帶溫度顯示的軋輥輥型曲線測(cè)量?jī)x研究

摘 要：在各行業(yè)中，凡是使用等高或不等高軋輥且對(duì)產(chǎn)品精度有要求的場(chǎng)所，都需要對(duì)軋輥的表面尺寸進(jìn)行檢測(cè)?；诓捎眯滦蛙堓伡夹g(shù)的軋鋼生產(chǎn)發(fā)展前景，軋輥的幾何形狀及其精度對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量有著直接影響。鑒于此，提出了一種具有溫度測(cè)量功能的軋輥輥型曲線測(cè)量?jī)x，創(chuàng)新性地將實(shí)時(shí)溫度記錄功能集成于輥型測(cè)量過(guò)程中，解決了傳統(tǒng)測(cè)量方式中因溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差問(wèn)題，為軋輥使用中的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控和質(zhì)量控制提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：輥型儀；點(diǎn)溫儀；輥型溫度同步測(cè)量

中圖分類號(hào)：TG333" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）05-0001-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.001

0" " 引言

軋輥的精度直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，軋輥精度越高，產(chǎn)品才越能達(dá)到生產(chǎn)要求；同時(shí)，時(shí)刻關(guān)注軋輥的狀態(tài)和精度，也是為了延長(zhǎng)軋輥使用壽命及減少磨削量。軋輥研磨費(fèi)用較高，在了解軋輥狀態(tài)的前提下，可判斷是否需要對(duì)軋輥進(jìn)行研磨，或繼續(xù)再使用。即便軋輥研磨至理想狀態(tài)，隨著環(huán)境變化，輥型依然會(huì)發(fā)生變化。

所以，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輥型至關(guān)重要，尤其是熱軋機(jī)設(shè)備中軋輥表面處理對(duì)板材質(zhì)量的影響[1]，不得不考慮。

然而，在現(xiàn)代制造業(yè)中傳統(tǒng)輥型測(cè)量設(shè)備通常僅關(guān)注輥型，而忽略了溫度對(duì)軋輥輥型的影響，尤其像鋼輥，在高溫使用環(huán)境中會(huì)發(fā)生輥身熱凸、磨損變形的現(xiàn)象，如在這種情況下軋制產(chǎn)品，產(chǎn)品多數(shù)會(huì)產(chǎn)生褶皺、厚度不均勻等質(zhì)量問(wèn)題。在實(shí)際生產(chǎn)中，軋輥會(huì)受熱膨脹，特別是鋼輥在高溫下易發(fā)生熱凸現(xiàn)象，導(dǎo)致在磨床上精確測(cè)量的輥型曲線在高溫狀態(tài)下出現(xiàn)顯著偏差，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方案如紅外測(cè)溫法在光潔表面存在誤差，無(wú)法滿足高精度測(cè)量需求，更無(wú)法通過(guò)溫度變化來(lái)反映輥型的實(shí)際變化。

為解決這一問(wèn)題，本研究在高精度德國(guó)軋輥輥型測(cè)量?jī)x的基礎(chǔ)上，加入了點(diǎn)溫儀，實(shí)現(xiàn)了輥型與溫度的同步記錄，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，從而為高溫條件下的軋輥狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了一種行之有效的方案。

1" " 設(shè)計(jì)原理

薄板、紙張、鋁箔等生產(chǎn)加工過(guò)程中，對(duì)軋輥輥型的關(guān)注極其重要，因?yàn)檩佇椭苯佑绊懗善返馁|(zhì)量、厚度均勻性等參數(shù)。市面上一些軋輥輥型測(cè)量設(shè)備雖然在精度、便攜性等方面存在差異，但與傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法相比，其首先在軋輥表面等分21點(diǎn)或41點(diǎn)，再使用千分尺進(jìn)行測(cè)量，比起人工繪制輥型曲線，效率已有顯著提高。而德國(guó)軋輥輥型測(cè)量?jī)x采用每毫米測(cè)一個(gè)采樣點(diǎn)，采樣精度大大提高。

