用于非晶薄帶制備的輥嘴間距自動調節(jié)系統(tǒng)

An automatic roller-nozzle adjusting system for the production of amorphous thin ribbons

王 韜，李大寨WANG Tao， LI Da-zhai（北京航空航天大學機器人研究所，北京 100191）

用于非晶薄帶制備的輥嘴間距自動調節(jié)系統(tǒng)

An automatic roller-nozzle adjusting system for the production of amorphous thin ribbons

王 韜，李大寨
WANG Tao， LI Da-zhai
（北京航空航天大學機器人研究所，北京 100191）

介紹了一種用于大帶寬非晶薄帶制備的輥嘴間距自動調節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一種六自由度姿態(tài)調整機構，對噴嘴包進行位姿調節(jié)。同時，通過測量冷卻輥表面多點的膨脹量，間接得到噴嘴包與冷卻輥之間的狹縫分布特性。在制帶過程中，六自由度姿態(tài)調整機構隨著膨脹量的變化自動調節(jié)噴嘴包的位置與角度，使噴嘴包和冷卻輥之間狹縫保持動態(tài)穩(wěn)定。該系統(tǒng)滿足制帶的精度和實時性要求，提高了大帶寬非晶薄帶長度方向和寬度方向的厚度一致性。

非晶薄帶；多點膨脹量測量；六自由度姿態(tài)調整

0　引言

鐵基非晶薄帶生產采用平面流鑄法，熔融金屬通過噴嘴包澆鑄到高速旋轉的冷卻輥上，急速冷卻形成非晶薄帶［1］，帶材厚度為20um～30um。噴嘴與冷卻輥之間的距離（即輥嘴間距，0.3mm左右）是影響帶材厚度的關鍵因素。閻仲亭等提出了基于定點閉環(huán)控制的恒咀距控制方案［2］。在小帶寬（50mm寬）非晶薄帶生產中，該方案對輥嘴間距的調節(jié)取得了滿意效果。但在大帶寬（180mm寬）薄帶生產中，該方案不能維持輥嘴間隙沿冷卻輥軸向的均勻分布，即不能保證帶材在寬度方向上厚度一致。

本文針對大帶寬非晶薄帶的生產特點，提出了輥嘴間距測量與自動調節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用多點測量的方法，獲取輥嘴間狹縫分布特性，并自動調節(jié)輥嘴間距。

1　六自由度調整機構

非晶薄帶生產示意圖如圖1所示，圖中省略了帶材卷取機構。

在圖1所示的生產過程中，噴嘴包的調整機構大多是少自由度的，缺少俯仰和側傾角度調整功能，所以不能對輥嘴間的狹縫不對稱度自動調節(jié)。本系統(tǒng)使用一個六自由度機構對噴嘴包進行姿態(tài)調整，如圖2所示。該機構采用混聯(lián)形式，剛度大，調整精度較高。

噴嘴包調整時，其位姿受調整機構各個運動關節(jié)的影響。參考機構簡圖（圖3），根據(jù)機構運動副，其調整原理為：

圖1　非晶薄帶生產示意圖

圖2　噴嘴包六自由度調整機構

沿X、Y、Z方向的位移調整原理為：左右移動機構1可以實現(xiàn)Z向的位移調整；豎直移動機構3和4同時同向移動可以實現(xiàn)調姿機構Y向位移的調整；前后移動機構5和6同時同向移動可以實現(xiàn)調姿機構X向位移的調整。

繞X、Y、Z方向的轉動調整原理為：轉動機構2實現(xiàn)機構繞Z方向的轉動姿態(tài)調整；豎直移動機構3單獨移動時可以實現(xiàn)機構繞X方向的轉動姿態(tài)調整。前后移動機構5單獨移動時可以實現(xiàn)機構繞Y方向轉動姿態(tài)調整。

