一种微细丝材精密轧制系统及方法

技术领域

本发明涉及轧丝领域，尤其涉及一种微细丝材精密轧制系统及方法。

背景技术

轧制是一种金属加工工艺，将金属坯料通过旋转轧辊的间隙，使受轧辊压缩的材料截面发生变形。轧制后材料的尺寸和形状受到材料特性和轧制工艺的影响，同时还会受到设备摩擦磨损和温度变化波动的影响，并且这些摩擦磨损和温度变化通常是难以精确预计的，这给材料的精密轧制控制带来困难。

对于加工成截面为矩形的轧制工艺来讲，通常希望轧制后厚度达到规定的尺寸，并且形状平直，无波浪、翘曲等不良，这就要求对材料施加水平且均匀的轧制。为了实现这类目标，公开号为CN115090695A的专利申请公开了基于机器视觉的精轧机架间带钢尾部跑偏连续控制方法，依靠摄像单元对带钢进行检测，运用亚像素边缘检测算法获取带钢的实时跑偏量，然后通过反弯识别算法判定带钢在前一机架是否存在反弯，最后根据不同的反弯情况，对调节量值进行修正，并分别下发给精轧机。公开号为CN113710386A的专利申请公开了一种被轧制材料的蛇形控制方法，通过测定作业侧和驱动侧的轧制荷重，基于辊间推力、材料-辊间推力以及测定轧制荷重时的辊轴方向推力反作用力中的获取到的任意两个参数，来对轧制荷重差或轧制荷重差率进行校正，基于校正后的轧制荷重差或轧制荷重差率，来实施轧机的压下调平控制。公开号为CN112439793A的专利申请提供了一种基于分析板坯中心线偏差的镰刀弯控制方法，通过在轧机的前后分别安装一个镰刀弯测量仪表，利用镰刀弯测量仪表检测出板坯中心线曲线，根据中心线偏差数据曲线，判断弯曲方向和弯曲程度，计算辊缝修正量。公开号为CN112139259A的专利申请提供的是一种精轧带钢自动纠偏控制方法，通过轧制力的偏差值来计算辊缝偏差调节量。

以上这些技术在尺寸较大的板材轧制中，可以起到一定的效果，但对于一些对于丝材要求较高的领域，采用现有技术中的机器视觉法、形状测量仪无法有效识别丝材尺寸和形状的微妙变化，但这些微妙的变化确实会严重影响丝材的质量。如机械手表中的游丝，属微细丝材，横截面形状为矩形，厚度通常在0.025至0.035mm的范围内，宽度通常在0.1至0.2mm的范围内，厚度公差要求在0.5μm以内，除尺寸精度要求外，用作游丝的扁丝还要求平直无弯曲。另外，轧制力、辊间推力等力的测量，也无法有效检测出设备与材料间微小的力的变化，而这些微小的力的变化，对游丝的尺寸和形状影响也是至关重要的。在游丝轧制的具体领域，为了确保游丝所用扁丝的尺寸和形状达到要求，常规的做法是每加工一段时间，就要停机检测。这种检测包括尺寸的测量和人工判别丝材的直度，然后根据检测结果对轧辊进行调节，这导致无法实现连续的生产。如果停机检测后发现尺寸或直度偏离预设值，需要对左右轧辊单独或同时进行调节，使被轧材料经过合适尺寸轧缝的平行轧辊轧制。由于丝材的尺寸过于微小，无法直接获得丝材的横截面形状信息和轧缝偏离情况，进而无法获知轧缝的调节方向，因此，这种调节通常是盲调，需要进行多次尝试，效率极低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述无法实现连续的生产、盲调效率低的缺陷，提供一种微细丝材精密轧制系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一方面，构造一种微细丝材精密轧制方法，所述方法包括：

在轧制过程中，根据尺寸测量仪实时测量的轧机收线侧丝材的高度和宽度的尺寸计算表观截面积；

将所述表观截面积与预期截面积进行面积匹配，其中，所述预期截面积是根据预先确定的轧机收线侧丝材的形状以及所需的高度和宽度的尺寸计算得到；

当面积匹配未通过时，根据面积匹配结果调整轧机的轧辊下压量以使表观截面积与预期截面积匹配上；

当面积匹配通过时，将丝材所需的和实时测量的高度的尺寸进行高度匹配，当高度匹配未通过时，根据高度匹配结果调整轧机的轧辊下压量以使所需的和实时测量的高度的尺寸匹配上。

