气动轴承板形仪测量原理与应用
郝亮;邸洪双;龚殿尧;薛文林;雷银娥
【摘要】板形仪是板形控制系统的重要组成部分,它的准确性直接关系到实际板形控制效果.研究了1550单机架四辊不可逆箔材轧机气动轴承板形仪测量原理和信号处理方法.通过对电信号进行插值、平滑处理,再根据板形仪测量辊径向载荷与箔材平直度测关系得到箔材平直度测量值.该板形仪在实际生产过程中应用取得良好的效果.
【期刊名称】《轻合金加工技术》
【年(卷),期】2011(039)012
【总页数】4页(P31-33,43)
【关键词】箔材轧制;气动轴承板形仪;测量原理;信号处理
【作者】郝亮;邸洪双;龚殿尧;薛文林;雷银娥
【作者单位】东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110004;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110004;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110004;江苏苏铝有限公司,江苏徐州221007;江苏苏铝有限公司,江苏徐州221007
【正文语种】中文
【中图分类】TG333.2
板形是冷轧带材、箔材的重要质量指标，它直接影响到产品的外观以及后续加工工
艺。

对于箔材轧制过程，由于大的宽厚比，使得板形控制更为困难。

从板形控制的角度来看，板形控制系统只有将可靠的在线板形信息进行合适的处理，才能发出正确的指令控制执行机构工作。

这些在线的板形信息，就要靠板形检测装置提供。

所以，板形检测是实现板形自动控制的重要前提之一［1］。

气动轴承板形仪通过测量空气轴承中气体压力来测定带材中的压力。

该装置辊子惯性小，辊环和固定轴之间无摩擦，包角很小，不会擦伤箔材表面，特别适用于工作环境要求严格的箔材生产［2］。

1 气动轴承板形仪测量原理
1550四辊不可逆箔材轧机板形仪采用气动轴承板形仪。

测量辊面分为28个测量
区段，每段宽为52 mm。

该气动轴承板形仪测量系统的核心部件是气动板形测量辊，它由以下部件组成:止推轴承、辊环、排气喷嘴、测压孔口、芯轴和高压气室等，见图1所示。

辊环由一系列通过气膜轴承支撑在静态不锈钢芯轴上经淬火后
的高精度圆环组成，安装在利用复合干轴承材料制作的套筒中来增强与芯轴产生偶然接触时信号的可靠性。

气动轴承板形仪测量工作原理是:从高压气室通入压缩空气，经芯轴上的上下两排喷嘴进入芯轴与辊环之间的环形检测间隙中，将辊环撑起［3］。

每段辊环中对应的空心固定芯轴上安装有测压孔口，测压孔口与安装在传感器箱内的具有高集成度的气动传感器相连接，气动传感器检测出气压差，它与测量环上的载荷成正比，进而确定每个测量段的径向载荷。

图1 气动轴承板形仪检测辊结构简图Fig.1 Scheme of air bearing roller of the shape meter
箔材轧制过程中承受一定的张应力，在张应力的作用下，板形表面缺陷被掩盖起来，但此时沿带宽方向的张应力是不均匀的［4］。

根据测得的每个测量段的径向载荷计算出沿带宽方向张应力的分布。

由于箔材中的张应力沿横向分布与箔材的纵向延伸有关，可由其计算板形值，如(1)式所示:
式中:
Fr(i)—箔材对第i个测量区域径向压力值，N;
α—箔材与板形仪测量辊包角;
w(i)—第i个测量段箔材覆盖宽度，m;
i—板形仪测量区域编号;
W—箔材出口目标宽度，m;
h—箔材出口目标厚度，m;
E—箔材杨氏模量，Pa。

