小车前进至前停止检测开关处，送料小车停止同时开始实施快退指令，该送料小车回退至后停止检测开关处停止快退。此时便可实施上料操作，上料床身包含前停止检测与后停止检测。将芯棒卡盘打开后，上料床身中的上料电机拖动推料杆将坯料向床身中送进。当推料杆行进至前停止检测处，上料电机停止。停止后即可实施反转快退指令，停至后停止检测开关位置。当推料杆退出芯棒卡盘后，芯棒卡盘夹紧。此时坯料已经送至送料床身当中，轧制中的坯料管与新装的坯料管均在送料床身当中，且两根坯料管有空余行程。为了将两根坯料管衔接，需要点动控制送料电机将坯料管向主机方向动作。当两根管坯相接后，主机动作，送料小车送料开始正常生产。值得注意的是，在送料小车动作中时需要注意接缝位置，如果点动过程当中出现了坯料管相撞的情况，将出现轧制中的坯料管向前窜动，进而导致主机无法正常启动。而如若出现主机无法正常启动情况发生，处理过程较为复杂，正因如此，端上料形冷轧管机未实现全自动上料。[0003] 上述手动上料过程工作效率底、且经常发生因为工人疏忽造成主机无法正常启动的情况发生。为了改善上述问题，有方法提出在上料电机侧安装编码器对坯料管进行测长，并根据坯料长度确定送进小车需要前进的位移。测长系统的检测开关和编码器稳定性一直是影响轧制稳定的重要因素，现有的开关均为开关量检测开关，坯料从检测开关上方穿过，根据坯料规格不同，需要调整检测开关位置，而且准确性不高、安装不便，信号容易受到干扰；为了保护设备，测长结束后使用送料小车夹紧送进时留较大的余量，从而使来料坯料头部和在轧坯料尾部有较大的空隙，造成多次的空轧，容易使成品管圆度降低。发明内容[0004] 针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种力矩控制的自动上料方法，在不增加额外设备的前提下解决了原有停机上料型冷轧管机无法自动上料的问题。[0005] 为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：[0006] 一种力矩控制的自动上料方法，包括以下步骤：[0007] 步骤1)将主机机头停车至轧制区；[0008] 步骤2)计算最小脱棒力对应转矩；[0009] 步骤3)推料电机在行程范围内将坯料管送至送料床身；[0010] 步骤4)推料电机反转后退；[0011] 步骤5)芯棒卡盘夹紧；[0012] 步骤6)根据最小脱棒力，设置伺服驱动器的力矩限值；[0013] 步骤7)使用力矩限值下的速度控制方式，控制伺服电机将新上坯料管向机头方向动作，力矩到达限值，伺服电机速度降至零，自动上料结束。[0014] 进一步地，所述步骤1)中，通过点动主机将主机停至轧辊轧制区。[0015] 进一步地，所述步骤2)中，最小脱棒力是指当轧辊运行至轧制区时，送料床身中的送料小车推动坯料管且不会将坯料管顶出轧制区的最大力。[0016] 进一步地，通过滚珠丝杠传动的送料小车，其转矩与力的关系如下公式所示：[0017][0018] 其中h表示送料小车走过的丝杠行程，F表示电机的输出力，M表示其输出转矩，根据公式(1)能够准确计算出最小脱棒力对应的输出转矩。[0019] 进一步地，所述步骤3)，推料床身中安装的推料电机正转推动推料杆，将管坯推进至送料床身中。[0020] 进一步地，所述推料电机在前后极限位置安装推料床身前极限、推料床身前停止、推料床身后极限和推料床身后停止四个检测开关，推料杆正转到达行程的前停止位置，此时的行程位置会保证将坯料管推进至送料床身当中。[0021] 进一步地，所述步骤4)，当到达前停止位置后，推料电机反转至推料小车的后停止位置，为下一次上料操作做好准备。[0022] 进一步地，所述步骤5)，推料杆将坯料管推至送料床身当中后，通过芯棒卡盘后涡流检测判断坯料管是否已经通过芯棒卡盘，如果已经通过芯棒卡盘，则液压阀动作将芯棒卡盘夹紧。