焊管．第３３卷第５期・２０１０年５月
●工艺与设备
新型精密管材矫直机
矫直辊角度检测机构
陈 峰，蔡军党，赵永平，汪恩辉，张 超，黄维勇
（西安重型机械研究所，西安７１００３２）
摘要：介绍了一种新型精密管材矫直机角度检测机构，该检测机构在对矫直辊角度原点值
进行标识后，能够准确地检测、控制矫直辊角度，从而有效地保证了矫直精度。该机构的设计
不仅能够减轻工艺调整强度，回避矫直机的加工缺陷，而且有利于提高被矫管材的矫直质量，
避免矫直缺陷。
关键词：管材；矫直机；矫直辊角度 中图分类号：ＴＧ３３３．２文献标志码：Ｂ文章编号：１００１－３９３８（２０１０）０５—００５３—０３
Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ Ｒｏｌｌｅｒ Ａｎｇｌｅ
ｏｆ Ｎｅｗ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｔｕｂｅ Ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ
ＣＨＥＮ Ｆｅｎｇ，ＣＡＩ Ｊｕｎ—ｄａｎｇ，ＺＨＡＯ Ｙｏｎｇ—ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｅｎ—ｈｕｉ。ＺＨＡＮＧ Ｃｈａｏ，ＨＵＡＮＧ Ｗｅｉ－ｙｏｎｇ
（Ｘｉ’ａｎ Ｈｅａｖｙ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ ７１００３２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ－Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｅｓｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｒｏｌｌｅｒ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｎｅｗ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｔｕｂｅ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ，ｉｔ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｄｅｔｅｃｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｒｏｌｌｅｒ ａｎｇｌｅ，ａｎｄ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｒｅ－ ｅｉｓｉｏｎ ｉｎ ｃａｓｅ ｏｆ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｒｏｌｌｅｒ ａｎｇｌｅ ｏｒｉｇｉｎ ｐｏｉｎｔ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｒｅｑｕｅｓｔｅｄ．Ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ａｖｏｉｄ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｆｅｃｔ。ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ａｖｏｉｄ ｄｅｆｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｂｕｌａｒ ｇｏｏｄｓ；ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ；ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｒｏｌｌ ａｎｇｌｅ