进一步地，在本发明所述方法中，根据面积匹配结果调整轧机的轧辊下压量时的调整方式仅为下压，且每次下压仅针对上轧辊的一端；根据高度匹配结果调整轧机的轧辊下压量时的调整方式为下压或者上抬，且每次下压或者上抬是针对上轧辊的两端同步进行。

进一步地，在本发明所述方法中，所述的根据面积匹配结果调整轧机的轧辊下压量，具体包括：

选择上轧辊的一端下压一个步长，重新计算所述表观截面积，如果所述表观截面积减小，则代表所选择的一端为目标端，否则代表另一端为目标端；

以步长为单位，逐步下压所述目标端直至所述表观截面积与所述预期截面积匹配上，其中：每次下压一个步长后重新计算所述表观截面积并将之与所述预期截面积进行比对，如果相等，则代表所述表观截面积与预期截面积匹配上。

进一步地，在本发明所述方法中，所述的根据高度匹配结果调整轧机的轧辊下压量，具体包括：

根据实时测量的丝材的高度尺寸和丝材所需的高度尺寸的大小关系逐步同时调整上轧辊两端的下压量，直至实时测量的丝材的高度尺寸和丝材所需的高度尺寸相等，其中，每一步调整时：如果实时测量的丝材的高度尺寸大于丝材所需的高度尺寸，则控制上轧辊两端同时下压一个步长；如果实时测量的丝材的高度尺寸小于丝材所需的高度尺寸，则控制上轧辊两端同时上抬一个步长。

进一步地，在本发明所述方法中，下压时的步长为0.1～0.2δ，所述尺寸测量仪的测量精度不低于0.2δ，δ代表轧机收线侧丝材高度方向的公差。

进一步地，在本发明所述方法中，所述丝材的横截面形状为矩形，所述表观截面积是由实时测量的轧机收线侧丝材的高度和宽度的尺寸相乘得到，所述预期截面积是由预先确定的轧机收线侧丝材所需的高度和宽度相乘得到。

进一步地，在本发明所述方法中，所述方法还包括：

预先确定轧制因数ke、轧制系数kp、放线侧丝材料弹性模量E1、收线侧丝材弹性模量E2、放线张力f1、收线张力f2、放线速度v1、收线速度v2，其中：

预先确定轧机收线侧丝材所需的高度和宽度的尺寸，并计算得到所述预期截面积；

调节轧辊两端的调节压杆使轧制的丝材满足截面为矩形的尺寸要求及挺直的形状要求。

二方面，构造一种微细丝材精密轧制系统，包括轧机、轧机调控器、尺寸测量仪；所述尺寸测量仪设置在所述轧机的收线侧，用于实时测量的轧机收线侧丝材的高度和宽度的尺寸并反馈给所述轧机调控器，所述轧机调控器用于执行如前所述的方法。

进一步地，在本发明所述系统中，还包括放线机、放线速度测试仪、放线速度控制器、放线张力调节器、收线张力调节器、收线速度测试仪、收线速度控制器和收线机，所述放线机、放线速度测试仪、放线张力调节器顺次设置在所述轧机的放线侧，所述收线张力调节器、收线速度测试仪、收线机顺次设置在所述轧机的收线侧，所述放线速度控制器与所述放线机、放线速度测试仪分别连接，所述收线速度控制器与所述收线速度测试仪、收线机分别连接；所述放线速度测试仪、收线速度测试仪分别测试放线、收线速度，并反馈给所述放线速度控制器、收线速度控制器以对放线、收线速度进行反馈调节，使放线、收线速度稳定在设定值；所述放线张力调节器和收线张力调节器用于设定张力值以分别实时调节放线和收线张力。

进一步地，在本发明所述系统中，所述尺寸测量仪是一台同时具有相互垂直的两个方向的尺寸测量功能的激光测量仪或者是呈垂直安装的两台激光测量仪，安装于可前后、左右移动并可旋转的支架上以便两个方向的激光角度分别与丝材的某个表面平行和垂直。

