CN104972027A - 成型机和用于控制成型机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种成型机，尤其是一种轧环机，其包括朝向布置在成型机的工作区中的工件的光切传感器，该成型机能够以简单的机械结构精确地工作。

Description

成型机和用于控制成型机的方法

技术领域

本发明涉及一种成型机和一种用于控制成型机的方法。本发明尤其涉及一种轧环机和一种用于控制轧环机的方法。

背景技术

从现有技术中可以充分地了解到在很多方面都应用有相应的成型机，例如用作锻造机、轧机、轧环机、挤压机。通常，在这类成型机的成型过程中，前体材料(例如尤其是原型的前体材料)被制成半成品，或者半成品被制成工件，其中通过相应的成型工具对各个所成型的工件(即原型的前体材料、半成品或者其他的工件)施加为此所需的力和挤压。

尤其是，从现有技术、例如专利文献DE2504969A1或者DE3923275C2中可以充分地了解轧环机和此类机器的控制方法。这里，轧环机通常包括径向驱动机构和至少一个轴向驱动机构，所述径向驱动机构与在径向方向作用的径向轧辊的辊轴操作性连接，而所述轴向驱动机构与在轴向方向作用的轴向轧辊的辊轴操作性连接。在此，像例如专利文献DE2504969A1所述，轴向辊通常用于对待轧制的工件进行轴向的(即沿着平行于环形工件的旋转轴或者对称轴的方向)成型，而同时或者随后地为此通过径向轧辊对环件径向地相对于工件的旋转轴或者对称轴，或者相对于其垂直轴进行成型。轧辊芯棒常常与径向轧辊共同作用。

在此可以理解的是，带有其所属的辊轴的轧辊通常设置成通过相应的径向驱动机构或者轴向驱动机构进行旋转或者控制旋转。此外，这类成型机还包括线性轴，其通常液压式地调节并且例如用于相对彼此地设定这些轧辊。同样地，通过相应的线性轴还对其他的部件，例如入口引导件、轧辊芯棒或者其它部件进行相应的液压式调节控制。

因此，例如已经知道在轧环机中，成型过程可以通过机械式感应辊或者带有激光点的激光三角测量仪进行监控，并且在必要时还可以以控制或者调节的方式在轧制过程中进行干预。对于非常高的环件或者套筒来说，有时可以使用多至三个激光点用于三角测量。根据专利文献DE3923275C2，成型步骤还可以经由暗影成像通过纹影挡板进行监控，然而这同样地在结构上会非常地复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种成型机和一种用于控制成型机的方法，其在简单的机械结构下还能精确地操作。

本发明的目的是通过具有如独立权利要求所限定特征的成型机和用于控制轧环机的方法来实现。在从属权利要求和下面的描述中记载了其它的、必要时独立于上述特征的优选的实施例。

对于这点，本发明是基于以下基本原理，即通过恒定的激光线(使用光切传感器对其进行测量)，可以在成型期间(确切说只要工件位于成型机的工作区中)按照能够对施加在工件上的成型力的效果的细节进行监控的方式准确地追踪轮廓。根据具体的设计方案，具有相应照相机的光切传感器的恒定的激光线能够同时测量和评估超过500个或者超过1000个或者甚至超过3000个测量点。对此，通常在这类光切传感器(其有时也称为光截面-轮廓传感器或者光截面-三角测量传感器)中具有类似于带有点激光的激光三角测量仪的成像系统，然而该成像系统带有线性透镜和平面传感器，其中激光借助线性透镜(例如柱面透镜)形成光线并投射在测量物体上，并且反射的光通过成像透镜在平面传感器上成像，接着可以对所成像的激光图像进行几何矫正和评估。由此，尤其可以精确地辨识在轧制环件时可能出现的弯曲或者其他的扭曲现象。同样可以理解的是，还可以对在其他的成型过程中局部或者仅短时间出现的轮廓变形进行准确的测定和监控。同样地，通过大量地拍摄成像点，可以进行各个测量值和测量结果的误差分析。

