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技术领域

本发明属于钢铁生产线的控制技术领域，涉及一种钢卷开卷自动定位辅助穿带系统及方法。

背景技术

近年来，随着钢铁行业生产效率和人工成本的提高，钢铁生产线对自动化水平的要求越来越高，但钢铁生产线中不同规格钢卷的直径、重量、宽度不一样，对穿带辅助设备定位位置也不一致，需要人工调整辅助的穿带设备。穿带时人工将穿带导板定位到送料位置进行辅助穿带，如定位位置不适合还需要人工再次调整导板定位，这造成了生产效率严重下降，因此，迫切需要穿带设备能适应不同的产品尺寸要求进行自动位置调整。

文献检索查到相关专利：2013年11月20日授权的公告号为CN 203292190 U的实用新型专利《一种张力辊自动穿带装置》，该专利局部改动原有张力辊结构形式，通过上、下弧形导轨引导带钢按照S形轨迹穿带，通过气流喷射器引导带钢从下张力辊快速的进入张力辊；通过上、下压辊压紧带钢，通过上、下张力辊施加的摩擦力驱动带钢运动，从而实现带钢自动穿带。

但是，上述专利只涉及到张力辊结构设计方面，针对自动开卷辅助穿带系统，几乎没有相关的专利涉及到。

发明内容

本发明的目的是为了解决钢铁生产线中手动开卷穿带效率低下，人工操作危险性高的问题，提供一种能实现自动定位，自动将穿带导板定位到送料位置进行辅助穿带的钢卷开卷自动定位辅助穿带系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明一种钢卷开卷自动定位辅助穿带系统，包括：开卷机、伸缩导板、摆动导板、摆动导板液压缸及其活塞杆、转向辊；在摆动导板液压缸活塞杆上设置有位置传感器即拉绳编码器(又称拉绳位移传感器)，摆动导板液压缸使用比例阀实现无极调速，可以精准控制调速曲线，实现摆动导板目标位置的准确定位；在伸缩导板的前端安装有光电式接近开关，当伸缩导板伸出检测到钢卷时，伸缩导板停止伸出。

所述的钢卷开卷自动定位辅助穿带系统，还包括：入口钢卷车、升降编码器、钢卷外径测量传感器；钢卷外径测量传感器包括三对光电式光栅，即光栅AA′、光栅BB′、光栅CC’；在入口钢卷车上设有升降编码器；三对光电式光栅固定布置于入口钢卷车区域的支架上，与入口钢卷车配合一起测量钢卷外径；通过入口钢卷车上的升降编码器和三对光电式光栅，可实现对钢卷外径的测量及计算；通过计算出的钢卷外径数据，就可用于实现上卷时的自动高度对中。

所述的钢卷开卷自动定位辅助穿带系统，还包括准备站部分：准备站鞍座、准备站旋转地辊、准备站穿带导板一、准备站转向辊、准备站穿带导板二、准备站分切剪；在准备站穿带导板一入口处，准备站旋转地辊旁，增设有带头定位液压缸及其活塞杆，在带头定位液压缸活塞杆上设置有接近开关；通过带头定位液压缸活塞杆上的接近开关，控制系统可实现在准备站将钢卷带头位置自动调整到五点钟方向，解决人工带头预定位问题。

进一步地，所述的钢卷开卷自动定位辅助穿带系统，通过计算机控制系统实现开卷机导板自动定位辅助穿带，在计算机控制系统建立了开卷机导板自动定位辅助穿带数学模型、钢卷外径测量及计算数学模型，即计算机控制系统包括开卷机导板自动定位子系统、钢卷外径测量及计算子系统。

更进一步地，计算机控制系统还包括准备站钢卷带头位置自动定位子系统。

本发明一种利用上述钢卷开卷自动定位辅助穿带系统进行钢卷开卷自动定位辅助穿带的方法，包括下述步骤：

步骤一、新的钢卷在开卷机上卷前，通过准备站自动检查钢卷带头位置方向，通过转动准备站地辊，将钢卷带头位置调整到clock five五点钟方向；

通过转动准备站地辊，将钢卷带头位置调整到clock five五点钟方向，可以确保钢卷到开卷机上后，带头在同一个位置。准备站地辊通过一台液压马达驱动，辊径400mm。

