大型轧辊堆焊再制造可消除轴向偏移重载无级驱动装置的制作方法

本发明属于大型轧辊堆焊再制造自动化技术领域，尤其涉及一种大型轧辊堆焊再制造可消除轴向偏移重载无级驱动装置。

背景技术：

大型轧辊是目前钢铁企业中最重要，也是价值最高的单体生产工具，超大型支撑辊质量高达120多吨，直径最大在Φ2200mm以上，制造工艺复杂，难度巨大，大型轧辊目前国内制造还比较困难，主要依赖进口。价值上百万至千万一支的大型轧辊磨损不到5％，就要报废，若能修复再生，经济效益巨大，每年可挽回损失10亿元。由于轧辊是通过四个液压举升缸来调整其轴线高低实现对中的，实际中，四个液压举升缸不可能做到绝对一致，有可能导致轧辊在堆焊过程中沿轴向滑动，导致焊接质量变差，影响产品质量。所以，如何实时消除轴向偏移窜动是大型复合铸钢轧辊自动堆焊再制造技术装备的关键。针对此问题，如果能实时检测大型轧辊的轴向位移量，那么就可以采取措施控制液压系统进行调整，避免焊接熔敷金属重焊，赶堆、不平整等事故发生。

技术实现要素：

本发明就是针对上述问题，提供一种大型轧辊堆焊再制造可消除轴向偏移重载无级驱动装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括位移传感装置、可伸缩的万向联轴器2和卡盘，其结构要点卡盘中心与万向联轴器2不动一侧相连，万向联轴器2另一侧与待加工轧辊驱动轴相连，待加工轧辊下端两侧设置有静态双托架液压举升缸和动态双托架液压举升缸；

所述位移传感装置的检测信号输出端口依次通过放大电路、滤波电路与控制装置12的检测信号输入端口相连，控制装置12的控制信号输出端口与动态双托架液压举升缸的控制信号输入端口相连。

作为一种优选方案，本发明所述位移传感装置包括四个电阻应变片1，分别设置在万向联轴器2不动一侧的左、右、上、下四个位置，左、右电阻应变片1形成一对，上、下电阻应变片1形成另一对。

作为另一种优选方案，本发明所述卡盘为可升降的卡盘，卡盘的驱动电机采用交流伺服电机。

作为另一种优选方案，本发明所述放大电路和滤波电路包括LM358芯片U1A、U1B和LF363P芯片U1C，LM358芯片的2脚分别与电阻应变片一端、电阻R1一端相连，电阻应变片另一端接地，LM358芯片的3脚接基准电压Vref，电阻R1另一端分别与LM358芯片的1脚、电阻R2一端相连，电阻R2另一端分别与电容C1一端、LM358芯片的6脚相连，电容C1另一端接地，LM358芯片的5脚分别与LM358芯片的4脚、电容C2一端、电容C3一端相连，电容C2另一端接地，电容C3另一端分别与电阻R3一端、电阻R4一端、电阻R5一端相连，电阻R3另一端接电源VCC，电阻R4另一端接地，电阻R5另一端分别与电阻R6一端、LF363P芯片的7脚、电阻R8一端、控制装置12的检测信号输入端口相连，电阻R6另一端分别与LF363P芯片的8脚、电容C4一端相连，电容C4另一端接地，电阻R8另一端分别与LF363P芯片的9脚、电阻R7一端相连，电阻R7另一端通过电容C5接地。

作为另一种优选方案，本发明所述动态双托架液压举升缸包括左举升缸7和右举升缸8，左举升缸7的液压端口与左电磁换向阀16的输出端口相连，右举升缸8的液压端口与右电磁换向阀17的输出端口相连；左电磁换向阀16的控制信号输入端口、与右电磁换向阀17的控制信号输入端口分别与所述控制装置的控制信号输出端口相连；

所述左举升缸7包括左液压缸14，左液压缸14上端输出杆与左支撑架30外侧连接，左支撑架内侧上端通过左托举辊转轴28与左托举辊26相连，左托举辊26的右上端与所述待加工轧辊的左下端相接；

