Способ контроля величины зазора между валками прокатного стана Советский патент 1992 года по МПК G01B11/14 

Изобретение относится к контролю и регулированию технологических процессов при прокате. Может использоваться в системах автоматического регулирования толщины прокатываемой полосы, в системах автоматического управления нажимным устройством (САУНУ) в прокатных станах различных типов.

Изобретение может быть отнесено и к измерительной технике, Оно может быть использовано в машиностроении для измерения величины зазора между деталями работающих машин, в частности, вращающихся.

Известен бесконтактный способ контроля зазора между деталями работающих машин в запыленных средах (1), в котором направляют излучение в зазор, фиксируют

прошедшее через зазор излучение, получают сигнал, по которому судят о величине зазора, а для обеспечения возможности контроля подают в зону измерения непрерывно двумя встречными потоками воздух с температурой 5-40°С со скоростью 15-18 м/с.

Однако, указанный способ является сложным, громоздким, имеет узкую область применения и не позволяет проводить измерения с высокой точностью. Причинами этого является влияние состояния зазора на процесс измерения: рельеф поверхности валков, состояние поверхности валков, запыленность и засветка зоны измерения. В случае заполнения зазора прокатываемой полосой определить величину зазора, указанным способом невозможно. Так как измерение осуществляется по изменению интенсивности

vi со со

NJ

о

4

прошедшего излучения, это не позволяет определить, смещение какого валка вызывает изменение величины зазора, что важно при регулировании величины зазора. Область применения способа ограничена величиной зазора в 2 мм.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является фотоэлектрический способ контроля положения осей рабочих валков прокатного ста- на (2), заключающийся в том, что закрепляют по отражателю (два) в торцовой части рабочих валков, направляют параллельные световые потоки (два потока) на торцы валков, по вращающимся отраженным световым пучкам формируют на двух- координатной светочувствительной поверхности изображение каждого отражателя, вращающееся при вращении валков, вырабатывают два переменных фотоэлектрических сигнала с несущей частотой модулирующего напряжения, соответствующих каждому изображению отражателя, у которых частота огибающих равна частоте врзще- ния валков, а амплитуда содержит информацию о величине смещения соответствующего валка, отфильтровывают два электрических сигнала с частотой равной частоте вращения валков, по двум отфильтрованным электрическим сигналам вырабатывают два электрических сигнала пропорциональных, соответственно, смещению каждого валка, суммируют их по величине суммарного электрического сигнала определяют величину зазора между валками

Недостатками фотоэлектрического способа контроля положения осей рабочих валков прокатного стана (прототип способа) являются: 1) громоздкость, 2) сложность, 3) низкая точность определения величины зазора,

Громоздкость обусловлена большим числом операций в способе. Большинство операций выполняются дважды: для каждого из валков в отдельности.

Сложность способа обусловлена, в первую очередь тем, что для определения величины зазора необходимо выполнить согласованно оптические операции (например, формирование изображения отражателей на определенным образом сориентированной в пространстве светочувствительной поверхности) и операции по обработке фотоэлектрического сигнала.

Низкая точность определения величины зазора обусловлена, в первую очередь, большим числом операций (большинство двойных), каждая из которых вносит свою погрешность в измеряемую величину. Во- вторых, как это следует из описания, необходимо, чтобы частоты вращения первого и второго валков были равны. Малые рассогласования, вызванные, например, различием в диаметрах валков, деформацией прокатываемой полосы и т.д., приводят к дополнительным ошибкам измерения величины зазора.

Цель изобретения -упрощение способа и повышение точности контроля величины 0 зазора.