所述轧机的上轧辊的左右两端分别通过左调节压杆、右调节压杆实现上下调节，所述轧机调控器通过对轧机左调节压杆、右调节压杆的同时或单独调节实现对上轧辊的下压控制。

本发明的微细丝材精密轧制系统及方法，具有以下有益效果：本发明预先确定了轧机收线侧丝材的形状以及所需的高度和宽度的尺寸并计算预期截面积，在轧制过程中根据尺寸测量仪实时测量的轧机收线侧丝材的高度和宽度的尺寸计算表观截面积，轧制过程中优先匹配表观截面积与所述预期截面积、面积匹配通过后进一步匹配高度尺寸，无论是面积匹配还是高度匹配，只要匹配没有通过就会根据匹配结果调整轧机的轧辊下压量直至匹配上，本发明通过面积、高度的对比，作为判定丝材尺寸和形状的质量依据，与现有技术中的机器视觉、形状检测、受力测试等技术相比，具有方法简便、直接、精度高、成本低的优势，可以实现对微细尺寸和微小变化的测量，而且本发明包含了测量、对比、反馈和调节，可以实现在线的测量，相比于现有技术中停机检测、调整的方案，具有更高的稳定性和生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明实施例一的微细丝材精密轧制方法的流程图；

图2是丝材轧制示意图；

图3是收线侧丝材矩形横截面示意图；

图4是收线侧丝材梯形横截面示意图；

图5是本发明实施例二的微细丝材精密轧制系统的结构示意图；

图6是轧机的结构示意图；

图7是实施例二的测量、反馈和调整策略示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一

参考图1，是本实施例的微细丝材精密轧制方法，该方法可以由图5所示的系统来实现，该系统包括放线机、放线速度测试仪、放线速度控制器、放线张力调节器、轧机、尺寸测量仪、轧机调控器、收线张力调节器、收线速度测试仪、收线速度控制器和收线机。通过放线张力调节器和收线张力调节器设定张力值，分别实时调节放线和收线张力。放线速度测试仪、收线速度测试仪可以分别测试放线、收线速度，并分别通过放线速度控制器、收线速度控制器与放线机、收线机进行连接并反馈，调节放线机和收线机的转速，使放线速度和收线速度稳定在设定值。尺寸测量仪用来测量丝材宽度方向和高度(也即厚度)方向的尺寸。上轧辊的左右两端可以分别通过左调节压杆和右调节压杆实现上下调节，这个调节既可以通过手动执行，也可以通过轧机控制器实现自动调节。优选的，通过轧机控制器实现自动调节，可以更好的实现精密、微量的调整，并且有利于实现自动化。轧机控制器与尺寸测量仪和轧机相连，根据尺寸测量仪提供的结果进行计算和反馈，从而实现对轧机左、右调节压杆的同时或单独调节。更多系统的结构在后文的实施例二部分将详细阐述。

本实施例的方法包括：

S100：预先确定轧制因数ke、轧制系数kp、放线侧丝材料弹性模量E1、收线侧丝材弹性模量E2、放线张力f1、收线张力f2、放线速度v1、收线速度v2。

参考图2，是丝材轧制示意图，放线侧横截面积S1、收线侧横截面积S2是轧制因数ke和轧制系数kp的函数，并存在如下关系：

S

在本发明中，ke设定为与轧制量、设备刚性相关的经验因数。根据经验，ke在0.95-1.05之间，对于轧制设备和轧制量确定的情况，ke可视为定值。对于本发明，构建等截面轧制，即：

S

也即：

k

根据经验确定ke值，则根据式(3)可以计算得到：

在本发明中，设定轧制系数k

由式(5)可得：

依据式(4)确定的kp值及式(6)，设置放线速度v1、收线速度v2、放线张力f1、收线张力f2。其中放线侧的材料弹性模量E1、收线侧的材料弹性模量E2可由实验测得。

基于以上分析，在本实施例中，根据在轧机上进行材料为铁镍合金，高度在0.025～0.050mm、宽度在0.090～0.2mm范围内的轧制经验，ke在0.95-1.05之间，当轧制压缩量在40～50％左右时，ke为1。根据式(4)计算而得，kp＝1。根据材料测试，放线侧丝材料弹性模量E1为155Gpa、收线侧丝材弹性模量为152Gpa，则根据式(6)可得

S101：预先确定轧机收线侧丝材的形状以及所需的高度和宽度的尺寸h

当轧制后的材料期望为矩形横截面时，收线侧横截面积S2与矩形横截面的高h2和宽b2存在如下关系：

S

本文所言的预期截面积，即收线侧横截面积S2，是由预先确定的轧机收线侧丝材所需的高度h

在完成以上设定工作后，调试设备，通过尺寸测量和人工直度检测，使轧制出的丝材满足S101的尺寸要求，并使丝材挺直无翘曲、无波浪，满足形状要求。之后进行正式轧制，对收线侧的丝材尺寸在线测量，计算轧辊收线侧丝材的表观截面积并与调整方案匹配，进行反馈和调整，使丝材尺寸和形状满足预设值，具体参考如下的步骤S102-S104。

