带钢重卷机组卷取机的纠偏系统

乔顺平，赵春禾

(1.宝钢工程技术集团有限公司 上海201900;2.上海西重所重型机械成套有限公司，上海201900)

带钢重卷机组卷取机的纠偏系统

乔顺平1，赵春禾2

(1.宝钢工程技术集团有限公司 上海201900;2.上海西重所重型机械成套有限公司，上海201900)

本文针对生产中存在的如钢卷边部不齐、错边现象，影响带钢质量的问题，在设计中通过采取带钢边部自动定位伺服纠偏系统，亦即EPC(edge position control)寻边系统的卷取机纠偏系统的方法，以及改变卷取机本身的机械结构和提高张力控制精度等办法，解决了钢卷边部不齐、错边现象，取得了纠偏精度提高，带钢质量增加的预期效果。

卷取机;EPC纠偏机构;LM导轨

0 前言

近几年，随着国民经济的发展，家电行业以及汽车制造行业对冷轧薄板、镀锌板、彩色钢板的需求日益增多，国内先后建成并投产了近百条生产线，由于技术装备不同，带钢的产品质量也不尽相同，除了其它影响带钢产品质量的因素外，在卷取过程中造成的成品带钢质量缺陷，如钢卷边部不齐、错边、塔形、塌卷、表面擦伤、带头折痕等，严重影响了用户的后续使用。随着冷轧处理线技术的进步，许多钢厂通过卷取机纠偏系统提高带钢卷取质量。

1 卷取机设备组成及主要技术参数

1.1 设备组成

卷取机用于在所需的卷取张力下对带钢进行齐边卷取操作。卷取机主要由卷取机本体、压辊装置、底座、外支承、皮带助卷器及稀油润滑系统等部分组成，如图1所示。

卷取机有上卷取和下卷取两种工作方式，采用进口特种橡胶套筒减少带头压痕。卷取机本体由卷筒、齿轮减速箱、涨缩油缸、回转接头及主传动电机等组成。卷筒为悬臂涨缩式，是4块斜楔扇形块式结构，由一个胀缩液压缸带动，三位四通阀控制，主传动电机经减速箱带动卷筒转动。扇形块采用锻钢材质并经热处理，斜楔块采用铜质材质浇铸而成。压辊装置由钢结构摆臂、包胶压辊、摆动液压缸组成，用于上钢卷、卸钢卷及处理事故时压住带卷以防松卷。

底座是卷取机承重载体及实现浮动的机座，它由移动底座、移动副、固定底座和一台液压缸(EPC液压缸)组成。卷取机本体安装在移动底座上，由EPC液压缸驱动作横向移动，通过卷取机从机组中心线向操作侧或传动侧移动150 mm的行程量，实现在工作过程中使带材边缘保持一致的效果。

卷取开始前，卷筒会自动执行与机组中心线的定位操作。在卷筒的末端，机组作业线操作侧，设有供支承卷筒用的外支承。该外支承主要由支撑辊、摆臂、连杆、机架和干油润滑系统组成。利用液压缸动作带动连杆和摆臂将摆臂头部的半圆型支撑辊抬起，用以支承卷取机悬臂卷筒轴头，使卷取机卷筒轴在承受最大卷重带卷时有足够的刚度，同时克服开卷张力对卷筒轴的影响。

皮带助卷器只要求具有上助卷一种功能，采用皮带助卷方式，助卷器常安装在卷取机本体上，随卷取机一起浮动。助卷器主要由助卷架体、摆臂、皮带张紧机构、助卷皮带、油缸及辊子等组成。

稀油润滑系统由稀油泵、电机、过滤器、油流指示器、冷却器、阀类及喷嘴组成，主要用于卷取机的减速箱齿轮及轴承的润滑。

图1 卷取机配置图Fig.1 Deployment diagram of coiler

1.2 主要技术参数

橡胶卷筒尺寸/mm 610/508

卷筒的有效长度/mm 2 100

承载能力/kg Max.28 000

卷取机横移范围/mm±150

2 生产中存在的问题

在带钢生产中，影响卷取质量的因素有很多，例如，带钢卷取张力抖动、带钢横向跑偏、卷筒涨开后外圆不是真圆、卷筒中心线与机组中心线不垂直等。随着机组速度的进一步提高以及用户对卷取精度的要求由±0.5～±1 mm提高到±0.1～±0.2 mm;钢卷在运输过程中为了起吊钢卷需将钢卷立式放置，因此，对钢卷的边部对齐精度要求高，否则，带钢质量卷边现象不可避免。

3 问题分析

为了提高带钢边部卷齐精度，钢卷齐边要求允许偏移量±0.5 mm。机组在运行过程中，卷取机卷筒必须随时根据带钢的跑偏方向进行同方向的等量横移，这就要求在改进传感装置的同时，还必须通过改变卷取机本身的机械结构和提高张力控制的精度等办法，达到提高纠偏精度以满足用户的要求。