1.1" " 現(xiàn)有輥型測(cè)量

行業(yè)中，目前已經(jīng)可以做到1 mm記錄一個(gè)輥型變化數(shù)據(jù)值，測(cè)出的原始數(shù)據(jù)顯示如圖1所示。

該數(shù)據(jù)左側(cè)為編碼器通過(guò)1 mm記錄一個(gè)點(diǎn)位，右側(cè)顯示輥型的變化量。將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel中，可以直觀地顯示出軋輥輥型，如圖2所示。

再通過(guò)軟件編輯功能，增加公差帶、錐度線等，將測(cè)量實(shí)際結(jié)果與軋輥理論數(shù)據(jù)做對(duì)比，就得到市面上目前比較成熟的輥型報(bào)告，如圖3所示。

圖3所示報(bào)告僅可看出輥型狀況，但實(shí)際生產(chǎn)中很明顯的一種情況就是軋輥溫度升高后，原有輥型將發(fā)生變化。

1.2" " 增加溫度測(cè)量

傳統(tǒng)的軋輥測(cè)量設(shè)備通常忽略了溫度因素，即便考慮到溫度，傳統(tǒng)的溫度測(cè)量?jī)x器多采用紅外測(cè)溫。紅外測(cè)溫的主要缺陷在于，當(dāng)軋輥表面較為光滑時(shí)，溫度測(cè)量的誤差會(huì)顯著增大，這使得其在許多鏡面輥的應(yīng)用場(chǎng)景中不具備適用性。本文研究了一種改進(jìn)型設(shè)備，加入了點(diǎn)溫儀溫度測(cè)量功能，點(diǎn)溫儀能夠精準(zhǔn)測(cè)量軋輥表面的絕對(duì)溫度，不受軋輥材質(zhì)、表面光潔度等因素限制，通過(guò)集成點(diǎn)溫儀，測(cè)量出的溫度即為軋輥表面的絕對(duì)溫度。

同時(shí)，編碼器的作用在于確定軋輥表面長(zhǎng)度方向上每個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的位置，無(wú)論是輥型變化還是溫度測(cè)量，都離不開(kāi)編碼器所指示的位置點(diǎn)。

按簡(jiǎn)單測(cè)輥型的原理，在編碼器位置加裝點(diǎn)溫儀，如圖4所示。

將輥型變量傳感器換成點(diǎn)溫儀傳感器，測(cè)出的最原始數(shù)據(jù)如圖5所示。

利用一根下線輥?zhàn)鰧?shí)際測(cè)量，通過(guò)編碼器所采集到的每點(diǎn)溫度幾乎一樣，放在Excel表格中幾乎就是一條直線。

理論上，測(cè)輥型的同時(shí)還可以測(cè)溫度，下一步將輥型與溫度結(jié)合在一個(gè)報(bào)告中實(shí)現(xiàn)。為確保編碼器測(cè)得的點(diǎn)位同時(shí)具備輥型和溫度參數(shù)，將這三點(diǎn)設(shè)計(jì)在同一截面上，這樣編碼器對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，就是輥型與溫度同時(shí)測(cè)出的數(shù)據(jù)。再通過(guò)txt格式，將同時(shí)測(cè)出的兩組數(shù)據(jù)編寫(xiě)在同一文本中，如圖6所示。最后再對(duì)測(cè)出的兩組數(shù)據(jù)在軟件里編輯，就形成了既帶有輥型數(shù)據(jù)又有溫度數(shù)據(jù)的報(bào)告了。

1.3" " 研究目的

既然在測(cè)量輥型的過(guò)程中可以引入溫度因素，則可以進(jìn)一步將溫度參數(shù)作為軋輥研磨及生產(chǎn)過(guò)程中的常量進(jìn)行考慮，具體可參考文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]。

