基于惯性基准的轧辊挠曲变形检测方法及装置

本发明涉及轧辊检测，具体涉及一种基于惯性基准的轧辊挠曲变形检测方法及装置。

背景技术：

1、板形质量是衡量板带产品综合性能的核心指标，而承载状态下的辊缝形貌则决定了成品带钢的尺寸精度与轧制过程的稳定性。随着高强钢、超薄带等难变形品种的大规模工业化生产，终端应用对板形尺寸公差的要求日益严苛，轧机对辊缝形状的控制精度提出了更高要求。在实际带载服役工况下，轧辊受到轧制力、弯辊力以及热力耦合等多重载荷的综合作用，极易诱发复杂的三维空间挠曲变形，进而影响受载辊缝的实际形状。由于轧辊的受力机理复杂且难以解析预测，实时准确地获取带载工况下轧辊的真实挠曲状态，已成为提升板形闭环控制精度的关键。

2、现有辊系状态测量存在问题：（1）离线静态检测受限于停机下的离线检测条件，仅能获取轧辊的静态几何误差，难以表征轧制过程中的动态挠曲演化规律；（2）目前在线监测方法大多高度依赖轧制力、压下缸位移等外部宏观传感参量，结合预设的轧制力学模型间接反演辊系状态，其精度受模型简化假设与现场工况偏差的制约，已难以满足现代轧机板形控制精度需求。现有检测技术受限于离线检测方式与模型精度，难以真实实时地感知轧辊在复杂工况下的动态挠曲行为，针对位于轧制变形区内、无法直接布设传感器的辊身部位，严重制约了轧机板形控制精度提升。

3、公开号为cn110639966a的申请公开了一种非接触式轧辊辊形在线检测装置及方法，通过非接触测距获取轧辊表面轮廓，实现辊形的在线检测，能非接触测量可避免传感器磨损，静态标定精度较高，只测量辊身表面轮廓的径向变化，无法直接获取轧辊辊颈在三维空间中的绝对偏转姿态；公开号为cn115532851a的申请公开了一种基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法，通过实时采集轧制力、弯辊力及压下位移信号，结合影响函数法或弹性基础梁模型，间接反演承载辊缝形状与轧辊挠曲状态，并未对辊身发生的真实挠曲进行直接测量，尤其难以辨识与宏观力信号呈弱相关的局部挠曲异常，导致在复杂服役工况下的反演精度难以满足高精度板形闭环控制需求。因此有必要提出一种基于惯性基准的轧辊挠曲变形检测方法及装置。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于惯性基准的轧辊挠曲变形检测方法及装置，建立惯性误差补偿模型对带载角速度进行前馈补偿，抑制惯性器件长时漂移累积，构建自适应加速度信任权重机制，通过对瞬态冲击与稳态挠曲变形的辨识差异化调节加速度权重，实现不同轧制工况下辊颈空间姿态的高鲁棒性测量，以轴承装配间隙补偿及截面抗弯刚度映射模型为主，结合变截面梁连续性方程与直径刚度递减模型，基于辊颈端部实测偏转角重构全辊身空间挠曲方程，精确表征轧制变形区辊缝承载特征，有效提升板形控制精度与跑偏预警可靠性。

2、本发明提供一种基于惯性基准的轧辊挠曲变形检测方法，其步骤包括：

3、s1、空载下驱动轧辊在设定转速下旋转，通过惯性测量单元对轧辊进行重力矢量对准，确定空载基准四元数，采集原始角速度，建立惯性误差补偿模型；

4、s2、带载轧制时采集轧辊原始加速度，由滑动窗口内同相位基准模长确定轧辊的相位模长基准，以轧辊原始加速度与相位模长基准的绝对偏差构建干扰余量，基于干扰余量辨识瞬态冲击干扰与稳态挠曲变形，若为瞬态冲击干扰，以同相位基准加速度更新为原始加速度并递减加速度权重，若为稳态挠曲变形，则更新相位模长基准并恢复加速度权重，经加权融合判据后得到轧辊的滤波加速度；