通常采用的卷取机浮动装置，即纠偏装置，是依靠液压缸来完成的，有时亦有采用电动机带动的丝杆传动机构来完成的。液压缸的浮动量是由带材实际跑偏量来决定的。从理论上说:“跑多少，移多少”。由于跑偏量变化是相当快的，移动液压缸速度亦应与之相适应，为了取得较好的纠偏效果，一般需采用跟踪随动系统，这一系统属于闭环控制系统。

4 自动定位伺服纠编系统

带钢边部自动定位伺服纠偏系统，亦即EPC(edge position control)寻边系统，是机电液一体化系统，主要由检测器、数字控制单元、位置传感器、液压控制站几部分组成。该控制系统与机组张力控制是紧密关联的，只有在机组建张后，EPC系统才能正常投入工作，即如果机组失张时或抖动时，系统就不能正常工作。

常用的EPC寻边系统有光电液和气液两种控制系统。光电液控制系统具有精度高，光电头检测距离大，系统动态特性好等优点，被广泛应用于浮动卷取机的控制系统上。气液控制系统虽然精度差，但由于设备简单有时亦被采用。

4.1 气电液控制系统

气电液控制系统是在气液控制系统基础上作了改进，即检测装置采用气嘴，把检测信号气压经过气电转换器变成电量。然后再经过电液随动阀带动执行机构(液压缸)动作。系统方框图，如图2所示。

图2 浮动卷取机控制系统方框图Fig.2 Block diagram for control system of float coiler

浮动卷取机一般采用闭环控制系统(反馈控制系统)。反馈控制系统采用位置反馈，即检测装置刚性地固结在卷取机上，与卷筒一起浮动，如图3所示。与开卷机相反，浮动卷取要求带钢在转向辊上的接触角尽可能大，以便把带钢“定住”。当卷取机卷筒移动时，带钢在转向辊上不发生相对横向移动。因此，在转向辊面上包一胶层，以增加其上的摩擦。如果卷筒与张力辊之间没有转向辊，带钢就要绕张力辊回转，尽管检测装置与卷筒一起浮动，仍然难以实现反馈跟踪。所以在浮动卷取机上，卷筒是按带钢边缘来定心的，尽可能要求不使带钢产生横向移动，所以要求增加带钢在转向辊上的摩擦阻力。

图3 浮动卷取机结构示意图Fig.3 Structure diagram of float coiler

在浮动卷取机液压控制系统中，由检测装置检测到跑偏信号以后，经过放大，传给电液随动阀。压力油经过电液随动阀进行功率放大，推动执行油缸，移动浮动卷取机卷筒，达到纠偏目的。控制过程一般采用位置反馈来实现跟踪纠偏。对浮动卷取机控制系统有三方面要求，即稳(系统稳定性)、准(系统精度，灵敏度)、快(系统快速性)。一般说来，提高放大倍数，可以提高系统灵敏度及精度。对于浮动卷取机控制系统，系统频率为1～2 Hz就可满足灵敏度的要求。为了提高系统的快速性，可提高执行油缸和惯性负荷所产生的频率。

4.2 光电液纠偏控制系统

光电液纠偏控制系统是近年来常用的一种EPC系统。国内常用的光电液纠偏控制系统采用光电传感器检测带材的边缘位置，在生产过程中当带材边缘偏离生产线正确位置时，根据传感器接收的光通量的变化，使输出电信号随之变化，变化的大小与带材的偏离程度成正比。缺点是带钢边部检测的光电传感器不但要根据板材宽度的不同需要进行横向位置调整外，还要随卷取机卷筒浮动，很容易产生故障。而且烟雾、蒸汽、灰尘等污染以及行车吊物掠过时也会影响检测光电传感器的检测精度。其优点是成本低。

国外常用的光电液纠偏控制系统的光电检测元件则与国内的不同，其光电检测元件分为发射和接收两部分，发射元件为直线阵列发光二极管，由石英钟控制扫描顺序发光，接收元件为一光敏接收器，用于检测在规定的扫描时间内发光二极管是否发光。其发射和接收光电检测元件都安装在固定支架上，不随板宽调整，也不随卷取机移动，工作可靠，检测精度高，但是成本高。

4.3 卷取机浮动机构中的LM导轨

滚动直线导轨(简称LM导轨)实质上是一种滚动摩擦副，也是一种直线运动机构，由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成，如图4所示。

纠偏系统中采用的LM导轨与滑动摩擦相比，有阻力小、响应准、磨损小、维护工作量小等明显优点。左右各1条负荷滚珠列与转动沟形成45°的接触，能够承受所有方向的载荷。当导轨与滑块在作相对运动时。钢球在滚动直线轨道中与滑块一起在4列精密研磨加工过的滚动沟槽上进行滚动，再通过球保持器与装在滑块上的端盖板，实现各列球的循环运动。为了使滑块的4个方向(径向、横向)具有相同的额定负荷，各球列被设计成45°的接触角，实现其可在各种各样的姿势中使用的目的。并且因能施加均等的预压，从而既能一边维持较低的摩擦系数，又加强了4个方向的刚性。同时，因断面高度低，对滑块的高刚性设计，从而能获得稳定的高精度直线运动。