虽然在专利文献DE102010046737A1或者DE1012011000304A1中已经基本上公开了在成型机中使用光切传感器，但是这里测量要么在成型之前要么在成型之后进行，从而不能在成型期间进行有目的的干预，尤其是考虑到单个的工件对各个成型过程的反应的干预。

如果成型机包括光切传感器，其朝向布置在成型机的工作区中的工件，并且为在成型期间相对于工件设置至少一个成型工具的成型控制设备来显示输入量，那么包括至少一个对布置在成型机的工作区中的工件起成型作用的成型工具的成型机便能够以简单的机械结构精确地操作。

同样地，如果在成型机中成型的工件的轮廓借助光切传感器来监测，那么能够确保在简单的机械结构下进行精确的操作以控制成型机。

可以理解的是，通过光切传感器提供的恒定的激光线的优点也可以在使用多个光切传感器(尤其是当它们交叉地设置或者以其他的线性无关的方式式布置)时作为相应的优点。同样地还可以考虑，使用覆盖激光区域的相应的扇形激光束来代替笔直的激光线。

相应的轮廓监控还可以用于控制成型机或者轧环机，其中这一点(还可以独立于本发明其它的技特征)使得相应的轧环机能够以简单的机械结构成本实现出色的精确操作。

根据上文，概念“工作区”是指当工件在成型机中成型时它所占据的区域。轧制过程是指这样的空间范围，即在其内部工件通过轧辊，且只要工件与至少一个轧辊接触即可。尤其对于用于轧制长条工件的多机架式轧机而言，后者会导致比较长的工作区，这是因为当接触到第一个轧辊机架的第一个轧辊时，对于工件的还没有到达第一个机架的区域而言是到达了工作区域。同样地，当工件的尾部与最后的轧辊机架的轧辊接触时，工件的区域按照定义仍然处于相应成型机的工作区中。无论如何，工作区都包括在成型中的工件的被成型力和由于成型力而在工件中存在或被施加的应力所贯彻的区域。如此，刚刚离开挤压机的挤压凹模的区域或者刚刚离开轧辊孔径的工件的区域通常会一直处于轧制力和应力的作用下，直至它到达相对于相应的成型工具足够远的距离处。在此，无论如何这类区域都应当算作工作区域。

关于这点可以考虑，将这类光切传感器直接布置在轧机装置的不同的机架之间或者直接布置在挤压机的出口处，以便获得关于相应的轮廓的实时信息，以及在必要时甚至对刚刚成型的工件的成型过程进行干预。

优选地，光切传感器朝向在其中成型工具起成型作用的成型区。如上文所述，成型工具不必仅在它所接触的区域中挤压在工件上。相反，在工件中通过成型力施加到工件中的应力会深入到工件中，并且经常还进一步地到达其中工件没有与成型工具接触的区域。关于这点，在其中成型工具对工件起作用的整个成型区域称为成型区。如果光切传感器朝向工件的成型区或者位于成型区中的工件的表面，那么可以非常直观的获得在成型时出现的应力和作用力或者在那里出现的轮廓变化的情况。这使得能够很有目的地和直接地对成型过程进行干预。

例如还可以考虑，将光切传感器直接对准任意一个轧辊或者挤压凹模的后面或者前面的区域。尤其是，光切传感器还可以朝向在不同的彼此相随的轧辊机架之间的工件区域，并且对轧辊机架之间的各个工件的单独的轮廓变化进行捕捉。如果轧辊之间的轧辊孔径没有完全关闭，那么尤其还可以对轧辊之间进行测量。

由于其线性监测的可能性，光切传感器在必要时不仅可以沿着半径方向而且还可以沿着轴线方向监测工件的表面，尤其是对直至工件的上边缘或者下边缘(即沿着轴向方向)进行监测。就此而言，还可以在必要时相应地在成型期间对轴向的轮廓进行测量或者监测。可以理解的是，还可以在必要时相应地设置另外的光切传感器，以使监测更精确。同样地还可以考虑在其他位置处设置光切传感器，并且相应地用于监测。

