一种金属热处理工艺中的恒速度恒张力控制方法及系统 |
|||||||
| 申请号 | CN202311703408.0 | 申请日 | 2023-12-13 | 公开(公告)号 | CN117819275A | 公开(公告)日 | 2024-04-05 |
| 申请人 | 江苏康瑞新材料科技股份有限公司; 康瑞新材料科技(南通)有限公司; | 发明人 | 张忠; 朱卫; 李鹏飞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种金属 热处理 工艺中的恒速度恒张 力 控制方法及系统，所述热处理工艺的设备或系统包括开卷装置、收卷装置、热处理炉、PLC控 制模 块 和矫直装置，还包括速度 传感器 和 张力 传感器，所述速度传感器用于测量热处理物料的线速度，所述张力传感器用于测量热处理过程中物料张力，所述开卷装置和收卷装置均设置可调转速旋转 电机 和 编码器 ，通过对热处理金属物料加载恒定的张力、控制恒定的线速度，并根据电机传递函数，设计合理的速度、张力微调方法，实现恒速度恒张力控制，从而克服了传统金属热处理只控制电机 角 速度 ，忽视线速度和张力 波动 和超限对金属物料性能影响的问题，使得产品性能更加稳定、成品率更高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种金属热处理工艺中的恒速度恒张力控制方法，所述热处理工艺的设备或系统包括开卷装置、收卷装置、热处理炉、PLC控制模块和矫直装置，其特征在于，所述热处理工艺的设备或系统还包括速度传感器和张力传感器，所述速度传感器用于测量热处理物料的线速度，所述张力传感器用于测量热处理过程中物料张力，所述开卷装置和收卷装置均设置可调转速旋转电机和编码器，所述方法包括如下步骤： |
||||||
| 说明书全文 | 一种金属热处理工艺中的恒速度恒张力控制方法及系统技术领域背景技术[0003] 当前金属卷材，如钛合金条带等的热处理工艺中，放卷端金属物料经热处理炉处理后在收卷端收卷，这是一个连续动态的过程，一般只设定收卷装置的收卷装置旋转角速度，放卷端被动旋转放料，整个系统以此恒定角速度进行旋转收卷。 [0004] 该方法在起始收卷时由于收卷直径小，金属物料的实际运行线速度较小，随着收卷端物料越来越多，直径也越来越大，在恒定角速度下，物料的线速度也越来越快，也就是说不同段物料在热处理炉中的运行线速度是不同的，因而在热处理炉中的热处理的时间也是不同的，特别是起始段物料与最末段物料运行线速度差异较大，从而导致金属物料热处理效果差异也较大；另一方面传统热处理只进行恒定角速度控制，未考虑金属条带物料可能存在的扭曲变形，这也会导致金属物料热处理最终效果经常不太理想。对产品典型的性能影响包括易导致强度、韧性分布不均匀，易扭曲变形，材料拉伸截面变小等。 发明内容[0005] 针对以上问题，本发明设计了一种金属热处理工艺中的恒速度恒张力控制方法及系统，通过对热处理金属物料恒定张力、恒定线速度的联合控制，可使热处理后的金属物料性能得到保证，产品优良率大大提高。 [0006] 本发明设计的一种金属热处理工艺中的恒速度恒张力控制方法，所述热处理工艺的设备或系统包括开卷装置、收卷装置、热处理炉、PLC控制模块和矫直装置，还包括速度传感器和张力传感器，所述速度传感器用于测量热处理物料的线速度，所述张力传感器用于测量热处理过程中物料张力，所述开卷装置和收卷装置均设置可调转速旋转电机和编码器，如传统的变频电机，所述矫直装置为金属热处理常用装置，所述编码器用于测量旋转角度，通过动态角度测量可以获得角速度和角加速度量；所述方法包括如下步骤： [0007] S0、开卷及收卷装置优化，开卷装置及收卷装置空载时做电机优化(带工字轮但不带扁条)，从而获得最大角加速度αmax及转动惯量I，通过负