DE19839286A1

DE19839286A1 - Verfahren und Einrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metallband

Info

Publication number: DE19839286A1
Application number: DE19839286A
Authority: DE
Inventors: Andre Berghs; Joachim Baumann; Martin Beyfus; Felix Tuerk
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Primetals Technologies Germany GmbH
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2018-08-29
Also published as: US6357301B1; SE9903014L; DE19839286B4; SE519364C2; SE9903014D0

Abstract

Verfahren zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metallband (1) zwischen zwei Walzgerüsten (3), zwischen einem Walzgerüst (3) und einem Haspel, in einem Streckgerüst oder vor oder hinter einer Umlenkrolle, wobei das Metallband (1) ausgelenkt und die Auslenkung des Metallbandes (1) mittels zweier oder mehrerer über die Breite des Metallbandes (1) angeordneter Sensoren (21, 22, 23, 24) gemessen wird, wobei die Zugspannungsverteilung (sigma) in dem Metallband (1) in Abhängigkeit von der Auslenkung (A) des Metallbandes (1) berechnet wird, und wobei die Meßwerte von Sensoren (21) im Randbereich des Metallbandes (1), deren Meßbereich unvollständig durch das Metallband (1) abgedeckt ist, korrigiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Einrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metallband zwischen zwei Walzgerüsten oder zwischen einem Walzgerüst und einem Haspel. Die Erfindung ist außerdem im Zusammenhang mit S-Rollen und Streckgerüsten einsetzbar.

Beim Walzen von Metallbändern, insbesondere beim Kaltwalzen, muß die Zugspannungsverteilung im Metallband entlang der Me tallbreite on-line bestimmt, d. h. in der Regel gemessen wer den, denn die Zugspannungsverteilung ist die entscheidende Größe für die Regelung der Planheit des Metallbandes.

Es ist z. B. bekannt, das Metallband über eine sogenannte Meß rolle, d. h. eine segmentierte Umlenkrolle, zu führen, die in Abständen von ca. 2-5 cm piezoelektrische Drucksensoren auf weist. Die auf die Sensoren wirkende Kraft ist dabei ein Maß für die Zugspannungsverteilung. Das Verfahren ist berührend - und kann daher Eindrücke im Metall hinterlassen - und ist zu dem verschleißbehaftet und somit wartungsintensiv. Besonders nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, daß für den Rand bereich des Metallbandes nur unvollkommene Meßwerte vorlie gen, wenn dieses z. B. einen piezoelektrischen Drucksensor nur teilweise überdeckt. Aufgrund der starken Verfälschung eines Meßwertes bei teilweise Überdeckung werden diese Meßwerte verworfen, so daß für den Randbereich keine Zugspannungsmeß werte vorliegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Ein richtung zur Vermeidung oben bezeichneter Nachteile anzuge ben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren bzw. ei ne Einrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 7 gelöst. Dabei wird zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metall band das Metallband ausgelenkt und die Auslenkung des Metall bandes mittels mehrerer über die Breite des Metallbandes an geordneter Sensoren gemessen, wobei die Zugspannungsvertei lung in dem Metallband in Abhängigkeit von der Auslenkung des Metallbandes berechnet wird, und wobei die Meßwerte von Sen soren im Randbereich des Metallbandes, deren Meßbereich un vollständig durch das Metallband abgedeckt ist, korrigiert werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung wird mittels der Sensoren zu mindest eine Kante des Metallbandes bestimmt.

In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das Metallband periodisch ausgelenkt und zumindest eine Kante des Metallbandes aus einem zeitlichen Mittelwert der von den Sensoren gelieferten Meßwerte bestimmt.

In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das Metallband periodisch ausgelenkt und die Zugspannungsver teilung aus der Amplitude der von den Sensoren gelieferten Meßwerte bestimmt.