Указанная цель достигается тем, что закрепляют отражатели на торцевой части каждого валка, направляют световые излучения на один из отражателей, регистриру- 5 ют параметры отраженного излучения, по измерениям которого судят о величине зазора, при этом выполняют отражатели в виде поверхностей вращения, за оси координат которых взяты оси симметрии поверхностей 0 и закрепляют так, что ось каждого из них совпадает с осью соответствующего валка, излучение направляют в меридиональной плоскости отражателя, а в качестве измеряемого параметра выбирают однокоординат- 5 ное смещение отраженного излучения.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки:

-выполняют отражатели в виде повер- 0 хностей вращения, за оси координат которых взяты оси симметрии поверхностей;

-закрепляют так. что ось каждого из них совпадает с осью соответствующего валка:

5 - излучение направляют в меридиональной плоскости отражателя;

-в качестве измеряемого параметра выбирают однокоординатное смещение отраженного излучения.

0 Фиг.1 иллюстрирует характер переотражения луча света в предлагаемом способе; на фиг.2 и фиг.З показано смещение луча при увеличении зазора между осями валков прокатного стана; на фиг,4 изображена схе5 ма расчета смещения луча и величины зазора при смещении оси первого валка; на фиг.5 - схема расчета смещения луча и величины зазора при смещении оси второго валка; на фиг.6 показано фотоэлектриче0 ское устройство контроля величины зазора между валками прокатного стана, реализующее способ.

В предлагаемом способе осуществляется контроль величины зазора между рабочи5 ми валками прокатного стана с помощью луча света. Валки могут располагаться как в вертикальной плоскости, так и в горизонтальной. Контроль может проводиться как при вращающихся валках, так и при неподвижных. На фиг.1 показано закрепление отражателей на шейках первого и второго рабочих валков. Отражатели 1 и 2, в данном конкретном примере, выбраны в форме прямых конусов. Оси симметрии отражателей совпадают с осями симметрии (или осями вращения) первого и второго валков, соответственно. Отражатели могут быть изготовлены либо отдельно и закрепляться в торцовой части валков, либо могут быть изготовлены непосредственно на валках, при этом отражающая способность поверхности мажет быть получена, например, полированием. На составленную отражательную систему направляют луч света 3. Луч света 3 направляется в меридиональной плоскости (и остается в ней) отражательной системы. Как видно из фиг.1. меридиональная плоскость совпадает с плоскостью, образованной осями вращения первого и второго валков. Эта плоскость располагается так. что выделяет на отражателях участки поверхности АВ и СД. Именно, от этих участков поверхности отражателей и происходит переотражение луча 3. Геометрическая форма участков определяется формой отражателей Для представленных на фиг.1 отражателей, участки АВ и СД являются отрезками прямой. Поэтому для описания поведения луча 3 при смещении осей валков вдоль оси Z (ось Z перпендикулярна осям вращения валков и лежит в меридиональной плоскости) достаточно рассмотреть плоскую (планиметрическую) задачу. которая иллюстрируется фиг.2 и фиг.З. На фиг,2 и фиг.З ось V является измерительной и направлена против оси Z. На фиг.2 показано положение луча 3 на оси V, когда оси валков не смещены. Из сравнения фиг.2 и фиг.З видно, что луч света 3 испытывает смещение AV при смещении осей первого и второго валков вдоль направления Z на AZi и AZ2, соответственно.

Известно, что в меридиональном сечении коническая поверхность работает как двугранное зеркало. Поэтому фигура АВОСД на фиг.2 и фигура д в о с д на фиг.З соответствуют меридиональному сечению двугранных зеркал (угловых или двойных зеркал), ребра которых перпендикулярны к меридиональным плоскостям в точках О и О1, соответственно. Из сопоставления фиг.2 и фиг 3 видно, что при смещении осей валков вершина двугранного зеркала в меридиональном сечении т.О (фиг.2) сдвигается и занимает положение т.О1 (фиг.З). Это и приводит к смещению луча 3 на величину (фиг.З).

Луч света 3 направляется на отражатели так. чтобы после переотражений выйти обратно из области двугранного зеркала.