载反馈曲线与理论负载反馈曲线对比，如波动偏差在2％以内，则认为机械传动机构满足生产要求；本步骤为准备工作，只要设备未发生明显变化，做一次即可； [0008] S1、释放物料，连接开卷装置和收卷装置，将所述物料经热处理炉两端分别连接开卷装置和收卷装置，适时启动热处理装置(一般在收卷装置启动运行前应先启动热处理装置)，使物料能够经过热处理炉的处理随着收卷装置的旋转而收卷； [0009] S2、调整矫直装置，压下校直装置并固定，此时在物料运行方向产生一个恒定的阻力F2，所述阻力的方向与运动方向相反； [0010] S3、加载静态张力，当物料从开卷装置传送至收卷装置并固定在收卷装置时，开卷装置与收卷装置施加构成拉力的反向扭矩，加载静态张力，要求静态张力实测值在张力偏差第一门限范围内，所述张力偏差第一门限是以目标张力为基准的门限范围，所述目标张力值Fm＝kbh，单位N(牛顿)，其中，k为张力控制系数，b为物料宽度，h为物料厚度，单位均为mm，当实测张力F3达到目标张力值Fm的允许偏差范围时，保持该张力； [0011] S4、调整运行速度，开卷装置和收卷装置电机从静态开始逐渐提速(从静态提速至设定值的调速过程中，张力也会出现偏差或波动，允许张力偏差或波动在张力偏差第二门限以内)，当测速传感器反馈数值与设定目标速度偏差达到速度偏差第二门限以内时认为速度达到目标值。 [0012] 进一步的，速度、张力基本到位稳定后(分别满足速度偏差第二门限和张力偏差第二门限要求)，继续进行微调使得速度和张力分别满足速度偏差第一门限和张力偏差第一门限的要求，所述速度偏差第一门限小于速度偏差第二门限。 [0013] 进一步的，收卷装置和开卷装置角速度控制方法包括基于阿基米德螺旋线方程的角速度控制方法。 [0014] 进一步的，所述恒张力控制方法包括，张力给定由PLC控制模块同时给开卷装置和收卷装置的电机变频器发送信号，以优先调节开卷装置扭矩为主，以调节收卷装置扭矩为辅，张力做跟随增加或减小，当张力传感器反馈张力达到设定目标值时停止张力粗调；判断张力波动是否满足要求若否，微调开卷装置或收卷装置，使张力波动在其均值附近，PLC输出信号保持。 [0016] 其中，α0为设定的步进调节角加速度，α0≤αmax。 [0017] 进一步的，当速度出现超限和/或张力出现超限时，采用的控制方法包括超限控制方法一或超限控制方法二。 [0018] 进一步的，所述超限控制方法一包括，当实测速度超差： [0019] S41、所述PLC控制模块发出调整指令，收卷装置电机按照“速度微调量＝速度超差量*第一比例系数k1”微调速度值，等待至速度基本稳定； [0020] S42、对比张力实测值是否超差，若张力无超差，再次比对速度是否仍然超差，都无超差则完成调节，若速度仍存在超差则继续按上一次调节量微调速度后重新比对张力是否超差；如果张力超差，则开卷装置按照“张力微调量＝张力超差量*第二比例系数k2”微调张力值； [0021] S43、再次等待一定时间，张力基本稳定后(重新对比速度是否有超差，如有超差，重复上述S41～S43过程；如速度和张力均无超差，则完成超限控制； [0022] 所述超限控制方法二包括，当实测张力超差时， [0023] S4a、所述PLC控制模块发出调整指令，开卷装置电机按照“张力微调量＝张力超差量*第二比例系数k2”微调张力值，等待至张力基本稳定； [0024] S4b、对比速度实测值是否有超差，若无超差，再次比对张力是否仍然超差，都无超差则完成调节，若张力仍存在超差则继续按上一次调节量微调张力后重新比对速度是否超差；如果速度超差，则收卷装置按照“速度微调量＝速度超差量*第一比例系数k1”微调速度值； [0025] S4c、再次等待一定时间，速度基本稳定后重新对比张力是否有超差，如有超差，重复上述S4a～S4c过程；如速度和张力均无超差，则完成超限控制； [0026] 当实测速度、张力同时超差时(均超出各自第一偏差门限)，采用超限控制方法一或超限控制方法二。 [0027] 进一步的，当实测速度、张力同时超差时，优先进行张力控制，辅助进行速度控制。 [0029] 进一步的，所述系统顺序设置开卷装置、矫直装置、张力速度测量装置、热处理炉和收卷装置，所述开卷装置、张力速度测量装置、收卷装置分别与PLC控制模块电连接，所述张力速度测量装置包括速度传感器和张力传感器，所述速度传感器用于测量热处理物料的线速度，所述张力传感器用于测量热处理过程中物料张力，所述开卷装置和收卷装置均设置可调转速旋转电机和编码器，所述热处理炉包括加热段、均热段和冷却段。 [0030] 本发明的优点和有益效果在于：本发明所设计的一种金属热处理工艺中的恒速度恒张力控制方法及系统，可以保证金属热处理过程中受热、受力均匀稳定，最终产品晶体结构均匀、变化小,无缩径问题(截面尺寸在退火前后基本无变化)，以钛合金条带热处理为例，放卷切断使用时，不再出现自主变形，产品优良率大大提高，传统方法一次热处理金属卷材约1500m，优良率约占80％，改进后优良率可达97％以上，不良品主要是起始段落和结束段落，两端直接去除即可。附图说明 [0031] 图1是一种金属热处理工艺中的恒速度恒张力控制系统连接关系图； [0032] 图2是一种金属热处理工艺中的恒速度恒张力控制方法框图； [0033] 图3是超限控制方法一框图； [0034] 图4是超限控制方法二框图。 具体实施方式[0035] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。 [0036] 实施例1 [0037] 本发明设计的一种金属热处理工艺中的恒速度恒张力控制方法，如图1所示，所述热处理工艺的设备或系统包括开卷装置、收卷装置、热处理炉、PLC控制模块和矫直装置，所述热处理工艺的设备或系统还包括速度传感器和张力传感器，所述速度传感器用于测量热处理物料的线速度，所述张力传感器用于测量热处理过程中物料张力；所述开卷装置和收卷装置均设置可调转速旋转电机和编码器，如传统的变频电机，所述矫直装置为金属热处理常用装置，所述编码器用于测量旋转角度，通过动态角度测量可以获得角速度和角加速度量；本实施例所述矫直装置采用上下错位的滚轮组实现，所述速度传感器和张力传感器一体化设计，采用三轮结构，入口是辅助轮，出口是测速轮，中间是测张力轮，速度传感器和张力传感器共置称为张力速度测量装置，所述恒张力是指恒定收卷张力，所述恒速度是指恒定收卷线速度，即保证物料在热处理炉中的张力和速度恒定，如图2所示，所述方法包括如下步骤： [0038] S0、开卷及收卷装置优化，开卷装置及收卷装置空载时做电机优化(带工字轮但不带扁条)，从而获得最大角加速度αmax及转动惯量I(传递函数参数更新用)，通过负载反馈曲线与理论负载反馈曲线对比，如波动或偏差在2％以内，则认为机械传动机构满足生产要求，本实施例直接采用变频器内置的优化软件进行测试优化；本步骤并非每次热处理都需要进行，对一套装置一般在使用前应进行一次电机优化，并获取相关参数，后续没有大的性能改变、故障维修，可以不再进行，直接使用最近一次优化结果；一般建议即使没有任何异常发生，也应定期如每半年或每年进行一次优化。 [0039] S1、释放物料，连接开卷装置和收卷装置，将所述物料经热处理炉两端分别连接开卷装置和收卷装置，适时启动热处理装置(一般在收卷装置启动运行前应先启动热处理装置)，使物料能够经过热处理炉的处理随着收卷装置的旋转而收卷； [0040] S2、调整矫直装置，压下校直装置并固定，此时在物料运行方向产生一个恒定的阻力F2，所述阻力的方向与运动方向相反； [0041] S3、加载静态张力，当物料从开卷装置传送至收卷装置并固定在收卷装置时，开卷装置与收卷装置施加构成拉力的反向扭矩，本实施例开卷装置施加向左转扭矩(逆时针)，收卷装置施加向右转扭矩(顺时针)，加载静态张力，要求静态张力实测值在张力偏差第一门限范围内，所述张力偏差第一门限是以目标张力为基准的门限范围，所述目标张力值Fm2 ＝kbh，单位N(牛顿)，其中，k为张力控制系数，本实施例取值k＝2～5N/mm，b为物料宽度，h为物料厚度，单位均为mm，当实测张力F3达到目标张力值Fm的允许偏差范围时，保持该张力，本实施例设置允许张力偏差第一门限为目标张力值的±3％，即|F3‑Fm|/Fm≤0.03；如图1所示，所述矫直装置、速度传感器和张力传感器和位于此时为静态加张状态F3＝F1+F2，其中F1为开卷张力，实测张力F3即为收卷张力； [0042] 张力控制基本方法是，张力F＝T*D＝U*K*D，其中，T为电机扭矩，D为工字轮直径，U为变频器输出电压，K为电机扭矩系数，另外张力加载速度Af，为设定值F＝Af*t，t为连续加载时长，F包括F1和F3，其他参数为相应的开、收卷装置参数。 [0043] S4、调整运行速度，开卷装置和收卷装置电机从静态开始逐渐提速(从静态提速至设定值的调速过程中，张力也会出现波动或偏差，允许张力波动或偏差控制在张力偏差第二门限以内，超出偏差范围应予以调整，本实施例设置张力偏差第二门限为目标张力值的±5％)，当测速传感器反馈数值与设定目标速度偏差达到速度偏差第二门限以内时认为速度达到目标值，本实施例速度偏差第二门限设为目标速度值的±5％，所述热处理工艺的设备或系统按照设定速度和张力对物料进行热处理直至完成；所述运行速度为物料线速度，本质上是通过调整电机旋转角速度来实现的。 [0044] 当放卷装置直径变小，转速(角速度)接近设定值ω0＝V0/(πD)时，PLC输出指令告知卷料少需要换卷，其中V0为设定线速度，π圆周率，D工字轮底径或最小卷径。 [0045] 一般变频器控制电机是通过改变输出电压、电流或频率来改变电机的状态，本实施例通过调整电压改变电机输出对应的扭矩，从而调整张力，通过调整变频器频率改变电机的转速。 [0046] 优选的，速度、张力基本到位稳定后(分别满足速度偏差第二门限和张力偏差第二门限要求)，继续进行微调使得速度和张力分别满足速度偏差第一门限和张力偏差第一门限的要求，所述速度偏差第一门限小于速度偏差第二门限，本实施例速度偏差第一门限取值为目标速度值的±4％。 [0047] 优选的，收卷装置和开卷装置角速度控制方法包括基于阿基米德螺旋线方程的角速度控制方法。 [0048] 所述基于阿基米德螺旋线方程的角速度控制方法如下：在系统运行过程中因物料收放卷时的卷径r(半径或直径，本实施例用半径计算)变化遵从阿基米德螺线方程，即[0049] r＝a+cθ [0050] 其中a为卷绕起点到极坐标原点的距离，是个常数；c＝h/(2π)为螺旋线每增加单位角度r随之对应增加的数值，即角度每转一周增加360度，半径增加物料的厚度h；θ为阿基米德螺线连续卷绕的角度，用弧度表示，其实卷绕点θ＝0，连续转2圈θ＝4π； [0051] 通过对时间微分可得线速度V与基于阿基米德螺旋线方程的角速度ω的关系[0052] V＝cθ2+(a+cθ)ω [0053] 从而有 [0054] ω＝(V‑cθ2)/(a+cθ) [0055] 即可根据恒定的线速度需求和阿基米德螺线旋转角度，实时确定收开卷装置的角速度。这里需要注意的是，由于一般的条带物料卷绕非连续的阿基米德螺线，不同层物料间遵循阿基米德螺线方程，而同一层物料可能有多圈，他们之间却是相同卷径，其角速度也是一致的。即对于同层有多圈的物料卷绕方式，其开放卷角速度控制应该是分段基于阿基米德螺旋线方程的角速度控制方法加上段间(同层物料)的同角速度控制方法。而对于每层只有一圈的卷绕方式，即卷绕是连续的阿基米德螺旋线，其控制方法就较为简单了，直接采用基于阿基米德螺旋线方程的角速度控制方法即可。 [0056] 优选的，所述恒速度控制方法包括，当物料张力调整完毕后，操作工在操作界面给定目标速度V，本实施例线速度控制以收卷速度为主，PLC同时给开收卷变频器速度指令(反之亦可)，速度按照V＝rα0t以及电机传递函数计算频率调节量、电压调节量或电流调节量，本实施例主要通过调整电机频率来调整速度，每秒给一次数据调节一次，当测速仪测得速度与设定速度一致时，则速度控制结束。 [0057] 其中，α0为设定的步进调节角加速度，α0≤αmax，本实施例取αo＝αmax/2。 [0058] 为了实现本控制方法，所述开卷装置和收卷装置应设置角度测量仪和/或角速度测量仪，本实施例分别设置编码器进行实时角度测量。 [0059] 实施例2 [0060] 与实施例1的区别在于，本实施例考虑张力微调，所述恒张力控制方法包括，张力给定由PLC控制模块同时给开卷装置和收卷装置的电机变频器发送信号，以优先调节开卷装置扭矩为主，以调节收卷装置扭矩为辅(调节扭矩可以改变张力，至少优先调节一次开卷电机扭矩未达到目标时，根据实际效果，如开卷电机扭矩已接近最大值或者明显较大时，或者已调节多次效果不明显，可以考虑调节收卷电机的扭矩，本发明所述优先调节、优先控制等可以参照此理解)，张力做跟随增加或减小，当张力传感器反馈张力达到设定目标值时停止张力粗调；判断张力波动是否满足要求，本实施例以小于均值的1％作为判断条件，若否，微调开卷装置或收卷装置，使张力波动在其均值附近，即微调张力将波动减小至1％以内，PLC输出信号保持。 [0062] 大范围调整速度时也可以区分粗调和微调两种方式及其结合。 [0063] 一般粗调、微调结合是在施加静态张力、启动运行时使用，运行过程中出现张力或速度较大波动/超限时使用微调的方式。 [0064] 实施例3 [0065] 与实施例2的区别在于，当速度出现超限和/或张力出现超限时，采用的控制方法包括超限控制方法一或超限控制方法二，因速度和张力有一个变化的时候就会影响另外一个也发生变化，因此在控制的时候就需要将这两个参数分开控制，循环微调、逐渐逼近目标值。本发明所述超限包括波动时实测值超限，波动较大时，一般采用微调的方法，即降低频率、电压或电流的步进量，调整张力和/或速度，本实施例按照开卷装置优先控制张力、收卷装置优先控制速度来实施。 [0066] 优选的，如图3所示，所述超限控制方法一包括，当实测速度超差(超出目标速度允许范围，本实施例取速度偏差第一门限值)： [0067] S41、所述PLC控制模块发出调整指令，收卷装置电机按照“速度微调量＝速度超差量*第一比例系数k1”微调速度值(实际是PLC根据速度微调量和电机传递函数微调变频器频率)，本实施例k1＝50％；由于速度调整时必然会影响张力变化，需等待一定时间，一般等待至速度基本稳定(本实施例在速度微调5s后基本稳定)； [0068] S42、对比张力实测值是否超差(超出目标张力允许范围，本实施例取张力偏差第一门限值)，若张力无超差，再次比对速度是否仍然超差，都无超差则完成调节，若速度仍存在超差则继续按上一次调节量微调速度后重新比对张力是否超差；如果张力超差，则开卷装置按照“张力微调量＝张力超差量*第二比例系数k2”微调张力值(实际是PLC根据微调张力微调量和电机传递函数微调电机电压或电流)，本实施例k2＝30％； [0069] S43、再次等待一定时间，张力基本稳定后(本实施例在张力微调5s后)重新对比速度是否有超差，如有超差，重复上述S41～S43过程；如速度和张力均无超差，则完成超限控制，图示中用两个菱形块来表达张力是否超差的判断，本质上是一件事情，只是为了将速度和张力均不超差这种情况表达出来而这样绘制程序框图； [0070] 