In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden die Meßwerte von Sensoren im Randbereich des Metallbandes, deren Meßbereich unvollständig durch das Metallband abgedeckt ist, in Abhängigkeit der Position der Kante des Metallbandes korrigiert.

In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung er folgt die Korrektur der Meßwerte von Sensoren im Randbereich des Metallbandes, deren Meßbereich unvollständig durch das Metallband abgedeckt ist, mittels abgespeicherter Kalibirie rungskurven.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Unteransprüchen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung zur Messung der Zugspannungsver teilung in einem Metallband,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Meßvorrichtung,

Fig. 3 ein Beispiel für einen Zusammenhang zwischen Aus gangsspannung eines Sensors und dessen Überdec kungsgrad,

Fig. 4 eine Kennlinie für verschiedene Abstände

Fig. 5 eine alternative Anordnung von Sensoren,

Fig. 6 eine weitere alternative Anordnung von Sensoren,

Fig. 7 einen Vergleich zwischen ermittelter und tatsächli cher Zugspannung, und

Fig. 8 eine vorteilhafte Zuordnung von Sensoren zu Meßein richtungen.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metallband 1. Das Metallband 1 läuft aus einem Walzgerüst 3 aus und wird über eine Umlenkrolle 4 in Richtung des Pfeils 5 geführt. Das Metallband 1 wird durch eine Kraft F periodisch ausgelenkt. Diese Auslenkung ist durch die gestrichelte Linie 2 angedeutet. Die Kraft F wird z. B. vorteilhafterweise mit tels einer Saugvorrichtung auf das Metallband 1 ausgeübt. Zur Messung der Auslenkung A des Metallbandes 1 ist eine Meßvor richtung 8 vorgesehen. Die Messung erfolgt vorteilhafterweise in der Nähe der Umlenkrolle 4.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Meßvorrichtung 8 aus Fig. 1 im Querschnitt. Diese Meßvorrichtung weist Sensoren 21, 22, 23, 24 auf. Die Sensoren 21, 22, 23, 24 haben be stimmte Meßbereiche 25, 26, 27, 28 zur Messung der Auslenkung des Metallbandes 1. Der Meßbereich 25 des Sensors 21 wird je doch nicht vollständig vom Metallband 1 abgedeckt. Er liefert deshalb verfälschte Meßwerte.

Das Ausmaß einer solchen Meßwertverfälschung ist beispielhaft in Fig. 3 dargestellt, wobei die Ausgangsspannung U eines Sen sors bei einem festen Abstand h über dessen Position P in be zug auf das Metallband dargestellt ist. In Fig. 3 sind drei Bereiche 30, 31, 32 dargestellt. Im Bereich 30 ist der Sen sor, der etwa einen Gesamtmeßbereich von 20 mm abdeckt, nicht durch das Metallband abgedeckt. Im Bereich 31 ist der Sensor teilweise von dem Metallband abgedeckt. Im Bereich 32 ist der Sensor vollständig vom Metallband abgedeckt.

Der Abstand h zwischen den Sensoren 21, 22, 23, 24 und dem Metallband 1 wird zur Berechnung der Überdeckung des Metall bandes 1 z. B. einer Recheneinrichtung eingegeben, mittels der die Bestimmung der Überdeckung des Metallbandes 1 durch den Meßbereich 25 des Sensors 21 berechnet wird. Vorteilhaft ist es jedoch, diesen Abstand on-line zu bestimmen. Dazu wird der zeitliche Mittelwert der Ausgangssignale der Sensoren 22, 23, 24, die vollständig vom Metallband 1 überdeckt sind, gebil det. Aus diesem Gleichanteil wird der Abstand der Sensoren 21, 22, 23, 24 von dem Metallband 1 bestimmt.

