用于产生优化的、曲率连续的2D或3D辊轧轮廓变化曲线的方法和相应的设备

摘要

本发明涉及一种产生优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线（5）的方法，其方式在于通过预设沿着轧料进给方向（X）改变的辊轧轮廓（5）的期望的2D或3D辊轧轮廓变化曲线（5）和控制柔性的辊轧成型设备，其中在辊轧成型过程期间能够以由计算器控制的方式调节成型轧辊（11），其中用于产生优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线（5）的方法包括下述步骤：a）借助于CAD辅助工具输入期望的2D或3D辊轧轮廓变化曲线（5）；b）由输入的期望的2D或3D辊轧轮廓变化曲线（5）通过倒圆算法计算优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线（5），其中倒圆算法将2D或3D辊轧轮廓变化曲线（5）基本上曲率连续地倒圆，以至于与之相符地，产生优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线（5），其中基本上避免曲率突变；c）确认或修改优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线（5）的区域；以及d）存储优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线（5）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于产生用于一种相应的设备的优化的2D或3D辊 轧轮廓变化曲线的方法，其中将辊轧轮廓变化曲线曲率连续地倒圆，并 且由此降低用于调节成型轧辊和执行器的加速力，并且能够实现相应更 高的材料进给速度。所述方法包括相应的曲率连续的倒圆算法，所述方 法或者在用于产生优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线的CAD工具中求 积分，或者所述算法也能够在用于柔性地辊轧成型的设备的电子前接装 置（）中实现，所述前接装置将具有至今为止的常规的 曲率突变的预设的、未优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线转换为优化 的、曲率连续的2D或3D辊轧轮廓变化曲线。

背景技术

已知的现有技术是一种辊轧轮廓的制造方案，所述制造方案具有沿 着轧料条恒定的横截面（2D轮廓）。在此，轧料条通过辊轧成型设备传 送，并且在辊轧成型过程期间得到与在辊轧成型设备中设置的和将轧料 条挤压变形的成型轧辊相符的轮廓。莱纳戴伦（Reiner Daelen）在1848 年发明了一种轧钢机，其中双轧机机架的两个水平的成型轧辊由两个竖 直的设置在前或设置在后的成型轧辊补充，并且由于辊隙的可调节性， 能够不更换成型轧辊地制造不同的矩形轮廓（Popular Science第38卷， 第594页等等）。然而，在此和在大量改进方案中，为辊轧成型过程而 一次性调节的辊轧轮廓沿着轧制方向或者沿着轧料条保持恒定，直至将 机器重新调节为用于不同的轮廓。

现在，沿着材料条改变的3D轮廓在工业上几乎仅能够通过拉深方 法制造，对于大量生产，所述方法比辊轧成型制造方法更耗费并且更昂 贵。

从专利申请DE102007024777（A1）中已知一种用于3D辊轧成型 的柔性地辊轧成型设备，所述设备包括具有机械臂的机器人，所述机械 臂以由计算器控制的方式从成型轧辊组中选择一个成型轧辊，并且以由 计算器控制的方式由成型辊轧设定选择成型轧辊，并且以由计算器控制 的方式相应地将轧料进给应用于3D辊轧成型。在此，整个用于柔性地 辊轧成型的设备能够由一些机械臂和辊道台组成。然而，轧料条进给相 对较慢，特别是在辊轧轮廓改变和进行成型的成型轧辊必须通过相应的 执行器来运动的部位上进给相对较慢，并且由此对运动进行加速和减 速。

在现在的柔性辊轧成型设备中的缺点是，微小的轧料进给具有与其 所连接的较差的经济性，其中主要通过如下方式来实现受限的轧料进 给，即，必须使成型轧辊借助于所连接的促动器和定位机构在其定向和 位置方面进行改变、运动进而最终加速和减速。在此出现的用于调节成 型轧辊、所连接的促动器和定位机构的定位力或加速力结合所使用的促 动器的最大调节力相应地使轧料进给变慢到，能够保证，辊轧轮廓变化 曲线的预设的曲线形状能够由柔性辊轧成型设备以特定的公差保持。