S102：在轧制过程中，根据尺寸测量仪实时测量的轧机收线侧丝材的高度和宽度的尺寸ht、bt计算表观截面积St，将所述表观截面积St与所述预期截面积S2进行面积匹配；

丝材的轧制是一种包含塑性变形和弹性的过程，轧制后丝材的尺寸和形状与轧制时的受力状态密切相关。对于放线侧的丝材横截面为均匀的圆形截面或矩形截面的轧制来讲，如果轧缝水平，将使被轧制的丝材均匀受力，在此前提下，收线侧的丝材将会挺直并符合尺寸要求。比如如图3所示，本实施例当轧缝水平时轧制出的丝材截面为矩形。但如果轧缝不水平，在丝材的直度表现上，也会因为应力不均而导致弯曲、翘曲等各种形状缺陷，ht、bt不可以真实反应丝材的高度和宽度。如图4所示，本实施例当轧缝不水平时，会使轧制的丝材截面为梯形，此时ht、bt只能反应所测方向的最大尺寸值，我们暂且定义表观截面积是由实时测量的轧机收线侧丝材的高度和宽度的尺寸相乘得到：

St＝ht*bt(8)；

在本发明中，通过计算轧辊出口丝材(即收线侧)的表观截面积St，与预期截面积S

S103：当面积匹配未通过时，根据面积匹配结果调整轧机的轧辊下压量以使表观截面积St与预期截面积S2匹配上；

此时St≠S2，本步骤的目的即调整轧机的轧辊下压量使St＝S2。本实施例中，根据面积匹配结果调整轧机的轧辊下压量时调整方式仅为下压，且每次下压仅针对上轧辊的一端。主要调整思路是，通过对左或右调节压杆进行一个步长的试调整，对比表观截面积的变化方向，判断压杆调整方向正确与否，确定调整方案，直至St、S2匹配，判断与调整策略如下：选择上轧辊的一端下压一个步长，重新计算所述表观截面积，如果所述表观截面积减小，则代表所选择的一端为目标端，否则代表另一端为目标端；以步长为单位，逐步下压所述目标端直至所述表观截面积与所述预期截面积匹配上，其中：每次下压一个步长后重新计算所述表观截面积并将之与所述预期截面积进行比对，如果相等，则代表所述表观截面积与预期截面积匹配上。

比如说，当St≠S2时，先任选一端(比如左端)进行单侧下压轧辊一个步长，判断St是否减小，若St减小，则证明下压方向正确，所以可以继续下压左端直至St＝S2；反之，若St不减小，则证明下压方向不正确，更改下压方向为右端，下压上轧辊右端直至St＝S2。

S104：当面积匹配通过时，将丝材所需的和实时测量的高度的尺寸h2、ht进行高度匹配，当高度匹配未通过时，根据高度匹配结果调整轧机的轧辊下压量以使所需的和实时测量的高度的尺寸h2、ht匹配上。

此时St＝S2时，因为面积相等只是初步将轧辊左右两端调平了而已，并不意味着轧制尺寸是相等的，因此本步骤的目的即调整轧机的轧辊下压量使ht＝h2。本实施例中，根据高度匹配结果调整轧机的轧辊下压量时调整方式为下压或者上抬，且每次下压或者上抬是针对上轧辊的两端同步进行。具体来说，本步骤所述的根据高度匹配结果调整轧机的轧辊下压量的过程是：若ht≠h2，根据实时测量的丝材的高度和丝材所需的高度尺寸ht、h2的大小关系逐步同时调整上轧辊左右两端的下压量(同时上调或下压左右调节压杆)，直至实时测量的丝材的高度和丝材所需的高度尺寸ht、h2相等即ht＝h2。更具体地，每一步调整时：如果实时测量的丝材的高度尺寸ht大于丝材所需的高度尺寸h2，则控制上轧辊左右两端同时下压一个步长；如果实时测量的丝材的高度尺寸ht小于丝材所需的高度尺寸h2，则控制上轧辊左右两端同时上抬一个步长。

其中，步长为0.1～0.2δ，δ代表轧机收线侧丝材高度方向的公差。本实施例中步长为0.0001mm。

可以理解的是，在S100、S101是在轧制之前的预准备步骤，S102-S104是在整个轧制过程中实现的，匹配工作是在整个轧制过程中在反复执行的，比如说，当S103面积匹配通过后需要顺次执行S104继续执行高度匹配，当S104高度匹配通过时，则需要再次跳转到S102再次进行面积匹配。