На фиг.4 и фиг.5 представлены схемы расчетов смещения AV переотраженного луча и величины зазоры S между осями валков при нечетном числе отражений (три от- 5 ражения).

Схема зеркальных систем фиг.4 и фиг.5 равносильна по своему действию трем плоским зеркалам с общей линией пересечения,

0Рассмотрим фиг.4, Луч света при отсутствии смещения валков переотражается от участков АВ и СД, Точка О, соответствует положению ребра двугранного зеркала и является пересечением продолжения участ5 ков АВ и СД. Угол при вершине первого прямого конуса 6i , угол при вершине второго прямого конуса 62 . Оси вращения валков расположены горизонтально. Поэтому угол ВОС, как видно из фиг.4, равен

0 61/2+62/2. Луч света падает на поверхность первого отражателя в меридиональной плоскости под углом d, испытывает три отражения и падает на измерительную ось V. Поведение луча эквивалентно его отраже5 нию от одного плоского зеркала 33, которое на фиг.4 представлено отрезком 03. Угол ЗОВ равен 61/2+62/2. В точке G на эквивалентном зеркале происходит отражение продолжения луча света. При сме0 щении первого валка на величину AZi отражатель занимает положение А В , а его ребро перемещается в точку О , при этом эквивалентное зеркало перемещается параллельно самому себе и занимает положе5 ние ЭЗ1. Угол з о о1 равен 61+62- (1). Луч света смещается, как видно и фиг.4, также параллельно самому себе на измерительной оси на величину AVi, а его отражение от зеркала ЭЗ1 происходит в точке Е.

0 Угол падения на эквивалентное зеркало

а связан с углом падения d соотношением:

а а (6 дт}/2 - (2), которое вытекает из того факта, что эквивалентное зеркало по- 5 вернуто по отношению к первому отражателю на угол (6i+6a)/2 .

Ниже представленьгвыкладки, позволяющие по схеме фиг.4 установить связь между AZi, AVt и параметрами схемы.

0

Отрезок ЕД перпендикулярен к 30 и З О1. На фиг.4 ОМ параллельно АА1, поэтому ОМ AZi - (3). В треугольнике угол МО О равен (6i+62)/2 . а угол О МО равен 90° - 6i/2. В треугольнике О МО по теореме 5 синусов имеем:

O 0/sln (90° - 61 /2) ОМ /sin ((61+63)72)

Отсюда и из (3) следует:

О О {AZrcos (61 /2)}/(sin ((61+62) /2))

(4)

Отрезок ОР проведен перпендикулярно линии О з , поэтому ОР ЕД1 - (5). Так как треугольник О РО прямоугольный, то из (1), (4) и (5) следует:

РП №-cos((V2))sln((5i+&)

ED -sin((i+&)/2)-

По построению GF параллельна оси V, поэтому GF AVi - (8). В треугольнике GEF угол

GEF равен 2с1, угол EGF - (180° -a ),

о

и угол GFE - ( + fa -«). Поэтому, из теоремы синусов для треугольника EGF, из (2), (7) и (8), следует:

...ДЈ-со${(1/г)(3| +Л;) ln(2a-(di -t-A)),п.

AVl iin((5, ) ео.(а -( + Ь/ УчфП№ А -а) (9)

Рассмотрим фиг.5, Схема этого рисунка позволяет установить связь между смещением переотраженного луча на измерительной оси AV2, смещением оси второго валка AZ2 и параметрами схемы аналогично фиг.4. При смещении второго валка отражатель СД занимает положение с д, эквивалентное зеркало ЭЗ - положение ЭЗ , что и приводит к смещению луча на измерительной оси на . На фиг.5 отрезок ОМ параллелен оси Z, отрезки ОР и ЕД перпендикулярны линиям 03 и О З1, отрезок GF параллелен оси V. Поэтому ОМ -AZr(10). OP ЕДМ - (11). GF (12). Аналогия между фиг.5 и фиг.4 проявляется в том, что для фиг.5 справедливы соотношения (1), (2), (5) и при расчете также последовательно рассматриваются треугольники: О МО, О РО, CDI(E, CEF. Поэтому из фиг.5 получим:

