1200mm双机架平整机轧制力控制系统设计

1200mm双机架平整机轧制力控制系统目录第1章摘要 (3)第2章绪论 (4)第3章硬件部分基本模块介绍 (8)3.1 基本工作原理图 (8)3.2 基本模块介绍 (8)3.2.1应变片传感器 (8)3.2.2A/D转换器模块 (13)3.2.38051单片机芯片介绍 (15)3.2.4 LED数码显示管 (18)3.2.5 D/A转换器 (20)第4章软件部分及其介绍 (23)4.1 数据处理子程序的设计 (23)4.2 数据采集子程序的设计 (24)心得体会 (26)参考文献 (27)摘要平整机的主要作用是消除退火带钢的屈服平台，调制好带钢的力学性能；改善带钢的平直度；使带钢表面具有一定的粗糙度，消除带钢表面的轻微缺陷。

平整机中，轧制力是一个非常重要的控制量，延伸率的调节直接受轧制力的影响，稳定的延伸率控制是保证带钢质量的重要手段。

绪论平整是提高板形质量的重要手段，也是确保冷轧带钢成品质量后一道关键工序。

而平整轧制力的准确计算是解决平整生产时板形问题的关键，平整轧制在保证带钢内部组织性能满足用户需求方面，起着至关重要的作用。

平整机是冷轧生产变形轧制的最后一道工序，在该工序造成的表面缺陷是不可弥补的。

而将张力分为三段、四段控制，可以很好的解决开卷过程中引起的不可消除的表面划伤。

在平整机中，张力的放大、缩小与分段是通过S 型张力辊来实现的。

通常所用的平整设备的布置形式如图所示。

轧制力：在轧制时轧辊加于轧件使之塑性变形的力。

但通常把轧件作用于轧辊上并通过压下螺丝传递给机架的力称做轧制力，即是轧件加于轧辊的反作用力的垂直分量。

轧制力在我国习惯称做轧制压力或轧制总压力。

图1给出轧辊加于轧件的力，P r为轧制力,它垂直于轧辊表面；T 为摩擦力；L p为变形区水平投影长度。

轧制力是确定轧机强度的基础。

正确计算和测定轧制力，对于设计和使用轧机均有很大意义。

影响轧制力的因素为了便于分析，可把影响因素分为两类：①影响轧件材料在简单应力状态下变形抗力σ0的因素，如化学成分、组织、轧制温度和速度、加工硬化等；②影响变形的应力状态的因素,如轧辊直径、轧件尺寸、表面摩擦、外力（张力或推力）等。

轧制力由于影响轧制力的因素很多，而且在实际生产条件下各因素变动范围较大，所以虽有多种方法计算轧制力，但仍未能取得满意的结果。

一般来说，确定轧制力的方法可以分为理论计算,用总结实验值的经验公式计算,以及实测法三种：轧制力的理论计算方法有截面法、滑移线法、能量法、上下界法、有限元法等，其中截面法（也称工程近似法）应用最广。

截面法中有代表性的是卡门（T.von Karman）方程（1925年提出）。

此方程为在一定假设条件下于变形区取任意截面（图2），根据力平衡条件导出式中σx为加在微分体上的应力，P r为轧辊加于轧件微分体上的单位垂直压力，μ为轧辊与轧件间的摩擦系数；θ为微分体所在的角。

再列入有关轧件的塑性变形条件、摩擦条件以及变形区的边界条件等，即可求出沿接触弧的单位压力分布,再求和即可得出轧制力P。

由所采取求解的假定不同，就可得出种种不同的公式和计算方法。

比较简化实用的是由解上述方程而得到的采利科夫(Α.И.Целиκов)公式。

其他还有奥罗万(E.Orowan)方程,应用也较广，它在应力分布和条件等方面的假设与上述稍有不同，用此方程，布兰德－福特(D.B.Bland-H.Ford)建立了用于冷轧的公式，西姆斯（R.B.Sims）建立了用于热轧的公式。

轧制力轧制力的理论计算公式均较复杂，又都对实际变化着的许多条件因素作不同的简化,所以公式虽然很多,但应用范围均受一定条件限制，精度也较差。

轧制力的经验公式由于理论公式的上述缺点，实际中常应用一些经验公式，如常用的计算热轧碳钢轧制力的埃克伦德（S.Ekelund）公式：式中K f为变形抗力，K f=K 2ηυ/(h0h1)；K=(14-0.01t)(1.4 C% Mn%)；η=0.01(14-0.01t)；f为摩擦系数,f＝1.05～0.0005t；t为轧制温度(℃)；v为轧辊圆周速度；b m为轧件平均宽度；Δh为压下量；R为轧辊半径。

目前轧机上实测轧制力的技术有很大发展，轧机上的测力传感器通称压头，常用的有电阻应变式和压磁式两种，随着轧机自动控制的发展，它已成为现代轧机必备的检测手段（见轧机弹性变形）。

第一章.硬件部分基本模块介绍3.1基本工作原理框图3.2基本模块介绍主要由以下几部分组成：应变片式压力传感器，ADC0809 A/D 转换器，80C51单片机，和LED 数码显示管组成。

3.2.1 应变片传感器电阻应变片工作原理： 基于金属丝的电阻应变效应。

金属丝的电阻应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化的现象。

电阻—应变特性，由物理学可知，金属丝的电阻为：式中，R 为金属丝的电阻（Ω）；ρ为金属丝的电阻率（Ω·m ）；L 为金属丝的长度（m ）；S 为金属丝的截面积（m2）。