实施例二

参考图5，本实施例公开了一种微细丝材精密轧制系统，其包括放线机、放线速度测试仪、放线速度控制器、放线张力调节器、轧机、尺寸测量仪、轧机调控器、收线张力调节器、收线速度测试仪、收线速度控制器和收线机。

所述放线机、放线速度测试仪、放线张力调节器顺次设置在所述轧机的放线侧，所述收线张力调节器、收线速度测试仪、收线机顺次设置在所述轧机的收线侧，所述放线速度控制器与所述放线机、放线速度测试仪分别连接，所述收线速度控制器与所述收线速度测试仪、收线机分别连接；所述放线速度测试仪、收线速度测试仪分别测试放线、收线速度，并反馈给所述放线速度控制器、收线速度控制器以对放线、收线速度进行反馈调节，使放线、收线速度稳定在设定值；所述放线张力调节器和收线张力调节器用于设定张力值以分别实时调节放线和收线张力。所述尺寸测量仪设置在所述轧机的收线侧，具体是在轧机和收线张力调节器之间，用于实时测量的轧机收线侧丝材的高度和宽度的尺寸并反馈给所述轧机调控器，所述轧机调控器用于测量、反馈和调整策略，具体是执行如实施例一中的方法步骤S102-S105，具体过程可参阅上述方法实施例的描述，此处不再赘述。

具体来说，所述尺寸测量仪是一台同时具有相互垂直的两个方向的尺寸测量功能的激光测量仪或者是呈垂直安装的两台激光测量仪。在本实施例中，尺寸测量仪为XY双向激光测径仪，安装于一个可以前后、左右移动并可以旋转的支架上，以便两个方向的激光角度分别与丝材的某个表面平行和垂直。本实施例中，选用的激光测径仪，测量精度为0.0001mm。在其它实施例中，采用两台激光测径仪垂直布置，也是可行的。在另外的实施实例中，采用接触式的尺寸测量仪，也是可行的。

参考图6，轧机可以采用既有的轧机，由机架1、上轧辊5、下轧辊7、上轴瓦4、下轴瓦8、左调节压杆2、右调节压杆3、支撑弹簧6等主要构件组成，上轧辊5、下轧辊7分别与电机联动。上轧辊5的左右两端分别通过左调节压杆2、右调节压杆3实现上下调节，本实施实例中，轧机调控器与尺寸测量仪和轧机相连，根据测量仪提供的结果进行计算和反馈，从而实现对轧机左调节压杆2、右调节压杆3的同时或单独调节，调节步长为0.0001mm。

可以理解的是，在微细丝材精密轧制系统中，既可以是一组由放线速度测试仪、放线速度控制器、放线张力调节器、轧机、尺寸测量仪、轧机调控器、收线张力调节器、收线速度测试仪、收线速度控制器构成的单轧系统，也可以将多组单轧系统串联。

上面提到，所述轧机调控器用于执行如实施例一中的方法步骤S102-S105，参考图7，以另一种流程图形式展示了轧机调控器的测量、反馈和调整策略的一个具体过程：

1)首先是将St与S2比较，当St＝S2时直接指向步骤2)，当St≠S2时执行步骤3)；

2)判断ht是否等于h2，若ht＞h2，则上轧辊左右两侧同时下压一个步长，若ht＜h2，则上轧辊左右两侧同时上抬一个步长，然后继续判断ht是否等于h2，若不相等，则重复之前的执行措施直至最后ht＝h2，完成一轮调节，完成一轮调节后，需要重新回到步骤1)开始下一轮调节。

3)先选上轧辊左侧下压一个步长，判断St是否减小，若St减小，则证明左侧下压为正确方向，反之，若St不减小，则证明下压方向不正确，更改下压方向，右侧下压为正确方向，在确定了正确方向后，就在正确方向下压一个步长，下压完一个步长后就立即判断St与S2是否相等，如果不相等就继续下压一个步长，再判断，依次类推，直至最后下压至St与S2相等，跳转到步骤2)。

本发明与现有技术相比，具有如下技术优势：

(1)通过对轧辊收线侧丝材尺寸的直接测量和计算，通过表观横截面积与设定的预期截面积的对比，作为判定丝材尺寸和形状的质量依据，与现有技术中的机器视觉、形状检测、受力测试等技术相比，具有方法简便、直接、精度高、成本低的优势，可以实现对微细尺寸和微小变化的测量。

(2)包含了测量、对比、反馈和调节方案，可以实现在线的测量，相比于现有技术中停机检测、调整的方案，具有更高的稳定性和生产效率。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。