现在的用于辊轧轮廓或辊轧轮廓变化曲线的产生或编程的CAD辅 助工具产生这样的基本上由彼此连接的直线部段和圆弧部段组成的曲 线形状。然而，对于2D或3D辊轧轮廓，这样的曲线形状是不适合的， 因为其不是曲率连续的，并且由此也不最优地承受加速质量的荷载。由 于用于调节成型轧辊和执行器的、在直线到圆弧的和圆弧到直线的过渡 上出现的加速力一定会降低辊轧速度，这相对于拉深生产设备使经济性 非常受限。虽然在汽车制造中在其他方面具有很高的经济性，但是仅能 够很受限地使用产生恒定的辊轧轮廓横截面的用于辊轧成型的设备，因 为在此需要大部分柔性的或在纵轴线上可改变的2D或3D部分横截面。

因此，本发明的目的是，在提供用于产生优化的2D或3D辊轧轮廓 变化曲线的方法和用于其的设备时，消除现有技术中的缺点并且通过相 应地优化的需要更小的调节力的2D或3D辊轧轮廓变化曲线实现更迅 速的2D或3D辊轧成型。

发明内容

前述目的以及其他由说明中获知的目的通过根据权利要求1和权利 要求18所述的具有基本上曲率连续的倒圆的用于产生优化的2D或3D 辊轧轮廓变化曲线的方法和设备实现。

根据本发明，在预设期望的、改变的基本上由彼此连接的直线部段、 圆弧部段和椭圆部段组成的2D或3D辊轧轮廓变化曲线的情况下，优 化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线优选通过基本上曲率连续的倒圆算法 产生。用于优化优选考虑的曲率连续的倒圆算法计算作为其二阶导数的 输入的期望的2D或3D辊轧轮廓变化曲线的轨迹的加速度，并且在参 考由优化的原始输入的辊轧轮廓变化曲线的公差范围或最大允许偏差 的情况下对出现的加速的进行最小化或进行限制。

优选的目的是，使用产生辊轧轮廓变化曲线的基本上曲率连续的倒 圆的倒圆算法。由此，在调节成型轧辊连同其执行器一起时，优选不再 突变地沿着辊轧轮廓变化曲线改变或加速和减速为此需要的调节速度， 而是能够由执行器施加为此所需的特定的加速力和调节力。由此，执行 器优选能够确定为更弱的和/或能够提高2D或3D辊轧轮廓的生产速度。

优选地，优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线这样产生，使得其由输 入的期望的2D或3D辊轧轮廓变化曲线或者部分地或者整体地计算或 优化。为此，部分的计算或优化中，优选根据相应的新的曲线部段的每 个输入值计算或曲率连续地优化和显示辊轧轮廓变化曲线的优化或相 应地优化的轨迹部段或面部段。

在此优选地，参考并且遵守输入的轨迹或面的优化的轨迹或面的特 定的公差或最大偏差，或能够改变用于计算优化的轨迹的倒圆算法的参 数。

在此，根据本发明的方法和设备能够不仅使用于改变的2D而且也 使用于3D辊轧轮廓变化曲线。改变的2D辊轧轮廓变化曲线例如在横 向方向或沿着轧料条的进给方向朝深处改变。改变的3D辊轧轮廓变化 曲线例如在两个垂直于轧料条的进给方向的方向上改变，并且朝材料条 方向，例如不仅在宽度方面而且也在深度方面改变其辊轧轮廓。