所述超限控制方法二包括，当实测张力超差(超出目标张力允许范围，即超限过大，本实施例取张力偏差第一门限值)时，如图4所示， [0071] S4a、所述PLC控制模块发出调整指令，开卷装置电机按照“张力微调量＝张力超差量*第二比例系数k2”微调张力值，实际是PLC根据张力微调量和电机传递函数微调电机电压或电流)，本实施例k2＝30％，等待至张力基本稳定(本实施例在张力微调5s后基本稳定)； [0072] S4b、对比速度实测值是否有超差(超出目标速度允许范围，本实施例取速度偏差第一门限值)，若无超差，再次比对张力是否仍然超差，都无超差则完成调节，若张力仍存在超差则继续按上一次调节量微调张力后重新比对速度是否超差；如果速度超差，则收卷装置按照“速度微调量＝速度超差量*第一比例系数k1”微调速度值(实际是PLC根据速度微调量和电机传递函数微调变频器频率)，本实施例k1＝50％； [0073] S4c、再次等待一定时间，速度基本稳定后(本实施例在速度微调5s后)重新对比张力是否有超差，如有超差，重复上述S4a～S4c过程；如速度和张力均无超差，则完成超限控制；所述控制方法二与控制方法一的区别主要在于张力与速度互换、收开卷装置互换，微调量根据各自设定比例进行。 [0074] 当实测速度、张力同时超差时(均超出各自偏差第一门限)，采用超限控制方法一或超限控制方法二。 [0075] 如果调整策略为收卷装置优先控制张力、开卷装置优先控制速度，所述超限控制方法一与超限控制方法二只需将装置对象做适应性改变，基本原理、方法步骤不变。 [0076] 优选的，当实测速度、张力同时超差时，优先进行张力控制，辅助进行速度控制，如超限控制方法二。该设计主要考虑到速度变化主要影响物料在热处理炉中的热处理时间，对物料性能的影响并不是马上体现的；而张力却是通过影响物料内部组织结构从而直接影响物料的性能，所以优先调整张力可以降低超限对物料性能的影响程度。若速度、张力二者超限范围均不大，调节先后顺序的实际影响并不明显。 [0077] 实施例4 [0078] 与实施例3的区别在于，本实施例按照收卷装置控制张力、开卷装置控制速度来实施。 [0079] 实施例5 [0080] 一种金属热处理工艺中的恒速度恒张力控制系统，所述系统采用实施例1至4中中任意一项所述的一种金属热处理工艺中的恒速度恒张力控制方法，或其优选的组合方法。 [0081] 优选的，所述系统顺序设置开卷装置、矫直装置、张力速度测量装置、热处理炉和收卷装置，所述开卷装置、张力速度测量装置、收卷装置分别与PLC控制模块电连接，所述张力速度测量装置包括速度传感器和张力传感器，所述速度传感器用于测量热处理物料的线速度，所述张力传感器用于测量热处理过程中物料张力，所述开卷装置和收卷装置均设置可调转速旋转电机和编码器，所述热处理炉包括加热段、均热段和冷却段。 [0082] 本发明的基本原理是：通过设置张力和速度监测装置，根据实时监测结果以及开卷装置和收卷装置运行的物理参数与传递函数模型，通过分步骤调节开卷装置和收卷装置，实现张力和速度向目标值趋近，从而实现金属物料以较为稳定的周期和张力完成热处理过程，使得金属内部晶体结构更加均匀、性能更加稳定，并且无缩径现象；在热处理初始化启动过程中优先设置矫直装置后加载静态张力，然后再加载速度，逐步启动至目标张力和速度，系统能够以较快的速度进入稳态，在保证产品性能的基础上也能提高效率。 [0083] 以上所述仅是本发明的部分较为系统全面的金属热处理工艺中的恒速度恒张力控制方法及系统实施例，事实上还可以直接采用微调方式速度和张力进行调节，静态启动时也可以启动过程中或启动后加载张力，动态情况下也可以先调节速度、再调节张力，尤其是张力速度均有偏差但速度偏差较大时等，这些组合或优选方案也应视为本发明的保护范围，这里不再一一列举。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