０前言
管材矫直机的主要作用是提高被矫管材的直
线度和圆度。众所周知，矫直辊的角度和矫直机
反弯量的调节是影响矫后管材直线度和圆度的主
要因素。反弯量的调节依据矫直机反弯辊数量的
不同，限于一个或两个辊子之上。矫直辊角度的
调节涉及到矫直机的每个辊子，且随着反弯量的
不同或是为了规避矫直机的加工制造缺陷，往往
打破所有辊角度应一致的理论要求，对个别辊进
行调节。其调节量不大，但很敏感，因此要求调角
检测和控制系统有较高的精度。例如，反弯量增
大之后，为了追求接触线的统一，往往将反弯辊前
后的两组辊子的角度值和反弯辊的角度值调得偏 大一些（当前的经验值最大约为０．８。），由此可
见，能否准确检测矫直辊当前角度并进行精确调
节，对于保证矫后管材的几何尺寸精度意义十分
重大。
精密管材矫直机（指直线度≤０．５ ｍｍ／ｍ），
具有矫直辊数量多，辊子理论中心易偏差，矫直辊
角度和反弯量调节敏感，适宜采用转毂式调角结
构等特点。因此，提高精密管材矫直机矫直辊角
度的显示和调节的准确性意义重大。当前普遍使
用的转毂式精密管材矫直机调角机构在调角过程
中保证角度的准确性存在较大缺陷，主要表现在：
①检测机构的运动量和矫直辊角度的实际转动量
不呈线性比例关系；②无法通过上位机精确地对
有加工制造缺陷的矫直辊进行基本角度补偿；
・５４・ 焊 管 ２０１０年５月
③原点和极限位置的指示不精确，随着标定次数
的增多会逐次降低角度指示的精度。上述３方面
问题已经成为影响精密矫直机矫直质量的重大 难题。
过去，小规格机组一般采用手动调节及标尺
显示矫直辊实际角度的方法。这种方法在手动调
节的机组上有效，但对于大规格及工艺参数自动
调整的机组，标尺显示只能作为一个参考量。
２００８年６月，西安重型机械研究所在为某厂研制
的４，２５０ ｍｍ机组上，撇弃角度检测的传统思路，
由检测调角传动机构的运动量推算矫直辊的转动
量，转变为由矫直辊的实际转动带动检测机构转
动，通过求解该检测机构的转动量，推算出矫直辊
的实际转动量。基本思路为：矫直辊转动一浮动
蜗轮蜗杆传动一编码器发出脉冲一上位机处理、
显示当前角度。运用此传动思路并在矫直机设备
制造阶段标识出矫直辊角度原点，使矫直辊的角度
检测结果准确性大大提高。该矫直机运行一年多
来，情况良好，角度调节理论精度可达０．Ｏ１。，完全
满足了精密矫直机对角度调节精度的要求。该检
测机构以及设备制造厂标识矫直辊角度原点的方
法可为今后新建精密矫直机组提供一定的参考。
１转毂式精密矫直机组成及其矫直辊调
角机构
４，２５０ ｍｍ十辊转毂式精密管材矫直机主机如
图１所示，主体设备由上固定梁、下固定梁、矫直
辊、转毂装配及其他附属部件组成。上、下固定梁
通过施加预应力的８根立柱组合成为一体。１Ｏ
个矫直辊和转毂装配５个为一组，分上、下两组安
装于上、下固定梁上。矫直辊通过螺栓和转毂联
结，调角机构通过驱动转毂的正、反转运动，实现
矫直辊角度的调节。初始矫直辊相对于矫直机中
心线的较小角度为该矫直机的初始设计角度，是
今后矫直机使用过程角度调节的参考原点。由于
初始角度受机械加工和装配精度的影响，若能在
加工过程中对初始角度进行标识，并在总装配阶
段对初始标识进行核实、修正，则对于提高设备运
行过程中角度调节的准确性有相当大的意义。
图２所示为转毂及其角度调节装置的剖面
图，转毂中心两侧有两个半圆形长条，调角丝杠的 上矫直辊和 转毂装配 上固定梁 ｔ 厂－］一厂－］一ｒ一］一厂］一＼ｒ－］ ｛
）
Ｆ— １ ｒ— Ｆ— ＼ ＼ 、 Ｊ
立柱 下矫直辊和 下固定梁 转毂装配
图１ ４，２５ｏ ｍｉｌｌ十辊转毂式精密矫直机主机示意图
图２转毂及其角度调节装置的剖面图
头部顶在其中一侧半圆形长条的平面上，另一侧
半圆形长条的平面上顶有一个柱塞缸杆。随着调
角丝杠在电机驱动下的前进，转毂会绕其中心顺
时针转动，调角丝杠在前进的同时柱塞缸泄压，柱
塞缸杆在转毂的转动下退回，实现矫直辊角度设
定为增大的调节；当调角丝杠在电机的驱动下后