由(1)式知:只要测得板形辊上所受径向力，就能计算得到箔材的平直度值。

2 板形检测信号处理
板形仪测量辊每100 ms测量一组动态时间序列的板形检测信号，并采用插值与滤波同时并行时序分析，从检测信号中获得实际板形的最佳逼近［5］。

2.1 板形数据滤波
板形仪测量辊直接输出电信号，为了达到改善控制稳定性，对每个传感器信号执行平滑处理。

板形仪测量辊输出的电信号由于受到噪声和外部干扰的影响，需要对其进行平滑处理。

为了得到准确的测量值，对于板形数据的时间方向引入指数平滑处理。

该方法的实质就是既要考虑到信号测量值有关过程状态的变化信息，又要考虑它可能包含的随机误差，即不能全否定真实性［6-7］。

按照(2)式进行平滑处理:
式中:
yt，yt-1—分别表示第 t，t-1 时刻板形信号输出值;
ε—平滑系数，0.5。

1.2 电信号转化为载荷值
气动传感器将传感器输出的电压和被测量压差的标度变换采用线性转换的方法，如(3)式所示。

传感器输出电压-压力特征曲线如图2所示。

图2 传感器电压-压力特征曲线Fig.2 Voltage-load curve of transducer
式中:
x—传感器输出电压，mV;
y—测量环径向载荷，N;
yi，yi+1—传感器特征载荷值，N;
xi，xi+1—传感器特征电压值，N。

2.3 板形测量辊信号有效测量区个数确定
箔材有效覆盖板形测量辊区域个数由箔材宽度根据下式确定。

如果箔材覆盖板形测量区的百分比大于30%，则该测量区有效，并对测量值进行补偿;如果箔材覆盖板形测量区的百分比小于30%，则该测量区无效。

箔材有效覆盖测量辊如图3所示。

图3 箔材有效覆盖区图Fig.3 Effective covered area of foil
板形检测信号将完全覆盖的传感器作为有效测量区，并将测量区域箔材覆盖率超过30%进行处理。

当时，有效测量区个数为:
否则箔材有效覆盖板形仪测量辊区域个数为:
式中:
b—箔材宽度，mm;
d—测量段宽度，52 mm;—表示取整。

3 应用效果
通过对气动轴承板形仪轧制时在线实测板形和最终实际板形吻合较好，获得了良好
平直度的箔材。

在正常扎制速度500 m/min～1200 m/min条件下，轧后箔材平均平直度偏差控制在10 I以内，在稳定状态轧制时，平均平直度偏差达到2 I ［8］，取得了良好的板形控制效果，如图4所示。

图4 平均板形偏差分布Fig.4 Distribution of average flatness error
4 结束语
(1)对气动轴承板形仪测量辊结构、测量原理进行了研究，并对数据的平滑处理、电信号转化为载荷信号和板形测量辊信号有效信号测量区个数处理过程作了详细的说明。

(2)该气动轴承板形数据信号的处理方法在1550四辊不可逆箔材轧机上取得了良好的应用效果。

对其原理进行研究对于板形仪校正、板形仪设备自主化生产、提高产品质量具有重要意义。

【相关文献】
［1］王国栋.板形控制和板形理论［M］.北京:冶金工业出版社，1986:138-139.
［2］徐乐江.板带冷轧机板形控制与机型选择［M］.北京:冶金工业出版社，2007:105-107. ［3］李立丰.准工业化气动板形检测仪的开发研究［D］。

秦皇岛:燕山大学，2007:51-53. ［4］刘佳伟，张殿华，王鹏飞，等.板形测量辊输出信号处理方法的研究与应用［J］.钢铁研究学报，2010，22(2):52-56.
［5］CARLSTEDT A G，KEIJSER O.Modern approach to flatness measurement and control in cold rolling［J］.Iron and Steel Engineer，1991，68(4):34-37.
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［7］郑岗，谢云鹏，刘丁，等.板形检测与板形控制方法［J］.重型机械，2002，241(4):1-7. ［8］郝亮，邸洪双，龚殿尧，等.箔材轧机板形控制原理的研究［J］.中国冶金，2011，21(3):1-3.。