пл1 Л7 cos(&/2)тч

((/i+d2y2)(13)l

ED л, °$(&/2) П4)

hu 2sln((di + ЬУ2) {

-, ... (дг/2)-Яп(()-81п(га-(д1 ))

ДУг +ЬУ)-т&-(Ј+&№«((№) Ы А -а)

Величина зазора S (расстояние между осями валков) определяется выражением:

S S0+ AZt- AZ2(16),

где So - первоначальная величина зазора. Из выражений (9), (15) и (16) следует:

sln(5i -))-со(а-(а1 + &)/2) +4 -а)

iin(b-(di-t-az5)ж

lcos(di/2)sln(di-t-dj)

AVi +

)

AVjl

(17)

Так как на измерительной оси V регистрируется смещение луча ДУ ДУ1 , поэтому необходимо чтобы S - So было пропорционально . Это возможно тогда, как это видно из (17), когда выполняется условие:

10 (5i+«52) (18)

Решая уравнение (18), получим связь между углами 5i и 62 :

15 (5i 90°-d2/2

(19)

Второе время эквивалентное зеркало должно располагаться так, чтобы его поступательное смещение приводило к смещению

луча вдоль оси V. Это возможно, если sin (2 a -( ))# 0, что хорошо согласуется с формулой (17). Отсюда получим услойие: a f 0i-hfe)/2 - (20).

Таким образом, в предложенном способе, при использовании отражателей в виде прямых конусов, величина зазора между осями валков прокатного стана может быть найдена по величине смещения переотраженного луча из формулы:

cos(a-0i )ч1пф1-1-А-а)/211

S 5 ;42a-(Si-Kb))-co5(VS) AVV

при условиях: 5i 90° - (52/2; а$() /2. В частном случае, когда отражатели одинаковы, т.е. . получим:

40

|-ь

cos(ez -do -slnfflo -а) s s°+ sin(2(() AV (22)

при условиях: 60 60°: а 60 .

Число переотражений и угол а , соответствующий этому числу переотражений, могут быть найдены либо из расчетов по

законам геометрической оптики, либо из литературных источников.

При нечетном числе отражений больших трех эквивалентном отражательной системы является одиночное зеркало. Число

отражений сказывается только на первоначальном положении этого зеркала. Поэтому связь между S и ДУ аналогична полученной выше и может быть получена по аналогичным схемам расчета

При нечетном числе переотражений Связь между ДУч, Д V2 и AZi AZa имеет, соответственно, разные знаки (формулы (9)

и (15)). Так как в выражение для величины зазора (16) смещения осей валков также входят с разными знаками, то это позволяет при нечетном числе переотражений определить величину зазора, как при смещении только одного из валков, так и при одновременном смещении первого и второго валков.

При четном числе переотражений отражательная система эквивалентна по действию угловому зеркалу (двойному). Поэтому связи между AVi,AV2 nAZi, AZ2, соответственно, имеют одинаковые знаки. Четное число переотражений может быть использо- ,вано для определения величины зазора при смещении одного из валков.

Предлагаемый способ проиллюстрирован для отражателей, имеющих вид тел (по- верхностей) вращения - прямых конусов, оси которых совпадают с осями вращения соответствующих валков. На фиг.4 и фиг.5 прямолинейные отражательные участки АВ и СД являются производящими линиями этих конусов. Положение этих участков в меридиональной плоскости остается неизменным при вращении валков и только поступательные смещения валков вызывают поступательные перемещения производя- щих линий. Это поступательное движение и вызывает смещение переотраженного луча, что позволяет определить величину зазора между валками. Аналогичный эффект будет получен, если отражатели выбрать в форме других тел (поверхностей) вращения: шара, эллипсоида вращения и т д. При этом и производящие линии и отражательные участки, соответствующие участкам АВ и СД на фиг.4 и фиг.5, не являются прямыми (например, для шара это части дуги окружности) Но и в этом случае, при вращении валков положение отражательных участков остается неизменным и только поступательное смещение валков вызовет поступательное перемещение отра- жательных участков. Это приведет к смещению переотраженного луча и дает возможность определить величину зазора между валками.