如图1所示，通过准备站的带头定位液压缸及在液压缸活塞杆上设置接近开关，可实现准备站将钢卷带头位置自动调整到clock five五点钟方向，解决人工带头预定位问题。其操作过程如下：钢卷车将钢卷放置在准备站的鞍座1上，通过准备站的旋转地辊2正向旋转送出带头，带头沿准备站的穿带导板一6，经准备站的转向辊7调整方向后，通过准备站的穿带导板二8进入准备站的分切剪9，分切剪9完成带钢头部剪切。之后，准备站的旋转地辊2反向旋转，在钢卷带头经过带头定位液压缸4的活塞杆5时，活塞杆上的接近开关信号发生变化，因旋转地辊2旋转速度固定，控制系统经延时处理后认为钢卷带头位置已在clockfive五点钟方向，则旋转地辊2停止旋转，带头预定位过程完成。

步骤二、入口钢卷车(即钢卷自动上卷小车)将钢卷送到开卷机上进行上卷的同时，钢卷外径测量及计算子系统通过钢卷外径测量传感器和升降编码器测量，并通过计算模型计算出实际钢卷外径R；开卷机根据计算出的实际钢卷外径数据，进行上卷时的自动高度对中。

系统依靠入口钢卷车上的升降编码器和三对光电式光栅实现测量钢卷外径的过程，三对光电式光栅固定布置于入口钢卷车区域的支架上，与入口钢卷车上的升降编码器配合一起测量钢卷外径，通过控制系统的钢卷外径测量及计算子系统计算出的钢卷外径数据，就可用于实现上卷时的自动高度对中。

钢卷外径测量及计算子系统通过钢卷外径测量传感器和升降编码器测量，并通过计算模型计算实际钢卷外径R的方法，及数学模型(计算公式)如下(参见图2)：

Hcar钢卷车高度，其可通过升降编码器测得的数据换算得到；

Hcoil钢卷高度，即钢卷中心到钢卷车上表面最低点的高度。

光栅CC’用于校验升降编码器的读数。升降编码器当使用一段时间后，读数与最初状态会存在误差。通过校验后，升降编码器又矫正回原始读数。

当光栅BB′感应到小卷径钢卷时，H1为光栅BB′到钢卷车下表面距离：

当光栅AA′感应到大卷径钢卷时，H2为光栅AA′到钢卷车下表面距离：

钢卷外径测量及计算子系统根据上述数学模型，即可计算出钢卷外径R的数值。

步骤三、在入口钢卷车成功完成开卷机上卷后，采用开卷机进行开卷穿带，开卷机导板自动定位子系统根据计算模型计算出摆动导板摆动目标位置坐标和活塞杆伸出位置，以及伸缩导板伸出点目标位置坐标；摆动导板液压缸进行位置定位，然后，伸缩导板伸出到位完成后，开卷机电机采用爬行速度送出带头。

通过开卷机的辅助穿带导板(摆动导板和伸缩导板)和开卷机导板自动定位子系统，可实现开卷机辅助穿带导板的自动定位以及钢卷开卷自动定位辅助穿带。如图3所示，为了计算摆动导板摆动角度和液压缸伸出位置，在摆动导板液压缸16的活塞杆上安装拉绳式的线性编码器即拉绳编码器17(又称拉绳位移传感器)，摆动导板液压缸16使用比例阀实现无极调速，可以精准控制调速曲线，实现摆动导板15目标位置的准确定位。在伸缩导板14的前端安装光电式接近开关13，当伸缩导板14伸出，光电式接近开关13检测到钢卷11时，伸出停止。

开卷机导板自动定位子系统内含计算模型的具体计算过程如下(参见图3、图4、图5)：

(1)伸缩导板伸出点目标位置坐标Le(Xe,Ye)计算

当自动导板的摆动导板15到达预定位置，伸缩导板14经光电式接近开关13检测到钢卷11时，伸缩导板14伸出停止。

Xe＝Lco*cos(a+b-c)

Ye＝Lco*sin(a+b-c)

其中：

线长Lco＝R,R为钢卷外径，已由步骤二钢卷外径测量及计算子系统计算得出；

角度a，

Lab是转向辊半径，为已知；

转向辊中心点A的位置坐标为La(Xa,Ya)，为已知；

线长Lao，

角度b，

角度c，Lde是伸缩导板伸出目标点E点与带钢之间的垂直距离，为已知。

(2)摆动导板摆动目标点位置坐标Lg(Xg,Yg)和摆动导板液压缸活塞杆伸出位置Lgn计算

图3中PJGMF为导板结构，为使得伸缩导板最终伸出点P接近于伸缩导板伸出点目标位置坐标Le(Xe,Ye)点，先计算得到摆动导板的摆动目标点G的位置坐标Lg(Xg,Yg)，则摆动导板液压缸活塞杆的伸出位置Lgn也能计算出来。图5中，导板支座1位置坐标Lf(Xf,Yf)，导板支座2位置坐标Lm(Xm,Ym)已知。线长Lfh，Ljg，Lhj为导板结构相关尺寸(Ljg是两个导板的中心点之间的距离；Lfh是F点到H点的距离；Lhj是H点到J点的距离，即PJ的延长线到达H点的距离)，因此为已知长度。