Die Kennlinie in Fig. 3 ist nur für einen definierten Abstand h gültig. Um für beliebige Abstände eine Kennlinie zu erhal ten und gleichzeitig den Aufwand bei der Kalibrierung gering zu halten, wird folgendes Verfahren angewandt (siehe Fig. 4). Für zwei Abstände h₁ und h₂ werden jeweils ca. 10 Meßpunkte in Fig. 4 dargestellt durch Kreuze (von denen eines exempla risch mit Bezugszeichen 33 bezeichnet ist), bei verschiedenen Bandkantenpositionen P abgespeichert. Für einen beliebigen Wert h, für den h_1<h<h₂ gilt, können die entsprechenden 10 Meßpunkte durch lineare Interpolation berechnet werden. Die Stützstellen, die durch lineare Interpolation ermittelt wer den, sind in Fig. 4 durch Kreise dargestellt, von denen einer exemplarisch mit Bezugszeichen 37 bezeichnet ist.

Anschließend wird durch die 10 Kalibrierwerte eine passende Funktion 36 gefittet (least-square-fit). Als Fit-Funktion kommt vorteilhafterweise die Fermi-Verteilung in Frage.

Dabei ist U die Ausgangsspannung des Sensors, p ist die hori zontale Bandkantenposition und a₀, a₁, a₂, a₃ sind Fitparame ter, die durch den Fitalgorithmus bestimmt werden.

Bezugszeichen 34 und 35 bezeichnen die entsprechenden Kurven für h₂ und h₁.

Zum Bestimmen der Bandkante wird die Sensorspannung U gemes sen und daraus die Bandkantenposition berechnet. Dazu wird die Umkehrfunktion obiger Formel gebildet:

Soll die Bandkante über einen weiten Bereich bestimmt werden, so werden mehrere Sensoren dicht nebeneinander gesetzt wie in Fig. 2 gezeigt. Zur Auswertung der Bandkante wird der Sensor herangezogen, der nur teilweise bedeckt ist. Das ist der Sen sor, für den der Ausdruck

minimal ist.

U_max ist die Ausgangsspannung eines unbedeckten Sensors und U_min ist die Ausgangsspannung eines vollständig bedeckten Sen sors. Oben bezeichnete Berechnungen werden vorteilhafterweise mittels einer nicht dargestellten Recheneinrichtung durchge führt.

Auf diese Weise ist es möglich, einen sehr genauen Wert für die Position der Bandkante des Metallbandes 1 zu erhalten. Dieser kann vorteilhafterweise für die weitere Steuerung der Walzstraße verwendet werden. Vorteilhafterweise werden zu sätzlich die Meßwerte des Sensors 21, dessen Meßbereich 25 nicht vollständig durch das Metallband abgedeckt ist, korri giert, so daß die Meßwerte aller Sensoren 21, 22, 23, 24 zur Bestimmung der Zugspannung im Metallband 1 verwendet werden können. Zur Bestimmung der Zugspannung wird vorteilhafterwei se die Amplitude der periodischen Auslenkung des Metallbandes 1 ausgewertet. Die Ermittlung der Zugspannung aus den Meßwer ten für die Auslenkung des Metallbandes 1 wird im folgenden beispielhaft für weitere vorteilhafte Einrichtungen zur Mes sung der Zugspannungsverteilung im Metallband 1 ausgeführt. Solche Ausführungsbeispiele zeigen Fig. 5 und Fig. 6.

Fig. 5 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ergänzt um eine weitere Meßvorrichtung 7.

Die Meßvorrichtungen 7 und 8 liefern, bedingt durch verschie dene Störeinflüsse bei der Auslenkung des Metallbandes 1, stark verrauschte Meßsignale. Deshalb werden die Meßsignale gefiltert, Die Signalfilterung erfolgt vorteilhafterweise mittels eines digitalen Fit-Algorithmus oder einer FFT- Analyse. Das Metallband 1 wird sinusförmig ausgelenkt. Der zeitliche Verlauf des Meßsignals pro Periode ist deshalb im Idealfall ein Sinus. Diesem Sinussignal sind jedoch Störsi gnale, insbesondere die Resonanzschwingungen des Metallbandes 1 überlagert. An das Meßsignal wird deshalb nach jeder vollen Periode eine Sinuskurve angefittet (Minimierung der Fehler quadrate). Da Phase und Frequenz bekannt sind, sind der Si gnaloffset (Grundabstand der Sensoren) und die Amplitude die einzigen Fitparameter.