如果成型机包括至少两个同时相对着作用在工件上的成型工具，例如轧辊、锻造模具或者弯曲模具，那么当光切传感器朝向位于这两个成型工具之间的工件的区域时是有利的。通常，这可以对成型时出现的应力和力或者轮廓变化给出非常准确的图像。

在此作为替换或者附加，光切传感器可以朝向两个成型工具中的一个成型工具的至少一个朝向工件的成型面。这使得能够通过以下方式在成型过程中跟踪成型工具相对于工件的相对运动，即在必要时不仅能够捕捉到成型面还可以捕捉到在成型面附近的工件的表面，以便能够通过这种方式对成型过程进行优化。例如在轧制锥形的环件时，可以使上方和下方的轴向轧辊的转速与主轧辊的周向速度相适应。与之相比，较差的适应会由于不同的接触速度而导致张紧的和质量较差的轧制环件。

可以理解的是，当光切传感器朝向两个成型工具的至少一个朝向工件的成型面时，上述设计方案尤其有利地适用于精确的操作。同样可以理解的是，不仅成型面而且在成型面附近的工件的区域以及优选地在这两个成型工具之间的工件的整个区域可以相应地通过光切传感器来监测。关于这点需要说明，(根据本发明的具体的实施情况)还可以互补式地使用多个光切传感器，只是后者的缺点是会导致高昂的成本，尤其是迄今已知的带有激光点和三角测量仪的测量结构不能通过光切传感器来简化，通过使用多个传感器不再具有这样的尺寸，其中由于测量结果的精确度的原因这里必须进行一下权衡。

关于这点可以理解的是，当基于需要的测量精度或者基于扩展的测量或监测的可能性显示出这个需求时，还可以使用多个光切传感器。相应地，成型机可以包括至少两个朝向布置在成型机的工作区中的工件的光切传感器，或者借助至少两个光切传感器来监测在成型机中成型的工件的轮廓。

尤其是，这两个光切传感器可以交叉地或者也可以线性无关地对齐，使得能够相应地捕捉和监测工件的不同区域。例如，可以同时监测不同的区域，例如轴向的轮廓和径向的轮廓，这可以例如通过以下方式实现，即这两个光切传感器不仅径向地而且还轴向地对准工件。还可以考虑，借助两个交叉地或者也可以线性无关地对齐的光切传感器来对工件的一个区域中的不同的位置进行监测，例如用第一个平行地对准所轧制的环件的光切传感器对在两个轴向轧辊之间的表面和位于其间的成型区进行监测，以及通过与此垂直地朝向环件的光切传感器对该区域中的环件的曲率进行监测。

在此作为替代或者附加，可以将两个光切传感器以共线的方式对齐。这导致可以相应地扩展测量和监测的可能性。优选通过以下方式对齐，即相应激光线以没有间隔并且仅有少量重叠的方式共线地对齐，从而由此能够首先相应地提高精确度或者相应地扩展测量区域。可以理解的是，重叠部分也可以扩展到测量区域，其中在必要时在重叠部分中还可以存在用于扩展查错的可能性，在必要时重叠部分可以选择得稍微较大。

优选地，在成型期间测量轮廓，从而能够在与基准轮廓比较时得出关于成型过程的准确结果。尤其是，当在成型期间进行比较时，能够基于测量或者基于比较对直接干预或者甚至对用于调节成型机的调节过程提供支持。相应地，还可以从比较结果中产生对成型机的成型过程的控制式干预，并且由此控制轧制过程以与比较结果相适应。尤其是还可以，产生调节式的干预，或者构成和使用在利用比较结果的情况下控制成型机的调节回路。

根据上文可以理解的是，光切传感器的相应的优点能够在所有具有成型工具的成型机中作为相应的优点，所述成型工具对布置在成型机的工作区中的工件起成型作用。尤其是，相应的锻造机、推进机、压力机、轧机、挤出机、折叠机、深拉机、波纹机、压边机、拉直机、弯曲机、拉幅机和压缩机能够相应有利地设置相应的对准的光切传感器。特别有利的是轧机或压机能够相应地对齐。这尤其可相应有利地适用于轧环机。