所述右举升缸8包括右液压缸15，右液压缸15上端输出杆与右支撑架31外侧连接，右支撑架31内侧上端通过右托举辊转轴29与右托举辊27相连，右托举辊27的左上端与所述待加工轧辊4的右下端相接；

所述左电磁换向阀16的输入第一端口通过左单向阀20分别与左压力表18、油泵22、右压力表19、右单向阀21一端相连，右单向阀21另一端接右电磁换向阀17的输入第一端口，右电磁换向阀17的输入第二端口分别与左电磁换向阀16的输入第二端口、溢流阀24相连，溢流阀24和油泵22均与油罐25相连，油泵22与电机23相连。

作为另一种优选方案，本发明所述左液压缸14和右液压缸15设置在支撑箱34两侧，左支撑架30和右支撑架31为折形支撑架，折形支撑架的转折处设置所述托举辊转轴，折形支撑架内下端与支撑箱34上端相接，形支撑架外上端连接所述液压缸上端输出杆。

另外，本发明开始时空载运行，首先通过上下电阻应变片(1-3、1-4)的拉压力差值判断旋转待加工轧辊4是否与卡盘主驱动13保持绝对同心，如果不同心则调整动态双托架液压举升缸7和8使两者同心，且同时使旋转待加工轧辊4水平；

如果P_1-3-P_1-4为正，P_1-3为上电阻应变片的压拉力值，P_1-4为下电阻应变片的压拉力值，则降低动态双托架液压举升缸7、8；如果P_1-3-P_1-4为负，则抬高动态双托架液压举升缸7、8；如果P_1-1-P_1-2正，P_1-1为左电阻应变片的压拉力值，P_1-2为右电阻应变片的压拉力值，则降低动态双托架液压左举升缸7或抬高右举升缸8；如果P_1-1-P_1-2为负，则抬高动态双托架液压左举升缸7或降低右举升缸8；重复以上两个过程，直至P_1-1-P_1-2和P_1-3-P_1-4在规定范围内为止，且P_1-1、P_1-2、P_1-3、P_1-4均在规定值内；

开始加工堆焊时，通过四个电阻应变片相互协调、配合控制动态双托架液压举升缸7、8，使旋转待加工轧辊4保持轴向位置稳定在规定的范围内；

当旋转待加工轧辊4沿着轴向偏移方向5发生窜动时，一方面对位移传感装置1形成拉压力，另一方面根据左右电阻应变片(1-1和1-2)的拉压力差值，或者上下电阻应变片(1-3和1-4)的拉压力差值来判断旋转待加工轧辊4不仅轴向窜动，还存在径向移动，控制装置12输出信号控制左电磁换向阀16或右电磁换向阀17的A、B端口的通电，调整动态双托架液压举升缸7或8的上下运动来调整旋转待加工轧辊4，使其与卡盘主驱动13保持绝对同心；具体的调整规则如下，①输出值大小：采用PID算法对位移传感装置的拉压力差值进行输出信号值计算，假设用e_i表示位移传感装置的拉压力差值(P_1-1-P_1-2或P_1-3-P_1-4)的当前值，e_i-1表示上一个采样时刻的值，e_i-2表示上两个采样时刻的值，u_i表示控制装置12的当前输出值，u_i-1表示上一个时刻的输出值，用k_p、k_I、k_D表示可调参数，则控制装置12的输出值可以表示成u_i＝u_i-1+k_Pe_i+k_Ie_i-1+k_De_i-2；②信号给哪个控制端口：采用上一段液压举升缸动作的判断规则来将u_i送至控制液压举升缸的换向电磁阀相应端口(A或B)；③降低或抬高值大小：液压举升缸的换向电磁阀16或17是由中间继电器控制，其通断电时间长短决定了液压缸上升或下降多少；而控制装置12输出的是电压量(与液压缸上升或下降量成正比)，不能直接用于控制时间从而控制液压缸的上升或下降量；设油压稳定，液压缸运动速度也是稳定的，液压缸运动速度设为v，控制装置12输出u_i乘以一个变比系数k，即ku_i就是液压缸需要变化的量，而ku_i/v就是换向电磁阀16或17保持通断的时间大小；换向电磁阀16或17保持通断的时间为ku_i/v，控制装置12的输出值与液压缸的上升或下降量一致。

