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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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?；迳线€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(chǎn)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(chǎn)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

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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。