[0023] 进一步地，所述步骤6)，将通过步骤2)计算得到的最小脱棒力对应的输出转矩值(力矩值)作为送料小车在上料过程动作当中的力矩限值，通过软件设置送料小车的伺服驱动器参数，保证在上料过程当中如果出现了输出转矩值过大的情况则停止动作。[0024] 进一步地，所述步骤7)送料小车通过伺服电机驱动进而实现送料操作，将新上坯料管向机头方向动作，此时选择转矩限幅下的速度控制方式对伺服电机进行控制。[0025] 本发明方法在不增加任何额外装置的情况下，通过对原有伺服电机控制改进实现了两根坯料管衔接，基于速度限幅下力矩控制的方式，实现了自动上料的功能。主要原理为：当电机功率固定时，电机的输出扭矩与输出转速成反比关系，送料小车在速度限制住的情况下进行力矩控制进行送料，当力矩未到达给定值时，送料小车速度从0一直递增至限制速度，到达限制速度后送料小车会以一恒定的力矩(小于设定力矩)前进，当送料小车力矩到达设定值时，此时速度会降至0，力矩值不会上升，也就是此时来料坯料头部已经顶住在轧坯料尾部，此时就可以从力矩控制模式停止，进行正常生产加工。[0026] 与现有技术相比，本发明方法的有益效果是，包括以下几个方面：[0027] (1)本发明方法通过对伺服电机的控制方式改进实现了上料动作的全自动，降低了人工操作失误进而产生生产事故的可能，同时简化了上料过程，提高了设备可靠性与设备生产效率。[0028] (2)本发明方法在实现上料动作全自动的同时，未新增任何检测开关与编码器。在节约成本的同时解决了原有自动上料方案中存在的检测开关位置需要调整、准确性不高、安装不便，信号易被干扰等问题。附图说明[0029] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：[0030] 图1是端上料型冷轧管机的轧辊轴承与机架简图；[0031] 图2是端上料型冷轧管机的轧辊轧制简图；[0032] 图3是端上料型冷轧管机结构主视图；[0033] 图4是伺服电机的速度曲线与力矩曲线图；[0034] 图中附图标记：[0035] 1‑机架，2‑轧辊，3‑机架滑轨，4‑开口区，5‑轧制区；[0036] 1’‑推料床身，2’‑推料小车，3’‑推料杆，4’‑推料床身后极限，5’‑推料床身后停止，6’‑推料床身前极限，7’‑推料床身前停止，8’‑芯棒卡盘，9’‑涡流检测，10’‑送料床身，11’‑送料小车，12’‑送料小车身后极限，13’‑送料小车后停止，14’‑送料小车前极限，15’‑送料小车前停止，16’‑新上坯料管，17’‑在扎坯料管，18’‑主机，19’‑芯棒杆。具体实施方式[0037] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。[0038] 本发明的一种力矩控制的自动上料方法，包括以下步骤：[0039] 步骤1、将主机机头停车至轧制区[0040] 本实施例以两辊型冷轧管机为例进行说明，其中两辊型冷轧管机主机主视图如图1所示。大型铸锻件机架1放置于机架滑轨3之上，上下两个轧辊2置于机架当中。轧辊开口曲线如图2所示，位置5较位置4间歇小，因此位置5表示轧制区，而位置4表示开口区。当轧辊运行至开口区位置时轧辊并未对坯料管挤压，因此此时可以对坯料管进行送进以及回转操作。而当轧辊运行至轧制区时，此时轧辊已将坯料管完全压死。本步骤即是通过点动主机将主机停至轧辊轧制区。[0041] 步骤2、计算最小脱棒力对应转矩[0042] 最小脱棒力是指当如图1所示的轧辊2运行至如图2所示的轧制区5位置时，如图3所示的送料床身10中的送料小车11推动坯料管且不会将坯料管顶出轧制区的最大力。