其次，所述P_1-1-P_1-2和P_1-3-P_1-4的规定范围为﹣0.1mm～+0.1mm，P_1-1、P_1-2、P_1-3、P_1-4的规定值转换为位移值为﹣0.2mm～+0.2mm，旋转待加工轧辊4保持轴向位置稳定在规定的范围值为偏移中心﹣0.1mm～+0.1mm。

本发明有益效果。

本发明可以实时检测轧辊轴向位移量大小并通过控制液压驱动系统来调整轧辊轴向移动的装置，以提高大型轧辊再制造质量和改进工艺控制水平与降低企业生产成本。

本发明由万向联轴器联接轧辊驱动轴转动，轧辊由可调心防窜动的双托架承载，通过动态双托架液压举升缸来调整轧辊的轴线高低对中，同时通过控制装置自动闭环伺服调节动态双托架液压举升缸的升降，来消除纠正轧辊在托辊上产生的轴向窜动。

本发明位移传感装置安装在可伸缩的万向联轴器的不动一侧上，通过检测压力或拉力来检测处于旋转状态的待加工大型轧辊在液压机构上是否沿轴向有所窜移。

控制装置根据传感装置检测到的信号来分析、判断旋转状态下的待加工大型轧辊是否有轴向移动，以及移动量大小和方向等，并根据判断结果输出信号给液压驱动装置。

本发明控制装置可控制动态双托架液压举升缸的液压缸连续变化，实现无级驱动。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是系统总图。

图2是4路位移传感测量装置安放位置放大图

图3是每一路的位移传感测量电路信号放大图。

图4是每一路的位移传感测量电路信号滤波电路图。

图5是主控系统框图。

图6是液压举升缸控制简图。

图7是液压举升缸举升部分简图。

图8是图7的A-A方向视图。

图中：1.位移传感装置(4路)；1-1.左电阻应变片；1-2右电阻应变片；1-3上电阻应变片；1-4下电阻应变片；2.万向联轴器；3.待加工轧辊旋转方向；4.待加工轧辊；5.待加工轧辊轴向偏移方向；6.静态双托架液压举升缸；7.动态双托架液压左举升缸；8.动态双托架液压右举升缸；9.控制线1；10.控制线2；11.信号线；12.控制装置；13.卡盘主驱动；14.左液压缸；15.左液压缸；16.左电磁换向阀；17.右电磁换向阀；18.左压力表；19.右压力表；20.左单向阀；21.右单向阀；22.油泵；23.电机；24.溢流阀；25.油罐；26.左托举辊；27.右托举辊；28.左托举辊转轴；29.右托举辊转轴；30.左支撑架；31.右支撑架；32.左油管组；33.右油管组；34.支撑箱。

具体实施方式

如图所示，本发明包括位移传感装置、可伸缩的万向联轴器2、卡盘，卡盘中心与万向联轴器2不动一侧相连，万向联轴器2另一侧与待加工轧辊驱动轴相连，待加工轧辊下端两侧设置有静态双托架液压举升缸和动态双托架液压举升缸；

所述位移传感装置的检测信号输出端口依次通过放大电路、滤波电路与控制装置12的检测信号输入端口相连，控制装置12的控制信号输出端口与动态双托架液压举升缸的控制信号输入端口相连。