摆动导板液压缸伸出后，摆动导板摆动目标点G点的位置坐标Lg(Xg,Yg)计算如下：

Xg＝Xf-Lfg*cos(g)

Yg＝Yf-Lfg*sin(g)

其中：

角度g：g＝f-e；

角度f：

角度e：

线长Lfg：

线长Lef：

摆动导板支座F点的位置坐标为Lf(Xf,Yf)，为已知；

Lfh是从摆动导板支座F点到其与伸缩导板的延长线的垂直相交点H点的距离，为已知；

Lhj是从H点到伸缩导板上与摆动导板相接处的中心点J点的距离，为已知；

Ljg是在伸缩导板和摆动导板相接处两个导板的中心点之间的距离，为已知；

计算出线长Lfg即从摆动导板支座F点到摆动导板摆动目标点G点的距离；

计算出线长Lef即从伸缩导板伸出目标点E点到摆动导板支座F点的距离；

再计算出摆动导板摆动目标点G点的位置坐标Lg(Xg,Yg)，则摆动导板的摆动角度可定位；摆动导板的摆动角度定位完成后，可计算出摆动导板液压缸的活塞杆伸出位置Lgn，计算模型如下：

其中：线长Lmn,是摆动导板液压缸的长度，为已知；

摆动导板液压缸的固定支座M点的位置坐标Lm(Xm,Ym)，为已知。

导板自动定位子系统根据上述计算模型，即可计算出摆动导板摆动角度即摆动导板摆动目标点位置坐标Lg(Xg,Yg)和摆动导板液压缸活塞杆伸出位置Lgn；根据计算出的摆动导板摆动目标点位置坐标Lg(Xg,Yg)和摆动导板液压缸活塞杆伸出位置Lgn，启动摆动导板液压缸进行定位；摆动导板液压缸使用比例阀实现无极调速，控制活塞杆准确完成定位。摆动导板液压缸活塞杆完成定位，即摆动导板到达了预定位置；摆动导板到达预定位置后，伸缩导板再按如下方法进行定位：伸缩导板伸出到伸缩导板伸出点目标位置坐标Le(Xe,Ye)，经光电式接近开关检测到钢卷时，伸缩导板伸出停止。

该步骤三中，所述的开卷机导板自动定位子系统的工作过程如下(如图6所示)：

(1)开卷机涨径(即开卷机中心卷筒涨开，将钢卷卡紧在开卷机上)；(2)钢卷小车退到安全区域；(3)钢卷外径测量及计算子系统数据发送到导板自动定位子系统；(4)伸缩导板伸出点目标位置坐标Le(Xe,Ye)计算；(5)摆动导板摆动目标点位置坐标Lg(Xg,Yg)计算；(6)摆动导板液压缸活塞杆伸出位置Lgn计算；(7)摆动导板液压缸活塞杆伸出，到达预设位置；(8)伸缩导板伸出，到达预设位置；(9)进入步骤四；(10)摆动导板液压缸活塞杆复位，伸缩导板复位。

步骤四、开卷机电机旋转将钢卷带头送入生产线，通过自动定位后的摆动导板和伸缩导板对钢卷带头进行定位控制，继续将钢卷带头定位到上压辊位置；压辊压紧后，开卷机建立微张力，继续送带钢到生产线的入口剪，开卷过程完成。

本发明的有益效果：

本发明通过增加相关辅助穿带设备及检测系统，实现了钢卷开卷自动定位辅助穿带系统。首先，增加准备站带头定位液压缸及在液压缸活塞杆上设置接近开关，实现准备站将钢卷带头位置自动调整到clock five五点钟方向，解决人工带头预定位问题。然后，通过开卷机伸缩导板、摆动导板及设置位置传感器和接近开关，在控制系统建立开卷机辅助导板穿带数学模型，通过程序实现导板自动定位过程。

本发明通过增加相关辅助穿带设备及检测系统，实现了钢卷开卷自动定位辅助穿带系统，解决了钢铁生产线中手动开卷穿带效率低下，人工高操作危险性的问题。

本发明的技术主要围绕钢卷的自动开卷辅助穿带系统，具有成本低但改善效果非常明显的特点，具有重要的推广价值，可以向各钢厂生产线推广。