[0043] 通过滚珠丝杠传动的送料小车，其转矩与力的关系如下公式所示：[0044][0045] 其中h表示送料小车走过的丝杠行程，F表示电机的输出力，M表示其输出转矩。根据上述公式可以准确计算出最小脱棒力对应的输出转矩。[0046] 步骤3、推料电机在行程范围内将坯料管送至送料床身[0047] 如图3所示，为端上料型冷轧管机结构主视图，包括推料床身1’、推料小车2’、推料杆3’、推料床身后极限4’、推料床身后停止5’、推料床身前极限6’、推料床身前停止7’、芯棒卡盘8’、涡流检测9’、送料床身10’、送料小车11’、送料小车身后极限12’、送料小车后停止13’、送料小车前极限14’、送料小车前停止15’、新上坯料管16’、在扎坯料管17’、主机18’和芯棒杆19’，所述端上料型冷轧管机为现有机构，各部件连接关系在此不做详述。[0048] 推料床身1’中安装的推料电机正转推动推料杆3’，将管坯推进至送料床身10’中。推料电机在前后极限位置安装推料床身前极限6’、推料床身前停止7’、推料床身后极限4’、推料床身后停止5’四个检测开关，推料杆正转到达行程的前停止位置。此时的行程位置会保证将坯料管推进至送料床身当中。[0049] 步骤4、推料电机反转后退[0050] 当推料电机正转至前停止位置，此时推料动作已经完成。当到达前停止位置后，推料电机反转至推料小车的后停止位置。为下一次上料操作做好准备。[0051] 步骤5、芯棒卡盘夹紧[0052] 轧机动作过程当中，需保证芯棒处于固定位置。如果芯棒在轧制过程当中出现窜动将直接导致主机负载过大停机，甚至会损伤机械结构。因此除去上料过程，芯棒需一直处于夹紧状态。[0053] 推料杆将坯料管推至送料床身当中后，通过芯棒卡盘后涡流检测判断坯料管是否已经通过芯棒卡盘。如果保证已经通过芯棒卡盘，则液压阀动作将芯棒卡盘夹紧。[0054] 步骤6、根据最小脱棒力，设置伺服驱动器的力矩限值[0055] 通过步骤2，计算出最小脱棒力对应的力矩值。该力矩值可以作为送料小车在上料过程动作当中的力矩限值。通过软件设置送料小车的伺服驱动器参数，保证在上料过程当中如果出现了力矩值过大的情况则停止动作。[0056] 步骤7、使用力矩限值下的速度控制方式，控制伺服电机将新上坯料管向机头方向动作[0057] 送料小车通过伺服电机驱动进而实现送料操作，将新上坯料管向主机机头方向动作。此时选择转矩限幅下的速度控制方式对伺服电机进行控制。之所以选择该控制方式，是由于当电机功率固定时，其电机扭矩与电机转速的关系如下所示：[0058][0059] 其中P表示电机功率，T表示电机扭矩，V表示电机转速。[0060][0061] 其中n表示电机输出转速，h表示电机的丝杠行程。因此通过公式可得电机输出转速与电机转速为线性正比关系，通过公式1可得电机输出扭矩与电机扭矩为线性正比关系。因此当电机功率固定时，电机的输出扭矩与输出转速成反比关系。[0062] 由于两者的反比关系使力矩限值下的速度控制成为可能。因此本方案使用以下控制方式。送料小车在速度限制住的情况下进行力矩控制进行送料，当力矩未到达给定值时，送料小车速度从0一直递增至限制速度，到达限制速度后送料小车会以一恒定的力矩(小于设定力矩)前进，当送料小车力矩到达设定值时，此时速度会降至0，力矩值不会上升，也就是此时来料坯料头部已经顶住在轧坯料尾部，此时就可以从力矩控制模式停止，进行正常生产加工。其中速度曲线与力矩曲线如图4所示。[0063] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

专利地区：陕西

专利申请日期：2021-11-26

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114160581B