为了避免误解，在此要注明的是，术语“轨迹”和“曲线函数”或 “函数”等等之前和随后象征能够是二维的或三维的“辊轧轮廓变化曲 线”。

同样地，术语“辊轧轮廓”在本发明的范围内象征具有相应地改变 的2D或3D辊轧轮廓的2D或3D辊轧型材，并且为了简化地表达在下 面继续称为所述术语。

同样地，如果没有另外明确地说明，那么术语“优化”总是包括根 据基本上曲率连续的倒圆的辊轧轮廓变化曲线或其轨迹变化曲线或面 变化曲线的优化或改变。

本发明的其他实施方案在从属要求中说明。

在接下来的附图中和在详细的说明中描述根据本发明的优选的实 施形式，但是本发明不限于此。

附图说明

图1A在轧料条进给方向上从前侧示出（图1B中）在部位AA上的 轧料条的辊轧轮廓的横截面，其中轧料条被夹紧在成型轧辊之间；

图1B示出具有部分被辊轧的辊轧轮廓的轧料条的俯视图，所述辊 轧轮廓夹紧在成型轧辊和相应的成型轧辊的执行器之间和之下；

图2示出由直线部段和圆弧部段组成的辊轧轮廓变化曲线f(x)的一 部分、相关联的根据绝对值的曲率变化曲线│K(x)│和根据绝对值的加 速度变化曲线│a(x)│，以及优化的辊轧轮廓变化曲线f_opt(x)的一部分， 连同相关联的根据绝对值的曲率变化曲线和加速度变化曲线；

图3示出由直线部段和圆弧部段组成的辊轧轮廓变化曲线f(x)的一 部分、相关联的曲率变化曲线和加速度变化曲线，以及优化的辊轧轮廓 变化曲线f_opt(x)的一部分，连同相关联的曲率变化曲线和加速度变化曲 线；

图4示出回旋曲线y=f(x)的函数（或也称为clothoid（回旋曲线）， 羊角形螺线（Cornu Spiral））；

图5示出两个圆弧形的轨迹变化曲线K1(x)和优化的具有曲率连续 的倒圆角的轨迹变化曲线f_opt(x)作为K1(x)的近似曲线；

图6示出优化的具有相关联的加速度a(x)的辊轧轮廓变化曲线 f_opt(x)；

图7示出优化的具有直线部分G、回旋曲线过渡弧A=50和圆弧部 段R=50和相关联的曲率变化曲线K(x)的辊轧轮廓变化曲线；以及

图8示出用于具有中点负荷和具有在轻微的挠曲和材料节约的横截 面方面优化的纵梁的两个负荷优化的2D辊轧轮廓变化曲线。

具体实施方式

在图1A和图1B中示出用于柔性地辊轧成型的设备的实施例，所述 设备沿着多个成型轧辊11之间的轧料条进给方向X引导和挤压轧料条 1，使得轧料条1通过相互挤压的成型轧辊11变形，并且由此产生顶面 2、侧面3和底面4。在此，成型轧辊11分别由具有相应的马达12的相 关联的执行器10保持在其相应的位置和驱动，其中围绕其相应的轴线 旋转的成型轧辊11挤压轧料条1并且随之运转或优选也通过马达12驱 动。

通过相应的执行器10以促动的形式造成成型轧辊11和与其连接的 马达12和部分执行器的相应的位置和定向，其中通过执行器10能够在 横向方向Y、在高度方向Z和围绕转动点13在转动方向上以由计算 器控制的方式限定地调节成型轧辊11。成型轧辊11的沿着轧料条的在 轧料条进给方向X上的调节通过在所述方向上的同样控制的、限定的进 给实现。

考虑到在轧料条进给方向X上牵引或推动材料条1，并且以由计算 器控制的方式操纵相应的执行器10，相应的成型轧辊11的轴线位置改 变，由此同样改变了辊轧轮廓，因此所述辊轧轮廓能够称为具有所谓的 2D或3D辊轧轮廓变化曲线5的2D或3D辊轧轮廓。如在图1A中加 以说明地，在图1B的剖切线AA处的辊轧轮廓例如具有与在剖切线BB 处不同的轮廓。现在，对于本领域技术人员而言可轻易理解的是，为了 得到变化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线5，成型轧辊11必须在其相应 的位置和定向上通过相应的执行器10以作为辊轧轮廓变化曲线的函数 的相应速度来回运动。