對多自由度機構進行運動學分析。如圖3所示，根據(jù)調整原理，利用Denavit-Hartenberg方法［3］建立機構的關節(jié)坐標系。

根據(jù)D-H參數(shù)可計算出機構的運動學方程，即末端坐標系相對于基坐標系的變換矩陣為：

式（2）～式（4）中Atan2（y，x）函數(shù)為正切函數(shù)的一個延伸，當x、 y為不同時等于0的實數(shù)，Atan2（y，x）計算得到是以原點（0，0）為起點，指向（x，y）的射線與x軸正方向之間夾角的角度?？刂葡到y(tǒng)采用式（1）～式（7）能進行精確的運動學解算。

2　輥嘴間距測量

2.1傳感器安裝位置與測量誤差分析

非晶薄帶在制備過程中，噴嘴包與冷卻輥之間的狹縫間距?。?］，并且噴嘴包與冷卻輥之間流淌著高溫熔融金屬液體，很難安裝測量裝置，直接對輥嘴間距進行測量難度大。很多論文及專利對輥嘴間距的測量方法進行過研究［2，5］。

本系統(tǒng)采用間接測量的方法，如圖4所示。

圖3　六自由度調整機構簡圖

非晶薄帶制帶過程中，冷卻銅輥受熱膨脹嚴重，本系統(tǒng)采用的冷卻輥直徑為1600mm，半徑膨脹量達到1mm，所以必須對噴嘴包進行調節(jié)使狹縫保持穩(wěn)定。噴嘴包采用耐火材料制作，并且注入鋼水之前要先經(jīng)過預熱處理，其在整個的制帶過程中溫差變化較小，可以忽略噴嘴包膨脹對輥嘴間距的影響。系統(tǒng)對冷卻輥的膨脹量進行測量，間接得到輥嘴間距的變化。

圖4　間隙測量側示圖

冷卻輥正上方為工作部位，所以不能在該位置安裝傳感器，傳感器實際安裝位置與豎直方向呈θ角，位置固定。測量采用非接觸式距離傳感器。為避免制帶過程中傳感器與銅輥工作表面接觸，同時也避免調整機構與傳感器安裝架的碰撞，傳感器的安裝時應預留足夠空間。

由于測量位置與實際工作位置不同，對冷卻輥的膨脹量測量有原理性誤差［6］，該誤差主要由制帶過程中冷卻輥徑向圓跳動引起的。徑向跳動具體可以分為水平方向軸線跳動xΔ 和豎直方向的軸線跳動 yΔ。計算得到測量方案帶來的測量原理性誤差為：Δ≤0.0033mmmm，該值在允許范圍之內，即間接測量滿足系統(tǒng)要求。

2.2狹縫分布特性測量

在大帶寬非晶薄帶的生產制備中，噴嘴包與冷卻銅輥之間形成一個狹長的細縫，該縫隙的分布特性會影響帶材寬度方向的厚度分布。冷卻輥內部有冷卻水路，冷卻水從一側進另一側出；冷卻輥只有中間一部分圓柱面與熔融金屬接觸。這些因素導致冷卻輥表面膨脹是不均勻不對稱的［7］。這是造成非晶薄帶寬度方向厚度差異的主要原因。從噴嘴包與冷卻輥之間的狹縫控制角度出發(fā)，讓狹縫在制帶過程中保持穩(wěn)定是帶材厚度一致性的必要條件。

為了實現(xiàn)該控制目標，需要對狹縫的分布進行測量，本方案采用多傳感器同時測量的方案，如圖5所示。

由表達式（8）可知，當θ角越小時，原理性誤差越小，所以傳感器的安裝應該盡可能的靠近中心位置。本系統(tǒng)θ角為20°，冷卻輥徑向圓跳動小于0.01mm，則

圖5　間隙測量正視圖

測量裝置中現(xiàn)采用了三個距離傳感器，根據(jù)實際需要可以合理的增加。三個傳感器中傳感器2安裝在中心位置，傳感器1與傳感器3對稱的安裝在兩側，距中心為70mm。三個傳感器分別對制帶的左中右位置冷卻輥膨脹量進行測量。通過對三個傳感器的數(shù)據(jù)處理可以得到可靠的狹縫間隙值和不對稱度。