本文以鋼輥?zhàn)鳛闇y(cè)試軋輥，因?yàn)樗撬熊堓佒惺軣崦浝淇s影響最嚴(yán)重也是應(yīng)用場(chǎng)景最多的一種軋輥。在材料特性上，鋼的熱膨脹系數(shù)較高，在熱軋過(guò)程中溫度顯著升高，將導(dǎo)致鋼輥產(chǎn)生較大的體積和長(zhǎng)度變化。根據(jù)材料熱膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)，鋼的線膨脹系數(shù)在11～13 μm/（m·℃），這意味著溫度每升高1 ℃，每米鋼材會(huì)伸長(zhǎng)11～13 μm。在熱軋過(guò)程中，軋輥溫度可以從室溫迅速上升至100 ℃甚至更高（部分生產(chǎn)中達(dá)到200 ℃以上），這樣的溫差會(huì)導(dǎo)致鋼輥長(zhǎng)度和直徑的明顯變化。在熱梯度影響上，鋼輥在使用過(guò)程中，由于受熱不均勻或受軋件的影響，往往會(huì)在橫截面和軸向上產(chǎn)生溫度梯度。通常軋輥中部溫度高于兩端，這種不均勻的熱分布會(huì)導(dǎo)致鋼輥表面和內(nèi)部的膨脹不一致，從而引起輥型的變形。如果在前期軋輥研磨時(shí)不考慮這種變形，那最終不僅影響軋制的精度，還會(huì)導(dǎo)致軋輥的額外應(yīng)力集中，加速輥體的磨損或變形。

在輥型與溫度可以同時(shí)測(cè)量的前提下，再增加鋼的熱膨脹系數(shù)，以此驗(yàn)證溫度對(duì)輥型帶來(lái)的影響。

用一根比較復(fù)雜的CVC軋輥?zhàn)鳛閷?shí)驗(yàn)對(duì)象，如圖7所示?？梢钥闯?，常溫25 ℃下，從起始點(diǎn)到600 mm位置，輥型變化量在800 μm左右；從起始點(diǎn)到1 500 mm位置，輥型變化量為320 μm左右。

對(duì)做完研磨并軋制生產(chǎn)一段時(shí)間的軋輥進(jìn)行測(cè)量，如圖8所示。圖形明顯有了較大變化，軋輥兩端溫度在70 ℃左右，而軋輥?zhàn)钪虚g位置溫度將近100 ℃。再看輥型變化，從起始點(diǎn)到600 mm位置，輥型變化量達(dá)到1 200 μm左右；從起始點(diǎn)到1 500 mm位置，輥型變化量達(dá)到750 μm左右。CVC中間段曲線的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)都明顯高于常溫下測(cè)出位置數(shù)據(jù)。

1.4" " 研究結(jié)果

該軋輥的直徑是800 mm，下面驗(yàn)算鋼的熱膨脹系數(shù)。

在常溫狀態(tài)下，600 mm位置處，軋輥表面溫度約為25 ℃，輥型變化量為800 μm。溫度升高后，600 mm位置處，軋輥表面溫度是90 ℃左右，輥型變化值為1 200 μm。將測(cè)試結(jié)果由半徑變?yōu)橹睆剑?/p>

（1 200-800）×2=800 μm

鋼的線膨脹系數(shù)在11～13 μm/（m·℃），按中間值取12 μm/（m·℃），溫度從25 ℃升高到90 ℃：

（90-25）×12=780 μm

誤差為20 μm，相對(duì)誤差為2.56%。

再驗(yàn)證第二個(gè)凸點(diǎn)位置。

在常溫狀態(tài)下，1 500 mm位置處，軋輥表面溫度約為24 ℃，輥型變化量為320 μm。溫度升高后，1 500 mm位置處，軋輥表面溫度在99 ℃左右，輥型變化值為750 μm。將測(cè)試結(jié)果由半徑變?yōu)橹睆剑?/p>

（750-320）×2=860 μm

再計(jì)算鋼的線膨脹系數(shù)導(dǎo)致的變化量：

（99-24）×12=900 μm

誤差為40 μm，相對(duì)誤差為4.65%。

因此，上述理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)出的數(shù)據(jù)相比，有較高參考價(jià)值。若在前期軋輥研磨時(shí)，充分考慮到實(shí)際軋輥生產(chǎn)中存在的熱膨脹，那理論上就可以實(shí)現(xiàn)軋輥的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并排除溫度對(duì)軋輥輥型變化的影響。