鉴于根据设备而不同的、但是在实践中基本上超过30kg的运动的 质量，当辊轧轮廓5的轨迹例如从直线部段通向圆弧部段时，或还更极 端地，当圆弧部段通向与其相反的圆弧部段时，那么特别是产生大的加 速度或为此需要大的调节力。那么，这特别是有问题的，当相应的执行 器10不能施加所述力并且由此不仅出现所述执行器的超负荷而且也产 生实际辊轧轮廓变化曲线5与理论辊轧轮廓变化曲线5的非限定的偏 差。

通过执行器10例如能够控制在横向方向Y或在高度Z上沿着轧料 条进给方向X改变的2D辊轧轮廓变化曲线5，或能够控制在横向方向 Y和同时在高度Z上沿着轧料条进给方向X改变的3D辊轧轮廓变化曲 线5。

技术人员可容易理解的是，通过改变辊轧轮廓变化曲线5也相应地 得到用于执行器10的改变的加速力。根据本发明，在生产应用前，输 入的2D或3D辊轧轮廓变化曲线5通过相应的优选曲率连续的倒圆算 法改变，使得加速力降低到所限定的最大值，并且同样存储和显示这样 计算的或如下优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线5。在产生和存储如下 优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线5后，用于柔性地辊轧成型的设备 能够启动，并且开始辊轧轮廓的生产。

优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线5优选借助于CAD辅助工具以 如下方式产生，即输入期望的2D或3D辊轧轮廓变化曲线5，并且然后 或部分地或作为整体计算、显示和存储期望的2D或3D辊轧轮廓变化 曲线5。期望的变化曲线理解为由直线的或弯曲的部段组成的变化曲线， 其中弯曲的部段能够由圆弧、椭圆或类似齿条形的部段组成。这样如在 当前的专利申请中所使用的，过渡部是在具有不同斜率的两条直线之间 的、或在一条直线和弯曲的部段之间的或者在两个具有不同曲率的部段 之间的，例如在圆弧部段和椭圆部段之间的、圆弧部段和类似齿条的部 段之间等等的区域。在期望的变化曲线中通过将部段简单地彼此接合得 到部段之间的过渡部。

在优化的、2D或3D辊轧轮廓变化曲线5的部分的计算中，在分别 将辊轧轮廓变化曲线5的下一曲线部段或面部段输入之后，相关于前述 下一曲线部段或面部段分别计算或优化、优选显示新的曲线部段或面部 段，并且能够将其再加工。为此，从不同的、可提供的倒圆算法中选择 一个，并且应用于所有其他的计算。为了特定的倒圆区域或曲线走向， 也能够选择其他的倒圆算法，或通过用于所述部位的其他参数来进行改 变。为了通过基本上曲率连续的倒圆算法来计算或优化，优选考虑最大 允许加速度或在输入的质量时执行器10的在各个方向上的和在转动方 向上的相应的调节力。

优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线的产生作为整体由输入的、期望 的2D或3D辊轧轮廓变化曲线5实现，使得期望的2D或3D辊轧轮廓 变化曲线5优选借助于CAD辅助工具显示，优化的2D或3D辊轧轮廓 变化曲线5通过倒圆算法产生，并且因此能够显示并且在需要时改变两 个变化曲线。因此，将优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线5存储并且 使用于柔性辊轧成型设备的控制。

此外，描述了用于计算优化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线5的倒圆 算法，所述算法适用于降低执行器10的上述加速度。此外，例如当辊 轧轮廓变化曲线5的由直线的变化曲线到圆弧形变化曲线的过渡通过使 用过渡弧曲率连续地倒圆时，出现加速力的降低，以至于相应的执行器 10不必从静止状态突变地以转动角速度围绕相应的转动点13加速，以 便遵循所述辊轧轮廓变化曲线5，由于可产生的加速力是有限的，这在 理论上不能实现。