所述位移传感装置包括四个电阻应变片1，分别设置在万向联轴器2不动一侧的左、右、上、下四个位置，左、右电阻应变片1形成一对，上、下电阻应变片1形成另一对。

所述卡盘为可升降的卡盘，卡盘的驱动电机采用交流伺服电机。电机选用交流伺服电机，启动力矩大，调速范围宽，同时可解决托辊驱动带来的易打滑丢转问题。

所述放大电路和滤波电路包括LM358芯片U1A、U1B和LF363P芯片U1C，LM358芯片的2脚分别与电阻应变片一端、电阻R1一端相连，电阻应变片另一端接地，LM358芯片的3脚接基准电压Vref，电阻R1另一端分别与LM358芯片的1脚、电阻R2一端相连，电阻R2另一端分别与电容C1一端、LM358芯片的6脚相连，电容C1另一端接地，LM358芯片的5脚分别与LM358芯片的4脚、电容C2一端、电容C3一端相连，电容C2另一端接地，电容C3另一端分别与电阻R3一端、电阻R4一端、电阻R5一端相连，电阻R3另一端接电源VCC，电阻R4另一端接地，电阻R5另一端分别与电阻R6一端、LF363P芯片的7脚、电阻R8一端、控制装置12的检测信号输入端口相连，电阻R6另一端分别与LF363P芯片的8脚、电容C4一端相连，电容C4另一端接地，电阻R8另一端分别与LF363P芯片的9脚、电阻R7一端相连，电阻R7另一端通过电容C5接地。

所述动态双托架液压举升缸包括左举升缸7和右举升缸8，左举升缸7的液压端口与左电磁换向阀16的输出端口相连，右举升缸8的液压端口与右电磁换向阀17的输出端口相连；左电磁换向阀16的控制信号输入端口、与右电磁换向阀17的控制信号输入端口分别与所述控制装置的控制信号输出端口相连；

所述左举升缸7包括左液压缸14，左液压缸14上端输出杆与左支撑架30外侧连接，左支撑架内侧上端通过左托举辊转轴28与左托举辊26相连，左托举辊26的右上端与所述待加工轧辊的左下端相接；

所述右举升缸8包括右液压缸15，右液压缸15上端输出杆与右支撑架31外侧连接，右支撑架31内侧上端通过右托举辊转轴29与右托举辊27相连，右托举辊27的左上端与所述待加工轧辊4的右下端相接；

所述左电磁换向阀16的输入第一端口通过左单向阀20分别与左压力表18、油泵22、右压力表19、右单向阀21一端相连，右单向阀21另一端接右电磁换向阀17的输入第一端口，右电磁换向阀17的输入第二端口分别与左电磁换向阀16的输入第二端口、溢流阀24相连，溢流阀24和油泵22均与油罐25相连，油泵22与电机23相连。

所述左液压缸14和右液压缸15设置在支撑箱34两侧，左支撑架30和右支撑架31为折形支撑架，折形支撑架的转折处设置所述托举辊转轴，折形支撑架内下端与支撑箱34上端相接，形支撑架外上端连接所述液压缸上端输出杆。

动态双托架液压举升缸7或8负责旋转待加工轧辊4的调整工作。这一功能是通过控制电磁换向阀16或17来实现的。控制装置12通过传感器的信号和PLC中的判断程序，计算出应该使两个液压举升缸7或8分别上升或下降的量，然后由控制系统分别输出给电磁换向阀16或17得电与否，从而控制两个液压举升缸，即可实时可控旋转待加工轧辊4的轴向窜动量。

静态双托架液压举升缸6的结构可与动态双托架液压举升缸7、8结构相同，只是不控制液压缸升降。

托举辊与待加工轧辊4之间是滚动摩擦接触，有利于减少阻力。当液压缸14或15上下变化时，带动支撑架30、31上下运动，从而使左托举辊26和27运动，最终导致待加工轧辊4的上升或下降。

本发明开始时空载运行，首先通过上下电阻应变片(1-3、1-4)的拉压力差值判断旋转待加工轧辊4是否与卡盘主驱动13保持绝对同心，如果不同心则调整动态双托架液压举升缸7和8使两者同心，且同时使旋转待加工轧辊4水平；