轧环机可以具有至少一对轴向轧辊作为成型工具，其中光切传感器可以从轧辊对中的第一个轧辊向轧辊对中的第二个轧辊进行测量。这直接导致从第一个成型工具直到第二个成型工具的测量，其中不仅在径向轧辊中而且在轴向轧辊中都可以有利地进行相应的测量。通过这种方式，测量总是直接在成型区中进行，使得尤其能够在轧制期间对轮廓进行监测。

可以理解的是，(必要时)在此作为累加或者替代，相应的光切传感器还可以设置在另外的位置处。如此，相应的光切传感器可以在环件的未承载区域中(例如在径向轧辊和轴向轧辊之间，在相对于环件关于径向轧辊或者轴向轧辊错开90度的区域中)朝向工件。由于此处通过轧辊施加的可能的轧制力不再作用于轧制材料的结构，因此这是在成型区以外的工作区中进行轮廓监测。

从一个轧辊向另一个轧辊(它们彼此相对地作用在工件上)的测量使得能够控制对锥形环件的轧制，使得接触速度能够被优化，以便通过这种方式抵消应力或者较差的轧制结果。同样地，还可以显示和评估实际的轮廓符合程度或者将实际的轮廓与基准轮廓进行比较。在必要时，机器控制装置甚至可以借助容差带定性地评价轮廓轧制过程。

理论上，在评估中还可以将轧制过程的所有测量的光截面依次排列，并且由此显示出随时间发展的整个成型过程(尤其是三维显示)。这还可以优化整个轧制过程。以实时的方式和/或准实时(例如每十秒)的方式进行相应的测量，这对于准确的测量并且尤其对于调节成型机是有利的；于是可以获得准确的图像，其在必要时也可以用于调节过程。

优选地，光切传感器布置在轴向轧辊机架上或者在远离径向轧辊机架的位置处，并且朝向工件。由此可以确保，光切传感器尤其能够在其径向侧面精确和简单地捕捉工件，以便实现其监测功能。

尤其是，光切传感器可以例如布置在轴向机架上，并且因此与轴向机架一起在必要时做径向移动，使得它在环件轧制过程中精确地相对于工件对准。

通过可在垂直的Z轴上自由选择的直径坐标，可以进一步简化轧环机的机械结构。这使得可以不必对一个或多个三角测量器机械地调整高度，这是因为与之相比可以非常灵活地使用光切传感器。

上述设计方案尤其对于最大2000kN轧制力的小型和中型的轧环机是有益的。然而，该设计方案对于最大45000kN轧制力的大型的轧环机也是有益的。

尤其有益的是，在温度超过800摄氏度、优选地在温度超过850摄氏度时起成型作用的成型机中或者在相应的成型过程中相应地使用光切传感器，这是因为能够以不接触或者比较直接的方式进行测量，使得尤其还能在成型期间进行测量，并且在必要时还可以相应地进行评估。这也适用于在热成型式成型机中或者在热成型时使用光切传感器的情况。

可以理解的是，当相应的光切传感器相应地朝向工件以及相应作用的成型工具时，上述关于轧环机的优点，只要它们涉及到布置光切传感器或者在径向轧辊和轴向轧辊之间设计测量线，对于带有两个成型工具的其他的成型机同样是有益的。

可以理解的是，上述或者在权利要求中描述的技术方案的特征在必要时还可以相互组合，以便能够累积地实现相应的优点。

附图说明

本发明的其他的优点、目的和特性借助下面的实施例的描述来说明，这些实施例也特别在附图中示出。其中：

图1显示了轧环机的示意性侧视图。

具体实施方式

在附图中显示的作为成型机1而设计的轧环机4包括多个液压式调节的线性轴2，以及径向驱动机构6和轴向驱动机构7、8，这些线性轴2分别通过线性驱动机构3(例如液压缸)来控制，径向驱动机构6和轴向驱动机构7、8分别通过辊轴9来驱动相应的作为成型工具25的径向轧辊10和轴向轧辊11、12。