接下来介绍用于倒圆算法的不同的优化方面、方法和功能。

在图2的左侧，示出作为函数f(x)的期望的辊轧轮廓变化曲线5， 所述函数由直线部段G和圆弧部段R组成。此外，示出相关联的对x 求导的绝对值函数作为曲率的绝对值│K(x)│，所述曲率在直线G的范 围内具有曲率零，并且在圆弧部段R的范围内具有值K1，其中所述值 本来是正负交替的。此外，作为绝对值函数示出曲率K(x)的对x的导数， 所述四个无穷大的加速度尖峰│a(x)│在下述部位上，在那里曲率 │K(x)│突然从零上升到值K1并且在该处曲率从K1突变地再下降到 零。所述的加速度尖峰是无穷大的和短的，并且本来分别是正负交替的， 并且在理论上对应于相应的执行器10的一次无穷大的正加速度和一次 无穷大的负加速度（=减速度）。在其右侧进行作为f_opt(x)的轨迹f(x)的 第一次优化，使得执行器10的在此出现的加速度│a(x)│限定在例如最 大可能的加速度的或执行器10的最大可能加速力的50%。为此，在函 数f(x)的两个相邻的曲线部分之间的具有曲率突变的过渡部上，例如在 所述示例中在直线部段G和圆弧部段R之间，分别限定和使用过渡区 域所述过渡区域造成邻接的轨迹部段的曲率连续的倒圆。为此，在 图2的右侧图示出在过渡区域中的曲率曲线│K_opt(x)│的限定的斜坡 形的上升或下降，其由降低的加速度│a_opt(x)│造成。由此，执行器的加 速度保持在切合实际的、切实可行的范围内，并且由此避免辊轧轮廓变 化曲线的非限定的变形。此外存在的最大曲率K1与左侧的未优化的函 数f(x)的曲率变化曲线的曲率K1的主要部分连接，所述主要部分与期 望的2D或3D辊轧轮廓变化曲线5相符。在图2中首先仅一次地清楚 地有质量地示出曲线形状，并且仅说明优化和作用的原理或方法。

图3将期望的辊轧轮廓变化曲线5示作函数f(x)，所述函数同样如 在图2中由直线部段G和圆弧部段R1和R2组成。此外，示出相关联 的曲率的导出的函数K(x)，所述函数在直线G的区域中具有曲率零，

和在圆弧部段R1、R2的区域中具有正的和负的曲率值。因此，加速度 a(x)作为函数f(x)的求导得到，例如在图2的示例中，理论上在曲率突 变处得到无穷大的加速度或减速度a(x)。然而，在实践中，加速度或减 速度a_real(x)是受最大可产生的执行器力和执行器减速所限的、有限大 的，这可能导致未优化的辊轧轮廓变化曲线5的非限定的曲线变化。

为了防止辊轧轮廓变化曲线5的非限定的曲线改变，从现在起将曲 率连续的倒圆算法应用于函数f(x)，所述函数由此改变，使得得到有限 的和限定的加速力，所述加速力能够由执行器10施加。在此，倒圆函 数匹配于曲率R1和R2，使得所述曲率基本上维持，然而得到输入和输 出的转变。这样的、通过倒圆算法计算的过渡区域，接下来也称为过渡 弧。

图4将另一优选的倒圆算法示作函数y=f_opt(x)，所述函数是作为回 旋曲线或也作为羊角形螺线已知的，并且示出具有直线上升的曲率的曲 率连续的函数。

图5示出具有带有曲率连续的倒圆的基于回旋曲线函数的函数f_opt(x) 的曲线图，其与两个作为包络线的标准的圆弧函数K1和K2相比较。 在此，具有曲率连续的倒圆的函数f_opt(x)匹配于圆弧函数K1，并且具有 直至圆弧函数K2的末端。