图4 滚动直线导轨的组成Fig.4 Composition of rolling straight guide rail

滚动直线导轨副的运动精度和摩擦力是导轨副的两项突出的性能指标，其中，运动精度是指LM导轨副在工作过程中滑块体直线运动的误差情况。而摩擦力又是影响运动精度的另一个重要因素。LM导轨副摩擦系数相比滑动摩擦系数，要小得多了，动静摩擦之差也很小，既消除了滑动导轨的滑移，又能够灵活运动。

此外，滚动直线导轨副具有良好的误差均化功能。因为导轨副具有较高的自动调芯能力，导轨安装后，其基准面的误差将不会全部反映到导轨的运动误差上来，即使2根轴的安装精度没调好，也可由LM滑块将误差吸收。因此，采用LM导轨后，较低的安装精度同样能达到较高的运动精度。

因为LM导轨副装有球保持器，使球与球之间相互摩擦所引起的球磨损消失，球被均匀地排列后进行循环，金属冲突音消失，滚动摩擦阻力变动小，使运动变得平滑稳定，面压变低，发热减少，延长了润滑脂的寿命。

关于超重负载设备用的导轨副，一般选用滚柱重载直线导轨副，因为，滚柱的刚性极高，相比滚珠，可使点接触受力方式变成负载线接触受力，大大提高了负载能力。这里，为了避免滚柱之间的内部碰撞而引起的噪音，特采用滚柱链将滚柱分隔开，由于滚柱链的设置，防止了滚柱的歪斜运动，此外，滚柱与保持链之间形成的油膜接触也避免了滚柱之间的摩擦，滚柱链中存在一定量的润滑脂，又实现了长期无需维修保养的优点，并延长了使用寿命。

当然，目前重型卷取机(卷重大于15 t)，其浮动机构为降低投资成本，不少卷取机纠偏机构是采用铜滑板结构的，即卷取机卷筒和齿轮箱箱体在固定底座上前后滑动达到纠偏目的，这种设计，虽然价格相比LM导轨低廉不少，但控制精度却不如LM导轨，因为该种机构机加工有误差，安装精度不高，润滑也不畅，不具有误差均化功能，于是，卷取机本体滑动阻力很大，特别是因其动静摩擦系数差较大，很容易造成低速爬行，自然会影响卷取机的纠偏控制精度。

由此可见，为了减小卷取机的轴向阻力，采用直线导轨可将原来铜滑板的滑动摩擦变成LM导轨的滚动摩擦，大大降低了二者间的运动摩擦阻力，从而使得动、静摩擦力之差很小，随动性很好，提高了系统的响应速度和灵敏度，如图5所示。

图5 滚动直线导轨在纠偏装置中的应用Fig.5 Application of rolling straight guide rail in deviation rectification device

6 结论

通过对卷取机寻边控制应用的分析不难得出，采用带有EPC控制的卷取机浮动纠偏装置大大改善了带钢的卷取质量，而采用滚动直线导轨代替传统的铜滑板结构滑动导轨不但大大降低了卷取机轴向运动阻力，也减小了动静摩擦力之差，随动性很好，同时减小了纠偏静差，还消除了低速爬行的现象，更大程度提高了纠偏精度。

本文通过对执行机械结构本身及光电液控制系统两方面进行改进，在实际应用中使纠偏精度满足生产的要求。

［1］陈举庆.开卷机自动对中液压控制系统的设计分析 ［J］．一重技术，2001(2)．

［2］白振华.卷取过程中钢卷内部应力的计算 ［J］．上海金属，2002(2)．

［3］顾军.钢带自动对中(对边)CPC/EPC纠偏控制系统 ［J］．江苏冶金，2004(6)．

Deviation rectification system for coiler of strip steel rew inder

QIAO Shun-ping1，ZHAO Chun-he2
(1．Baosteel Engineering＆Technology Group Co．，Ltd．，Shanghai201900，China;2．Shanghai XZSHeavy Machinery Integration Co．，Ltd．，Shanghai201900，China)

In view of the problems of strip-coil edge irregularity and edgemisalignment，which affect the strip quality，an automatic positioning servo deviation rectification system i.e．EPC(edge position control)edgeseeking system is adopted in the design to change themechanical structure of the coiler and improve the tension control accuracy．The method solved the problems and improved the strip qulity and reached the expected effect．

coiler;edge position control;deviation rectification mechanism;LM guide rail

TG333.2

A

1001－196X(2012)04－0033－05

2012－04－09;

2012－06－11

乔顺平(1960－)，女，上海人，高级工程师，宝钢工程技术集团有限公司主任管理师。