5、s3、通过惯性误差补偿模型得到补偿后角速度，结合补偿后角速度与滤波加速度解算轧辊的姿态四元数，将轧辊的姿态四元数与空载基准四元数的逆四元数相乘，获得轧辊相对偏移四元数，得到辊颈空间偏转角；

6、s4、以辊颈空间偏转角为边界条件，基于变截面梁连续性方程与抗弯刚度映射模型，建立轧辊辊身的空间挠曲方程为：

7、；

8、式中，为辊身段长度，为辊身传动端挠曲角，为辊身操作端挠曲角，为轧辊轴向位置坐标，轧辊检测坐标系为：以辊身操作端端面中心为坐标原点，轴沿轧辊中心轴线设置且正方向由操作端指向传动端，轴沿竖直方向设置，轴垂直于平面；

9、根据辊身两端挠曲角分解得到对称与非对称挠曲量，结合目标姿态与轧辊挠曲姿态的误差，通过轧辊有限元模型标定的空间挠曲控制矩阵得到轧机中各执行组件的补偿调节量，补偿轧辊空间挠曲变形误差。

10、优选的，s2中加速度权重为：

11、，；

12、式中，、、为原始加速度分量，为调节系数，为相位模长基准；

13、加速度权重判据为：若干扰余量≤阈值，则加速度权重不变，若干扰余量＞阈值且超差持续周期n＜稳态阈值周期m，则以同相位基准加速度均值更新当前加速度，并对加速度权重执行递减，若超差持续周期n≥稳态阈值周期m，则判定为稳态挠曲变形，保留原始加速度并中止加速度权重递减。

14、优选的，s3中，将补偿后角速度与滤波加速度通过加速度权重融合，基于离散时间步长递推更新姿态四元数：

15、；

16、式中，为上一时刻姿态四元数与滤波加速度之间的姿态误差梯度项，为轧辊传动端与操作端辊颈处的轧辊空间偏转角，为相对姿态四元数的标量分量。

17、优选的，s4包括：

18、s41、测量目标轧辊的辊颈与轴承座之间的径向装配间隙，及轴承座在轧辊轴向上的支撑跨距；

19、s42、求取径向装配间隙偏转角，，将轧辊传动端与操作端辊颈处的轧辊空间偏转角减去径向装配间隙偏转角，得到辊身边缘偏转角；

20、s43、测量辊颈段直径与辊身段直径，基于圆截面惯性矩的比例关系，确定轧辊辊颈至辊身的抗弯刚度递减系数，基于悬臂段与辊身段的力矩传递连续性，将轴承座位置处的辊身边缘偏转角映射为辊身段端部的等效边界偏转角：

21、，；

22、式中，为标定确定的弯矩传递修正系数；

23、s44、以s43得到的辊身段端部的等效边界偏转角作为位移边界条件，代入变截面梁连续性方程及边界条件，求解得到轧辊辊身的空间挠曲方程。

24、优选的，s44中变截面梁连续性方程：

25、；

26、位移边界条件：

27、；

28、式中，为轧辊弹性模量，为轧辊沿轴向分布的截面惯性矩函数，、分别为辊身操作端与处相对于辊身基准的挠曲位移；、分别为连续空间挠曲曲线在操作端与传动端处的一阶导数，表征操作端和传动端的曲线斜率即挠曲偏转角。

29、优选的，s44中轧辊辊身的空间挠曲方程建立过程：

30、以辊身操作端截面中心为坐标原点，沿辊身轴线指向传动端方向为轴正向，建立局部坐标系，辊身段长度为，将辊身段等效为承受弯扭组合载荷的空间连续梁模型，在小变形与等截面假设下，挠曲位移函数采用三次多项式进行插值逼近：

31、；

32、根据s43得到的辊身两端有效边界偏转角，结合辊身两端支承处的位移约束条件构造边界条件矩阵，将轧辊辊身位移与转角边界条件代入三次多项式及一阶导数式，获得挠曲位移三次插值多项式中待定系数、、、，从而得到轧辊辊身的空间挠曲方程。