Durch die Verwendung zweier Meßvorrichtungen 7 und 8 gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 bzw. Fig. 6 und eine Auswer tung des Ausdrucks

wird eine weitere deutliche Verbesserung der Filterung er reicht. A' ist dabei ein Maß für die Krümmung des Metallban des 1 am Ort der Krafteinleitung. Für langweilige Resonanz schwingungen ist die Krümmung gering. Sie werden deshalb ef fektiv herausgefiltert. Die erzwungene Auslenkung dagegen er zeugt einen "Knick" des Metallbandes 1 am Ort der Kraftein leitung. Im Ausdruck A' ist also der Informationsgehalt in bezug auf die durch die Kraft F erzwungene Auslenkung des Me tallbandes deutlich größer als in den Meßsignalen A₁ und A₂, die von den Meßvorrichtungen 8 und 7 geliefert werden.

Fig. 6 zeigt die Anordnung von drei Meßvorrichtungen, die ins besondere als Sensorzeilen ausgebildet sind. Dabei ist eine dritte Meßvorrichtung 50 zur Messung des Abstands A₃ vorgese hen.

Der Wert für A' wird bei der Verwendung dreier Meßvorrichtun gen vorteilhafterweise gemäß

korrigiert. Auf diese Weise können Fehler durch unrunde Um lenkrollen oder Durchbiegungen einer Umlenkrolle kompensiert werden.

Aus den Werten A' wird durch eine FFT oder einen Fitalgorith mus ein Amplitudenwert A'_F gebildet, der prinzipiell dem Amplitudenwert A_F entspricht, jedoch nicht aus direkten Meß werten, sondern aus den Werten A' gebildet wird.

Die Umrechnung der Amplitudenverteilung A'_F(x) in eine Zug spannungsverteilung σ(x) erfolgt gemäß

σ(x) = C(x) F(x) [1/A'_F(x) - 1/A₀]. (3)

Dabei bezeichnet x die Ortskoordinate entlang der Breite des Metallbandes 1.

A'_F(x) ist die gemessene Amplituderiverteilung der Auslenkung, die gemäß Gleichung 1 bzw. Gleichung 2 und durch den digita len Fitalgorithmus berechnet wird. F(x) ist die Kräftevertei lung mit der das Metallband 1 ausgelenkt wird und ist einma lig experimentell zu bestimmen. C(x) ist ein Proportionali tätsfaktor, in den die elastischen Konstanten des Materials des Metallbandes 1 eingehen. Aufgrund der Querkontraktion ist bei homogener Zugspannungsverteilung die Amplitude am Rand des Bleches größer als in der Mitte. Deshalb ist C(x) eine Funktion von x. C(x) kann aus Finite-Elemente-Rechnungen be stimmt werden.

1/A₀ ist ein Term, der die Biegesteifigkeit des Bleches be rücksichtigt. A₀ ist die Amplitude, die gemessen wird, wenn die Zugspannung null ist. Wegen det Biegesteifigkeit des Me tallbandes 1 ist A₀ endlich. Für dünne Metallbänder, d. h. für Metallbänder, die dünner als ca. 1 mm sind, kann 1/A₀ gleich null gesetzt werden.

Fig. 7 zeigt eine im Rahmen einer Finite-Elemente-Simulation mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Kurve 40 einer Zugspannung σ in N/mm² in einem Metallband über die Po sition x in mm auf dem Metallband in Querrichtung im Ver gleich zu einer Kurve 41 einer dem Metallband aufgeprägten Zugspannung a in N/mm². Die Kurve verdeutlicht, daß es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist, die Zugspannung σ in einem Metallband besonders präzise zu ermitteln.