以上理論數(shù)據(jù)，還需要在不同的材質(zhì)下、采用不同輥型做驗(yàn)證。深入理解熱軋輥在高溫環(huán)境下的輥型變化特征，實(shí)時(shí)測(cè)量輥型在不同溫度下的變化規(guī)律，對(duì)于預(yù)測(cè)軋輥在實(shí)際工作環(huán)境中的行為具有重要意義。另外，還可以通過(guò)溫度的變化來(lái)測(cè)量輥型的變化，實(shí)時(shí)記錄溫度對(duì)不同軋輥輥型的改變規(guī)律。通過(guò)大量實(shí)際數(shù)據(jù)，可判斷出溫度與輥型之間的直接關(guān)系，獲得一個(gè)溫度與輥型比，并將其作為一個(gè)常量，以此在實(shí)際軋輥軋制生產(chǎn)過(guò)程中，基于工作環(huán)境溫度對(duì)輥型的改變，把控產(chǎn)品質(zhì)量?？梢哉f(shuō)，溫度與輥型比極具參考價(jià)值。

2" " 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1" " 硬件總體分析

控制板硬件布局如圖9所示，該控制板能實(shí)現(xiàn)輥型曲線測(cè)量與溫度同步記錄，其主要由以下功能模塊組成：供電模塊、溫度測(cè)量模塊、輥型測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、主控模塊。外接電源通過(guò)DC接口輸入，經(jīng)過(guò)濾波穩(wěn)壓后，提供穩(wěn)定的3.3 V電壓。溫度測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大及濾波后，和經(jīng)過(guò)ADS1256高精度數(shù)字化處理后的輥型測(cè)量信號(hào)，分別通過(guò)ADC和SPI接口傳輸至主控制器。主控對(duì)采集到的溫度和位置信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過(guò)SPI接口傳輸至SD卡，完成存儲(chǔ)。

2.2" " 供電模塊

系統(tǒng)從外部接入5 V直流電源，并在接口處串聯(lián)一個(gè)保護(hù)二極管，避免接線錯(cuò)誤時(shí)損壞電路。

經(jīng)過(guò)濾波電容消除低頻紋波和高頻干擾后，5 V電源分別接入AMS1117和TMH0515D。AMS1117是線性穩(wěn)壓器，能將5 V降壓到3.3 V，給ESP32主控模塊和SD卡提供穩(wěn)定電源。TMH0515D能將5 V升壓至

±15 V，為編碼器和溫度傳感器供電。同時(shí)，TMH0515D作為電氣隔離裝置起重要作用。因?yàn)橹骺啬K工作在低功耗系統(tǒng)中，對(duì)電噪聲較為敏感，此外編碼器接口和溫度傳感器與外部機(jī)械設(shè)備直接連接，容易受到高壓干擾，故TMH0515D的隔離可防止外部噪聲通過(guò)傳感器接口進(jìn)入主控電路。供電模塊整體理論圖如圖10所示。

2.3" " 溫度測(cè)量模塊

溫度傳感器由熱電偶組成，采集溫度信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳遞到運(yùn)算放大器輸入端。運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，使輸出信號(hào)落入主控模塊ADC輸入電壓范圍。放大后的信號(hào)通過(guò)低通濾波器（電阻+電容）處理，減少高頻噪聲干擾。主控模塊對(duì)放大信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)字化，并根據(jù)校準(zhǔn)公式計(jì)算實(shí)際溫度。如圖11所示，最左邊溫度傳感器采集到溫度信號(hào)，最終輸出數(shù)字化溫度值。

2.4" " 輥型測(cè)量模塊

輥型測(cè)量模塊主要是將編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)ADS1256（高精度24位ADC）傳輸給主控模塊。圖12所示為輥型測(cè)量模塊理論圖。

本文使用增量式編碼器，輸出為方波信號(hào)。調(diào)理電路作用原理為：添加信號(hào)收發(fā)器，將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)；經(jīng)過(guò)一級(jí)緩沖運(yùn)算放大器，避免負(fù)載影響。

本文使用ADS1256進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)采集。AIN0～AIN7：接多個(gè)編碼器輸出信號(hào)（最多8路）。REF+和REF-外接2.5 V精密電壓基準(zhǔn)。輸出使用串行SPI接口，連接到主控模塊，其中CS是片選信號(hào)。