以已知的方式，轧环机4包括径向轧辊支架15，芯棒提升机构16可以通过上牵引框架17在其上径向地移动，其中芯棒提升机构16本身可以轴向地移动最终同样作为成型工具25而与径向轧辊10一起径向作用的芯棒(没有示出)。同样地，为其它的部件设置了下牵引框架18。例如，在图中显示的轧环机4还具有入口侧的中心件19以及可径向移动的轴向轧辊机架14，该轴向轧辊机架携带两个轴向轧辊11、12和可轴向移动的滑动件20，借助该滑动件可以轴向地设定两个轴向轧辊11、12中的上轴向轧辊11。在本实施例中，所有的移动可能性都经由液压式调节的线性轴2借助线性驱动机构3来控制。

在本实施例中，与径向轧辊10连接的径向驱动机构6的辊轴9可以一体式地构造，其中在替代的实施例中它还可以构造成多个，然而它们同轴式地布置。

在轴向轧辊机架14处布置了光切传感器13，其朝向待轧制的工件或者朝向工件可以布置在其中并在轧制期间在其中旋转的工作区23。在具体的实施例中，光切传感器13朝向两个轴向轧辊11、12之间的成型区24，在该成型区中这些轴向轧辊11、12以其成型面26成型式地作用在工件或者待轧制的环件上。

通过将光切传感器13布置在轴向轧辊机架14处，可以确保光切传感器13分别相对于工件和轴向轧辊11、12保持基本恒定的距离。这使得考虑到轴向轧辊机架的定位能够进行特别简单的调节。

在附图中显示的成型机1或者轧环机4使得能够基于光截面激光器或者基于光切传感器13而在作为工件的热的环件(其温度通常在900摄氏度与1200摄氏度之间)的金属面上投射恒定的激光线，并且在轧制期间同时进行测量。通过这种方式，能够在轧制期间捕捉到不同轮廓形状的细节，而这些通过机械的感应辊或者借助三角测量激光仪(即使这里可以使用多达三个三角测量激光仪)不可能一次就获得。

尤其是还可以将基准轮廓与实际轮廓进行比较，这一方面例如可以在监控器上进行，使得使用者有机会看到和评估实际的轮廓符合度。借助容差带，机器控制装置还可以定性地评价轮廓轧制情况。同样地还可以考虑，基于这些评估对成型过程进行干预，即对成型机1或者轧环机4进行控制或者进行调节。

优选地，光切传感器13或者(根据具体的要求)只有光切传感器13的显示屏或者拍摄的照像窗口可以沿着Z轴方向进行设置。由此可以获得一种可能性，即可以在Z轴方向自由地选择待测量的直径坐标，因为可以不必机械地调整高度，所以由此大大地简化了机械结构。

通过在附图中显示的装置可以测量上方和下方的轴向轧辊11、12与工件的接触位置，由此轴向轧辊11、12的转速可以与径向轧辊10的旋转速度或者与在轴向轧辊11、12处出现的速度相适应。这尤其对锥状的环件有利，这是因为由此可以获得更好的轧制结果。可以理解的是，虽然这里最终是一种更加简单的情况，但是对于圆柱形的环件也可以相应地利用这个优点。

光切传感器23的测量结果可以作为输入量28提供给成型控制设备27，该成型控制设备27借助相应的输出量29来设定线性驱动机构3和驱动机构6、7、8，以及芯棒提升机构16和其它机构，这优选地以调节回路的形式进行。可以理解的是，必要时还可以通过成型控制设备27来使用其他的输入量。

附图标记：

1 成型机

2 线性轴

3 线性驱动机构

4 轧环机

6 径向驱动机构

7 轴向驱动机构

8 轴向驱动机构

9 辊轴

10 径向轧辊

11 上轴向轧辊

12 下轴向轧辊

13 光切传感器

14 轴向轧辊支架

15 径向轧机支架

16 芯棒提升机构

17 上牵引框架

18 下牵引框架

19 入口侧的中心件

20 滑动件

23 工作区

24 成型区

25 成型工具

26 成型面

27 成型控制设备

28 输入量

29 输出量

Claims (23)