Конусные отражатели обладают тем преимуществом, что позволяют наиболее просто определить величину зазора при одновременном смещении первого и второго валков. Поэтому они используются в устройстве, реализующем предложенный способ, схема которого представлена на фиг.6.

Фотоэлектрическое устройство контроля величины зазора между валками прокатного стана, изображеннбе на фиг.6, содержит отражатели 1 и 2. закрепленные в торцовой части первого и второго валков, соответственно, источник света 3, испускающий луч света в меридиональной плоскости отражательной системы, фотоприемник 4, на который падает переотраженный луч, усилитель 5, индикатор 6,

Устройство работает следующим образом,

Направляют луч света от источника 3 в меридиональной плоскости на один из отражателей (на фиг.6 отражатель 1). Луч света переотражается между отражателем 1 и отражателем 2, выходит из области отражательной системы и падает на фотоприемник 4. Напряжение на выходе фотоприемника 4 пропорционально смещению луча света и может быть малым, так как может быть малым смещение валков в процессе проката. Поэтому напряжение с выхода фотоприемника 4 усиливается усилителем 5. Так как величина смещения переотраженного луча света однозначно связана с изменением величины зазора между валками прокатного стана, то по величине сигнала с усилителя 5 можно определить величину зазора Усиленное напряжение подается на индикатор б для визуального контроля за величиной зазора между валками прокатного стана и на систему автоматического управления нажимным устройством (САУНУ), если таковая применяется.

Одной из тенденций в повышении точности проката в металлургии является применение систем автоматического регулирования межвалкового расстояния. Предложенный способ и устройство могут быть использованы в качестве центральных элементов таких систем. Существенное упрощение (уменьшение числа операций и элементов, по меньшей мере в два раза) позволяет, во-первых, повысить точность измерения межвзлкового расстояния, во-вторых, расширить возможности в практическом применении способа, и, в- третьих, в конечном итоге, сделать его более надежным и дешевым.

Формула изобретения Способ контроля величины зазора между валками прокатного стана заключающийся в том, что закрепляют отражатели на торцовой части каждого валка, направляют световое излучение на один из отражателей, регистрируют параметры отраженного излучения, по изменениям которого судят о величине зазора, отличающийся тем, что. с целью упрощения и повышения точности контроля, выполняют отражатели в виде поверхностей вращения, за оси координат которых взяты оси симметрии поверхностей, и закрепляют так, что ось каждого из них совпадает с осью соответствующего вала, излучение направляют в меридиональной плоскости отражателя, а в качестве измеренного параметра выбирают одноко- ординатное смещение отраженного излучения.

яГъ

ось первою блпкл

Изобретение относится к контролю и регулированию технологических процессов при прокате. Может использоваться в системах автоматического регулирования толщины прокатываемой полосы, в системах автоматического управления нажимным устройством (САУНУ) в прокатных станах различных типов. Цель - упрощение способа и повышение точности измерения величины зазора. Луч света переотражают между отражателями в меридиональной плоскости отражателей и определяют величину зазора по однокоординатному смещению переотраженного в меридиональной плоскости луча, с помощью отражателей, выполненных в виде поверхностей вращения. За оси координат взяты оси симметрии поверхностей и закреплены так, что ось каждого из них совпадает с осью соответствующего валка 6 ил. 1 п.п.ф. ел С

.z

М.З

ft 25 )cb

//

,o

ce

t 62C8il

Tiu.fi

с СДУНУ