2.5" " 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊在硬件上包括SD卡接口、去耦電容。具體的運(yùn)行邏輯如下：

1）硬件初始化：主控模塊初始化SPI接口，檢測(cè)SD卡是否存在，掛載FAT文件系統(tǒng)。

2）數(shù)據(jù)寫(xiě)入：打開(kāi)指定文件，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串或二進(jìn)制格式，寫(xiě)入SD卡。

3）數(shù)據(jù)讀取：打開(kāi)指定文件，按行或按塊讀取數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到內(nèi)存變量中，關(guān)閉文件。

主控模塊通過(guò)ADC模塊讀取溫度傳感器的模擬輸出，轉(zhuǎn)換為溫度值。主控模塊通過(guò)SPI總線與ADS1256通信，讀取編碼器的精確位置數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式化為CSV格式寫(xiě)入SD卡，每次寫(xiě)入后調(diào)用flush（），確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到SD卡。

2.6" " 主控模塊

本文的主控制器采用ESP32-WROOM-32E，是通用型Wi-Fi+Bluetooth+Bluetooth LE MCU模組，功能強(qiáng)大，具有豐富的外設(shè)接口，頻率高，適用于本文所述儀器高精度高頻率測(cè)量的特點(diǎn)。表1為ESP32的引腳說(shuō)明。

3" " 總結(jié)與展望

本文研究并實(shí)現(xiàn)了一種具備實(shí)時(shí)溫度測(cè)量功能的軋輥輥型曲線測(cè)量?jī)x。與傳統(tǒng)的僅在常溫下獲取輥型數(shù)據(jù)的設(shè)備相比，本設(shè)備提供了更具參考價(jià)值的數(shù)據(jù)支持。本研究通過(guò)引入高精度點(diǎn)溫儀，能夠在1 mm間距內(nèi)同步記錄輥型與溫度數(shù)據(jù)，尤其適用于高溫工況下的輥型測(cè)量。這一研究不僅填補(bǔ)了當(dāng)前設(shè)備在溫度同步測(cè)量方面的空白，還顯著提升了設(shè)備的高溫環(huán)境適應(yīng)性，有效解決了鋼輥在高溫使用環(huán)境下出現(xiàn)的熱凸和變形等問(wèn)題。通過(guò)與編碼器和數(shù)據(jù)記錄模塊的集成，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)生成包含溫度與輥型曲線的綜合報(bào)告，為熱軋生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

盡管本設(shè)備在高溫條件下的軋輥輥型測(cè)量方面取得了較大進(jìn)展，但未來(lái)仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。首先，在溫度測(cè)量的精確度和數(shù)據(jù)處理速度上可以進(jìn)行提升，以適應(yīng)更高溫度和更復(fù)雜工況下的軋制需求。此外，通過(guò)引入人工智能與大數(shù)據(jù)分析，未來(lái)可以基于大量的輥型和溫度數(shù)據(jù)，建立軋輥熱脹冷縮的預(yù)測(cè)模型，從而實(shí)現(xiàn)溫度變化對(duì)輥型影響的動(dòng)態(tài)調(diào)整。這些改進(jìn)將進(jìn)一步提升設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的智能化水平，為鋼鐵和制造行業(yè)的高精度加工提供更加完善的支持。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 孫清蕾.熱軋機(jī)設(shè)備中軋輥表面處理對(duì)板材質(zhì)量的影響[J].冶金與材料，2024，44（10）：139-141.

[2] 周昊男.基于電子溫控技術(shù)軋輥輥形預(yù)設(shè)的研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2023.

[3] 李子正，劉蘆軒，尹寶良，等.熱連軋機(jī)組軋輥溫度場(chǎng)及熱輥型[J].鋼鐵，2024，59（2）：111-118.

收稿日期：2024-11-26

作者簡(jiǎn)介：郭齊（1984—），男，安徽定遠(yuǎn)人，機(jī)械工程師，從事軋輥測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)與研究、軋輥檢測(cè)服務(wù)等工作。