1.成型机(1)，包括至少一个对布置在所述成型机(1)的工作区(23)中的工件起成型作用的成型工具(25)，其特征在于，所述成型机(1)包括光切传感器(13)，所述光切传感器朝向布置在所述成型机(1)的工作区(23)中的工件，并且为在成型期间对所述至少一个成型工具(25)相对于所述工件进行设定的成型控制设备(27)显示输入量。

2.如权利要求1所述的成型机(1)，其特征在于，所述光切传感器(13)朝向成型区(24)，在所述成型区中所述成型工具(25)起成型作用。

3.如权利要求2所述的成型机(1)，其特征在于，所述成型机(1)具有至少两个同时且相对着作用在所述工件上的成型工具(25)，并且所述光切传感器(13)位于所述两个成型工具(25)之间的工件的区域中，和/或朝向所述两个成型工具(25)中的一个成型工具的至少一个朝向所述工件的成型面(26)，优选地朝向所述两个成型工具(25)的至少一个朝向所述工件的成型面(26)。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的成型机(1)，其特征在于，所述成型机(1)包括至少两个光切传感器(13)，其朝向布置在所述成型机(1)的工作区(23)中的工件。

5.如权利要求4所述的成型机(1)，其特征在于，所述两个光切传感器(13)交叉地或者也可以线性无关地对齐。

6.如权利要求5所述的成型机(1)，其特征在于，所述两个光切传感器(13)不仅径向地而且还轴向地对准所述工件。

7.如权利要求4所述的成型机(1)，其特征在于，所述两个光切传感器(13)共线，优选地以没有间隔并且仅有少量重叠的方式对齐。

8.如权利要求1至3中任意一项所述的成型机(1)，其特征在于，所述成型机(1)是轧机或者挤压机，和/或所述成型机(1)是热成型式的成型机。

9.如权利要求8所述的成型机(1)，其特征在于，所述轧机是轧环机(4)。

10.如权利要求9所述的成型机(1)，其特征在于，所述轧环机(4)具有至少一对径向轧辊(10)和/或至少一对轴向轧辊(11、12)作为成型工具(25)，并且所述光切传感器(13)从轧辊对中的第一个轧辊向轧辊对中的第二个轧辊进行测量。

11.如权利要求9所述的成型机(1)，其特征在于，所述光切传感器(13)布置在所述轧环机(4)的轴向轧辊机架(14)上并且朝向所述工件。

12.如权利要求9所述的成型机(1)，其特征在于，所述光切传感器(13)布置在远离所述径向轧辊机架(15)的位置上并且朝向所述工件。

13.用于控制成型机(1)的方法，其特征在于，借助光切传感器(13)来监控在所述成型机(1)中成型的工件的轮廓。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在成型期间测量所述轮廓，并且与基准轮廓进行比较，其中优选地在成型期间进行该比较；并且优选地从比较结果中产生控制式的干预，尤其是在成型机(1)的成型过程中产生调节式的干预。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，借助至少两个光切传感器(13)来监控在所述成型机(1)中成型的工件的轮廓。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述两个光切传感器(13)交叉地或者也可以线性无关地对齐。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述两个光切传感器(13)不仅径向地而且还轴向地对准所述工件。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述两个光切传感器(13)共线，优选地以没有间隔并且仅有少量重叠的方式对齐。

19.如权利要求14至18中任意一项所述的方法，其特征在于，所述成型机(1)是轧机或者挤压机，和/或所述成型机(1)是热成型式的成型机。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述轧机是轧环机(4)。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述轧环机(4)具有至少一对径向轧辊(10)和/或至少一对轴向轧辊(11、12)作为成型工具(25)，并且所述光切传感器(13)从轧辊对中的第一个轧辊向轧辊对中的第二个轧辊进行测量。

22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述光切传感器(13)布置在所述轧环机(4)的轴向轧辊机架(14)上并且朝向所述工件。

23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述光切传感器(13)布置在远离所述径向轧辊机架(15)的位置上并且朝向所述工件。