图6示出优选的优化的函数，所述函数基于两个叠加的正弦函数 f_opt(x)和相关联的加速度a(x)的函数曲率连续地倒圆。用于直线部段和 圆弧部段或用于过渡弧的在f_opt(x)中作为基础的、优选的倒圆函数为 f_opt(x)=sin(x)+1/9sin(3x)。例如在图8中示例地示出地，正弦函数和叠加 的正弦函数也优选使用于负荷优化的曲率倒圆。

图7示出优选的函数的轨迹曲线，所述函数由直线部段G、作为回 旋曲线函数的过渡弧A=50和圆弧部段R=50组成。轨迹曲线的优化在 点00上起始，其方式在于，将直线部段G过渡到过渡弧A=50，并且 终止在过渡弧A=50过渡到圆弧部段R=50的点上。曲率K(x)的对应于 此的函数从在00上的过渡弧A=50的起点示出从零到最大值R=50的曲 率K(x)的线性上升，并且然后曲率保持恒定，因为圆弧部段保持曲率恒 定。

另一优选的倒圆算法能够可设想为多项式，所述多项式例如近似于 一个或多个正弦函数或回旋曲线函数。

其他的用于计算曲率连续的倒圆的优选的倒圆算法基于下述例如 是回旋曲线函数、正弦函数、三次抛物线函数、两弧函数 （Blossbogen-Funktion）、根据施拉姆的过渡弧函数、叠加的正弦函数、 n阶抛物线或幂级数函数的算法中的一个或至少两个的组合，作为前述 曲线形状中的一个的近似函数。

图8示出矩形横梁的负荷适合的倒圆的其他优选的应用，所述矩形 横梁未在图中示出，并且在部位F上的中间承载有负荷F，所述负荷在 具有不同的优化的轮廓的梁中示出。在此，两个横梁在图中上下地示出， 所述横梁具有不同的横截面变化曲线z1(x)和z2(x)。在此，具有横截面 高度z1的横截面z1(x)起始于部位A，开始弧形地变得更高，在部位B 上再弧形地通至横截面z2中，并且在部位C上开始圆弧形地逐渐变细， 并且最终从部位D开始再以高度z1保持恒定。相反，下面的梁具有更 好地匹配期望负荷的、抛物线形的沿着x轴线的变化曲线z2(x)，并且 这样在尽可能微小地挠曲时再为了尽可能高的材料节约进行优化。在此 的基本想法是，负荷优化的3D轮廓变化曲线也几乎总已经是对于柔性 辊轧成型而言制造最优的，进而由于高的材料节约，与例如用半径倒圆 的和仅粗略地匹配最优变化曲线的横截面z1相比也更加适合。为此， 计算部分的预期的负荷变化曲线和为此优化的辊轧轮廓变化曲线5，将 其相应地曲率连续地优化，并且将其相应地材料优化地制造，这最终也 相应于重量优化。

根据本发明，在此描述的倒圆算法优选整合在CAD系统中，以至 于所述算法或者在输入期望的2D或3D辊轧轮廓变化曲线5期间马上 进行优化和相应地产生优化的能够被显示的和修改的2D或3D辊轧轮 廓变化曲线5，或者将倒圆算法应用于辊轧轮廓变化曲线5的整个曲线 上。

也可设想的是，倒圆算法整合在电子仪器中，所述电子仪器具有用 于期望的2D或3D辊轧轮廓变化曲线5的信号输入端和用于计算的优 化的2D或3D辊轧轮廓变化曲线5的信号输出端，所述信号输出端例 如能够引到柔性辊轧成型设备中。

其他可能的实施形式在下面的权利要求中说明。

在权利要求中所提到的附图标记有助于更好的清晰性，然而所述权 利要求不限于在附图中示出的形式。

附图标记列表

1     轧料条

2     顶面

3     侧面

4     底面

5     辊轧轮廓变化曲线

10    执行器

11    成型轧辊

12    马达

13    转动点

AA    剖切线

BB    剖切线

Φ    转动方向

X     轧料条进给方向

Y     水平的（相对于轧料进给方向的）横向方向

Z     高度