3　輥嘴間距自動調節(jié)系統(tǒng)硬件軟件組成

整個系統(tǒng)的硬件構成如圖6所示，工控機通過數(shù)據(jù)采集卡采集距離傳感器數(shù)值，經(jīng)過處理后經(jīng)由RS232串口將控制量發(fā)送至三菱PLC，PLC運動控制模塊將控制脈沖發(fā)送至六個三菱MR-J4系列驅動器，驅動器驅動HG-SR伺服電機運轉，通過調姿機構實現(xiàn)對噴嘴包的調節(jié)。

圖6　控制系統(tǒng)結構圖

考慮惡劣工業(yè)環(huán)境和安全性等因素，將控制系統(tǒng)劃分為上位機和下位機兩個部分。上位機運動解算復雜、運算量大，故采用工控機，其PCI接口上安裝有數(shù)據(jù)采集卡。上位機完成數(shù)據(jù)處理并計算電機調整量后，通過串口將指令發(fā)送至下位機。下位機以高性能PLC為核心，PLC基板上安裝多個運動控制模塊，實現(xiàn)對伺服電機的定位控制。基板上還安裝有通訊模塊，連接上位機

【】【】和操作屏。通過操作屏能對各個電機進行手動控制。以PLC作為核心控制單元滿足工業(yè)現(xiàn)場對穩(wěn)定性的要求。在系統(tǒng)運行過程中，隨時可以通過操作屏進行人為緊急干預，手動調節(jié)噴嘴包位姿。

系統(tǒng)完成噴嘴包與冷卻輥之間的狹縫間距測量后，根據(jù)圖7的邏輯關系進行自動調整。

圖7　系統(tǒng)控制邏輯圖

為了防止噴嘴包的抖動，完成傳感器數(shù)據(jù)采集后要進行濾波處理，使得數(shù)據(jù)平滑。若傳感器數(shù)值出現(xiàn)持續(xù)不合理變化，系統(tǒng)報錯。為使膨脹量τ的計算更合理，采用3個傳感器測量值加權求和的方式得到最終膨脹數(shù)值。若膨脹量增加，噴嘴包上調；若膨脹量減小，噴嘴包下調。膨脹量不對稱度通過左右傳感器取差值的方式得到。若左側膨脹量增加，噴嘴包就向右傾斜；反之亦然。

4　結論

系統(tǒng)采用六自由度調整機構使得噴嘴包的任意自由度都可以進行調節(jié)。通過冷卻輥表面的多點膨脹量測量，間接得到了噴嘴與冷卻輥之間的間隙分布特性。在非晶薄帶制帶過程中，隨著膨脹量的變化，六自由度調整機構自動調節(jié)噴嘴包的位姿，使噴嘴包與冷卻輥之間的狹縫穩(wěn)定、對稱。該方案滿足系統(tǒng)控制要求，彌補了閻仲亭等提出的恒咀距控制方案在大帶寬非晶薄帶生產中的不足，提高了非晶薄帶在長度方向和寬度方向的厚度一致性。

［1］ 馬長松，劉金學，孫煥德，等.非晶薄帶厚度控制研究進展［J］.寶鋼技術，2014（4）：47-52.

［2］ 閻仲亭，宋謙，楊海波.非晶帶材生產中的恒咀距控制［J］.冶金自動化，2001，25（2）：41-43.

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［5］ 李德仁，盧志超，周少雄，等.輥嘴間距測量方法及傳感器：中國，1266453C［P］.2004-12-08.

［6］ 汪明玲，彭碧霞.互換性與測量技術［M］.化學工業(yè)出版社，2011.

［7］ Liu H， Chen W， Liu G. Parametric Investigation of Interfacial Heat Transfer and Behavior of the Melt Puddle in Planar Flow Casting Process by Numerical Simulation［J］.Isij International，2009，49（12）：1895-1901.

TP23

B

1009-0134（2016）08-0061-04

2016-06-15

王韜（1992 -），男，安徽太湖人，碩士研究生，研究方向為自動控制技術和機器人路徑規(guī)劃。