退时，柱塞缸杆在较低的压力（一般工作压力的
１／３）下前进，使转毂发生逆时针转动，实现矫直
辊角度减小的变化。每次调节完毕，柱塞缸加压，
恢复正常工作压力，柱塞缸杆将转毂顶紧，实现角
度的锁定，保证在矫直机工作过程中，矫直辊角度
保持恒定。
传统的角度检测机构安装于调角丝杠的末
端，通过检测调角丝杠前进或后退时产生的位移
所驱动旋转编码器产生的脉冲数，求出矫直辊旋
转的角度。事先必须求出矫直辊每旋转１。时旋
转编码器产生的脉冲数，这一数值称为转动当量。
在调角的过程中检测到编码器转动的脉冲数后，
和转动当量比对（通过上位机）即可求出当前的 第３３卷第５期 陈峰等：新型精密管材矫直机矫直辊角度检测机构
角度转动量。当前的角度转动量和原点角度相叠
加，即为当前的角度值。由图２可知，调角丝杠位
移和矫直辊的角度转动量不呈线性比例关系，即
转动当量的求解值为一个近似值。因此，这种方
法不能精确检测和控制矫直辊的角度。
２线性检测机构
角度检测机构是通过检测丝杠调整机构的位
移量驱动编码器的旋转脉冲数，和转动当量比对
来求出角度转动量，而线性检测机构将其转化为
直接检测转毂转动的角度量。通过转毂转动，驱
动蜗轮、蜗杆转动带动旋转编码器，将旋转编码器
旋转脉冲数传递给上位机，从而显示和控制矫直
辊的角度。这种方法的优越性在于：传动链短，累
积误差小、各部件的运动关系为线性比例关系；转
动当量为实际转动关系的真实计算结果，传动精
度高，易于用上位机进行检测和控制角度。
线性检测机构如图３所示，蜗轮、蜗杆安装于
转毂之上，转毂在调角丝杠的驱动下转动，带动蜗
轮、蜗杆转动，由蜗杆轴驱动旋转编码器转动。不
计传动系统的误差，将该传动系统的传动精度设
计为０．Ｏ１。，配置蜗轮、蜗杆的齿数和头数，将转
毂０．Ｏ１。的转动量整数倍地反映在蜗杆的转动
上，这样有利于保证系统的精度。根据文献［１］
的相关计算公式，可计算出＋２５０ ｍｍ十辊转毂式
精密管材矫直机的蜗轮、蜗杆参数。
图３线形检测机构结构示意图
将传动精度设计为０．Ｏ１。，主要受调角驱动电
机的影响。为了控制整机成本，本调角电机选用了
带抱闸的普通电机，由于在上位机给出电机停止信 号到抱闸启动，再到抱闸抱紧的过程中，丝杠还有
微小的前进或后退位移。因此，若传动精度要求过
低，会增加累积误差，最终会影响调角精度。
３矫直辊角度原点值的标识
原点值的标识是决定矫直辊当前实际角度的
一个参考基准，原点值标识的准确与否，直接影响
到当前实际角度的可靠性。因此，一个精确的矫
直辊角度检测与控制系统正常运行的前提条件是
矫直辊角度原点值的标识必须准确。
目前，精密管材矫直机矫直辊的原点值标识
是在生产现场根据矫直机的中心和规格进行标识
的，由于受到条件的限制，不能准确得到原点值的
标识，往往标识点和理论点相差较大，最大可能达
到１．５。，严重影响到个别矫直辊的工作。原点值
的标识主要受到以下几个因素的影响：①设备加
工精度；②装配精度；③人工观察矫直辊和样管接
触线长短的误差；④反弯辊调零的误差。综合上
述４个因素，生产现场标识的难度较大，准确性不
高是显而易见的。
＋２５０ ｍｍ十辊转毂式精密管材矫直机将矫直
辊角度原点值的标识工作由生产现场改为在设备
制造厂进行。针对上述设备加工精度和反弯辊调
零误差的影响，采用在上、下固定梁加工参考基准
面和基准刻线的方法，其精度由数控机床的精度
决定。装配精度的影响主要指矫直辊中心线和主
机理论中心线的装配精度，采用改进形式的矫直
辊装配机构，使矫直辊可以轴向抽动。采取以上
措施后，＋２５０ ｍｍ十辊转毂式精密管材矫直机矫
直辊角度原点值的标识已相当准确，完全可以满
足工业生产的需要。
４应用中需要解决的问题
４．１转毂的随动性设计 被检测的转毂不仅应有旋转调整角度的功
能，而且要有在压下丝杠带动下升降的功能，以保
证矫直机规格范围内不同直径管材矫直的要求。
因此要检测其角度，必须使蜗轮、蜗杆系统随
其升降或在其升降的过程中保持角度不发生变
（下转第５９页）