SL R ρ=当金属丝受拉而伸长d L 时，其横截面积将相应减小d S ，电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也将改变d ρ，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变d R 。

可写成相对变化的形式：其中：（r 为金属丝半径）εx =d L /L 为金属丝的轴向应变；εy =d r /r 为金属丝的径向应变。

金属丝受拉时，沿轴向伸长，沿径向缩短，二者之间的关系为 ：x y μεε-= 式中，μ为金属材料的泊松系数。

ρρεμd )21(d ++=x R R 或()x x R R ερρμε/d 21/d ++=。

灵敏系数：()xxS RR K ερρμε/d 21/d ++==KS 称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。

显然，KS 越大，单位变形引起的电阻相对变化越大。

关于灵敏系数讨论:金属丝的灵敏系数 受两个因素影响：第一项（1+2μ）是由于金属丝受拉伸后，材料几何尺寸发生变化而引起的；第二项是由于材料发生变形时，材料电阻率发生变化所引起的。

其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故，这项可能是ρρd d d d +-=S S L L R R rrS S d 2d =sK正值，也可能是负值，但作为应变片材料都选为正值，否则会降低灵敏度。

实验表明:在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化d R /R 与应变εx 是成正比的，因而 为一常数电路图：直流电桥平衡条件电桥电路如图所示，图中E 为电源电压，R 1、R 2、R 3及R 4为桥臂电阻，R L 为负载电阻。

当R L →∞时，电桥输出电压为当电桥平衡时，U o=0，则有R 1R 4=R 2R 3或公式为电桥平衡条件。

这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+=433211R R R R R R E U oAI U o 4321RR R R =s K单臂工作：应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。

由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。

当受应变时，若应变片电阻变化为ΔR ，其它桥臂固定不变，电桥输出电压U o ≠0，则电桥不平衡，输出电压为设桥臂比n =R 2/R 1，由于ΔR 1<<R 1，分母中ΔR 1/R 1可忽略并考虑到平衡条件R 2/R 1=R 4/R 3，则式可写为sr sr sc 4141U K U R R U ⋅⋅⋅=⋅∆⋅=ε 四臂工作：设R1、R3产生正ΔR 的变化，R2、R4产生负ΔR 的变化，且ΔR 绝对值相等，即R1、R3产生正应变，R2、R4产生负应变，且应变的绝对值相等，则电桥的输出为单臂工作的四倍。

3111123414112344131124113()()11o R R R U E R R R R R R R ER R R R R R R R R ER R R R R R ⎛⎫+∆=- ⎪+∆++⎝⎭∆=+∆++∆=⎛⎫⎛⎫∆+++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭E R R n n U o 112)1(∆+=srsr sc U K U RR U ⋅⋅=⋅∆=ε电压放大器：用应变片传感器采集的信号应经过电压放大器放大之后再传送给ADC0809转换器。

反馈放大器的设计：1. 对于电压反馈和电流反馈，是根据反馈网络的取样信号的性质来进行分类的。

1）将负载短路（RL=0），若反馈信号消失，可以判断该反馈属于电压反馈2）将负载开路（RL取无穷大），若反馈信号消失，可以判断该反馈属于电流反馈3）若上述两种情况下反馈信号均不完全消失，则在电路中既有电压反馈又有电流反馈2. 对于串联反馈与并联反馈，是根据反馈信息与输入信号之间的叠加关系进行分类的。

1）若输入信号、反馈信号和基本放大器输入端三者形成串联关系，则为串联反馈。

2）若上述三者形成并联关系，则为并联反馈。

电压放大电路原理图3.2.2A/D转换器模块模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。

通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。

A/D 转换器大致有三类：一是双积分A/D 转换器，优点是精度高，抗干扰性好；价格便宜，但速度慢；二是逐次逼近A/D 转换器，精度，速度，价格适中；三是并行A/D 转换器，速度快，价格也昂贵。

实验用的ADC0809 属第二类，是八位A/D 转换器。

每采集一次一般需100us。

本程序是用延时查询方式读入A/D 转换结果,也可以用中断方式读入结果,在中断方式下，A/D 转换结束后会自动产生EOC 信号，将其与CPU 的外部中断相接,也可以得到实验结果。

实验仪上有一个0~5V的可调电位器，将可变电压输出端接入A/D转换电路的输入端，通过CPU软件处理，读进A/D转换值，再将转换值送数码管显示。

模拟信号由传感器转换为电信号，经放大送入AD 转换器转换为数字量，由数字电路进行处理，再由DA 转换器还原为模拟量，去驱动执行部件。

为了保证数据处理结果的准确性，AD转换器和DA转换器必须有足够的转换精度。

A/D转换器原理图A/D转换器的结构如图所示，外部只有四个引脚可以连线，IN0，IN1，EOC,A/D_CS。

AD0-AD7为八位数字量输出端，IN0-IN7为八位模拟信号输入端，A0、A1、A2与ALE控制八路模拟通道的交换，分别与三根地址线与数据线相连，三个编码对应8个通道口地址，AD0809虽然有八路模拟通道可以输入八路模拟信号，但是每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现，这里采用IN0为输入通道，由压力传感器的输出端直接与其相连作为输入信号。