如果P_1-3-P_1-4为正，P_1-3为上电阻应变片的压拉力值，P_1-4为下电阻应变片的压拉力值，则降低动态双托架液压举升缸7和8；如果P_1-3-P_1-4为负，则抬高动态双托架液压举升缸7和8；如果P_1-1-P_1-2正，P_1-1为左电阻应变片的压拉力值，P_1-2为右电阻应变片的压拉力值，则降低动态双托架液压左举升缸7或抬高右举升缸8；如果P_1-1-P_1-2为负，则抬高动态双托架液压左举升缸7或降低右举升缸8；重复以上两个过程，直至P_1-1-P_1-2和P_1-3-P_1-4在规定范围内为止，且P_1-1、P_1-2、P_1-3、P_1-4均在规定值内；

开始加工堆焊时，通过4电阻应变片相互协调、配合控制动态双托架液压举升缸7和8，使旋转待加工轧辊4保持轴向位置稳定在规定的范围内；

当旋转待加工轧辊4沿着轴向偏移方向5发生窜动时，一方面对位移传感装置1形成拉压力，另一方面根据左右电阻应变片(1-1和1-2)的拉压力差值，或者上下电阻应变片(1-3和1-4)的拉压力差值来判断旋转待加工轧辊4不仅轴向窜动，还存在径向移动，控制装置12输出信号控制左电磁换向阀16或右电磁换向阀17的A、B端口的通电，调整动态双托架液压举升缸7或8的上下运动来调整旋转待加工轧辊4，使其与卡盘主驱动13保持绝对同心；具体的调整规则如下，①输出值大小：采用PID算法对位移传感装置的拉压力差值进行输出信号值计算，假设用e_i表示位移传感装置的拉压力差值(P_1-1-P_1-2或P_1-3-P_1-4)的当前值，e_i-1表示上一个采样时刻的值，e_i-2表示上两个采样时刻的值，u_i表示控制装置12的当前输出值，u_i-1表示上一个时刻的输出值，用k_p、k_I、k_D表示可调参数，则控制装置12的输出值可以表示成u_i＝u_i-1+k_Pe_i+k_Ie_i-1+k_De_i-2；②信号给哪个控制端口：采用上一段液压举升缸动作的判断规则来将u_i送至控制液压举升缸的换向电磁阀相应端口(A或B)；③降低或抬高值大小：液压举升缸的换向电磁阀16或17是由中间继电器控制，其通断电时间长短决定了液压缸上升或下降多少；而控制装置12输出的是电压量(与液压缸上升或下降量成正比)，不能直接用于控制时间从而控制液压缸的上升或下降量；设油压稳定，液压缸运动速度也是稳定的，液压缸运动速度设为v，控制装置12输出u_i乘以一个变比系数k，即ku_i就是液压缸需要变化的量，而ku_i/v就是换向电磁阀16或17保持通断的时间大小；换向电磁阀16或17保持通断的时间为ku_i/v，控制装置12的输出值与液压缸的上升或下降量一致。

下面结合附图说明本发明的工作过程。

当卡盘主驱动13启动后，通过万向联轴器2使待加工轧辊4向一个方向旋转，此时水冷焊枪(未标示出)开始工作，给待加工轧辊表面进行堆焊处理。由于大型轧辊体积巨大、重量可达几十上百吨，如果在旋转工作过程中，双托架系统(液压举升缸7、8是其的一部分)不与卡盘主驱动13在一个水平线上，则待加工轧辊4将逐渐沿着轴向偏移方向5运动，就会给万向联轴器2施加一个动态拉力或者压力。当这个拉压力超过设定数值时，位移传感装置开始工作，产生一电流值，此电流与拉压力成正比，表示动态拉力或者压力。此电流由于信号微弱，需要经过放大电路(图3)放大，再由滤波电路(图4)除去噪音后，送至控制装置12进行分析处理。

控制装置12主要由PLC构成，PLC需要完成的控制功能较多，同时控制精度要求也较高，运算速度较快且要求有数据处理能力，需要用功率模块来控制比例液压阀，闭环伺服控制中涉及的逻辑控制、液压泵站的控制和液压系统的开关控制均由PLC系统完成。可选用西门子公司的S7—200系列CPU222型PLC，配模拟量扩展模块。液压系统工作时所需要的各种数据存放在数据块内，通过用户程序传送内部的数据给模拟量输出模块。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。