Bei der Verwendung zweier Meßeinrichtungen 7 und 8, wie z. B. in Fig. 5 dargestellt, werden die Sensoren 21, 22, 23, 24 der Fig. 2 entsprechend der Darstellung in Fig. 8 den Meßeinrich tungen 7 und 8 zugeordnet. Dabei zeigt Fig. 8 eine Sicht von unten auf das Metallband 1. Dadurch kann die Anzahl der für die Bandkantenerfassung notwendigen Sensoren reduziert wer den.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metallband (1) zwischen zwei Walzgerüsten (3), zwischen einem Walzgerüst (3) und einem Haspel, in einem Streckgerüst oder vor oder hinter einer Umlenkrolle, wobei das Metallband (1) ausgelenkt und die Auslenkung des Metallbandes (1) mittels zweier oder mehrerer über die Breite des Metallbandes (1) an geordneter Sensoren (21, 22, 23, 24) gemessen wird, wobei die Zugspannungsverteilung (a) in dem Metallband (1) in Abhängig keit von der Auslenkung (A) des Metallbandes (1) berechnet wird, und wobei die Meßwerte eines Sensors (21) im Randbe reich des Metallbandes (1), dessen Meßbereich unvollständig durch das Metallband (1) abgedeckt ist, korrigiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Sensoren (21, 22, 23, 24) zumindest eine Kan te des Metallbandes (1) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallband (1) periodisch ausgelenkt wird und daß zu mindest eine Kante des Metallbandes (1) aus einem zeitlichen Mittelwert der von den Sensoren (21, 22, 23, 24) gelieferten Meßwerte bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallband (1) periodisch ausgelenkt wird und daß die Zugspannungsverteilung (σ) aus der Amplitude der von den Sen soren (21, 22, 23, 24) gelieferten Meßwerte bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte eines Sensors (21) im Randbereich des Me tallbandes (1), dessen Meßbereich unvollständig durch das Me tallband (1) abgedeckt ist, in Abhängigkeit der Posi tion der Kante des Metallbandes (1) korrigiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der Meßwerte eines Sensors (21) im Randbe reich des Metallbandes (1), dessen Meßbereich unvollständig durch das Metallband (1) abgedeckt ist, mittels abgespeicher ter Kalibirierungskurven erfolgt.

7. Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einen der vorhergehenden Ansprüche zur Messung der Zugspannungsver teilung (σ) in einem Metallband (1) zwischen zwei Walzgerü sten (3), zwischen einem Walzgerüst (3) und einem Haspel, in einem Streckgerüst oder vor oder hinter einer Umlenkrolle, wobei die Einrichtung eine Auslenkvorrichtung zur Auslenkung des Metallbandes (1), eine Meßvorrichtung zur Messung der Auslenkung des Metallbandes (1) und eine Recheneinrichtung zur Berechnung der Zugspannungsverteilung (6) in Abhängigkeit von der Auslenkung des Metallbandes (1) aufweist, wobei die Meßvorrichtung zwei oder mehrere über die Breite des Metall bandes (1) angeordnete Sensoren (21, 22, 23, 24) aufweist, und wobei die Recheneinrichtung die Meßwerte eines Sensors (21) im Randbereich des Metallbandes (1), dessen Meßbereich unvollständig durch das Metallband (1) abgedeckt ist, korri gierend ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Umlenkrolle (4) zum Umlenken des Metallbandes (1) aufweist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (21, 22, 23, 24) als Wirbelstromsensoren, kapazitive Abstandssensoren, optische Abstandssensoren oder Ultraschallabstandssensoren ausgebildet sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie zumindest zwei, insbesondere als Sensorzeilen ausge bildete, Meßvorrichtungen (7, 8) aufweist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie zumindest drei, insbesondere als Sensorzeilen ausge bildete, Meßvorrichtungen (7, 8, 50) aufweist.