33、优选的，s44中轧辊辊身的空间挠曲方程分解为水平挠曲量和竖直挠曲量：

34、；

35、式中，为等效空间挠曲方向角，，、分别为操作端相对姿态四元数的轴分量和轴分量，、分别为传动端相对姿态四元数的轴分量和轴分量；

36、将水平挠曲量和竖直挠曲量分解为对称挠曲特征量与非对称挠曲量，控制轧机中各执行组件；

37、；

38、式中，为竖直对称弯曲量，为竖直非对称倾斜量，为水平对称侧弯量，为水平非对称侧偏量。

39、优选的，以得到的对称挠曲特征量和非对称挠曲量与目标特征量的差值作为空间挠曲变形误差：

40、；

41、；

42、式中，、、、分别为竖直弯曲、竖直倾斜、水平侧弯和水平侧偏的误差，为竖直弯曲量，竖直倾斜量，水平侧弯量，为水平侧偏量，、、、分别为对应的目标竖直弯曲特征量、目标竖直倾斜特征量、目标水平侧弯特征量和目标水平侧偏特征量，获取目标轧机所配置的各执行组件，通过标定确定各执行组件调节量对挠曲量的增益系数，建立空间挠曲控制矩阵，基于空间挠曲控制矩阵和挠曲变形误差向量，获得各执行组件的调节量，最小化补偿后的残余挠曲误差，具体为：

43、；

44、式中，为空间挠曲控制矩阵的维矩阵，为各执行组件调节向量，为第个通道的调节量，为轧机空间挠曲调控的调节通道数，为空间挠曲控制矩阵的moore-penrose伪逆，当各执行组件冗余配置时以最小范数解分配调节量。

45、第二方面，本发明还提供一种基于惯性基准的轧辊挠曲变形检测方法的轧辊挠曲变形检测装置，其包括惯性测量单元、电源模块、无线发射模块、主控机和执行组件，惯性测量单元设置于轧辊辊颈端面，惯性测量单元的输出端与无线发射模块的输入端电连接，电源模块分别与惯性测量单元的供电端及无线发射模块的供电端电连接，无线发射模块与主控机之间通过无线信道通信连接，主控机的输出端与执行组件的控制端电连接。

46、优选地，执行组件包括工作辊弯辊缸、中间辊弯辊缸、压下系统、轧辊横移机构和冷却机构，工作辊弯辊缸和中间辊弯辊缸的缸体分别设置于轧机的操作端与传动端弯辊缸固定座内，工作辊弯辊缸和中间辊弯辊缸的活塞杆端部通过弯辊块分别与工作辊轴承座和中间辊轴承座连接，压下系统包括液压压下缸，液压压下缸设置于轧机的上横梁与上支撑辊轴承座之间，轧辊横移机构设置于轧机上，轧辊横移机构的执行端通过推力轴承与轧辊操作端轴承座轴向连接，冷却机构设置于轧机输入端和输出端的冷却梁上，冷却机构中喷嘴沿辊身长度方向分为多个独立控制区，工作辊弯辊缸、中间辊弯辊缸、压下系统的液压控制油路以及轧辊横移机构的驱动回路分别与轧机液压站通过比例阀连接，各比例阀的控制端以及分段冷却机构的流量调节阀控制端分别与主控机的输出端电连接。

47、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

48、（1）本发明基于惯性基准的轧辊挠曲变形检测方法，利用空载标定建立惯性误差补偿模型，在带载检测对角速度前馈补偿，补偿惯性器件漂移误差，构建自适应加速度信任权重机制，通过对瞬态冲击与稳态挠曲变形的辨识与处理，调节加速度观测量在姿态融合中的融合权重，保障恶劣工况下信号质量与连续检测精度，实现不同轧制工况下辊颈空间姿态的高鲁棒性测量。

49、（2）本发明基于惯性基准的轧辊挠曲变形检测方法，以轴承装配间隙补偿及截面抗弯刚度映射模型为主，结合变截面梁连续性方程与直径刚度递减模型，精准构建全辊身空间连续挠曲曲线，补偿辊颈段因阶梯变径及轴承游隙造成的局部弹性形变对姿态的干扰误差，使辊身挠曲曲线反映轧制变形区内辊缝轮廓的承载变形特征，实现轧辊在带载工况下空间挠曲变形的检测、重构与闭环反馈控制，提升了轧机板形控制精度与跑偏预警可靠性。