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Dokumentenidentifikation DE19758466B4 04.10.2007
Titel Planheits-Regelungssystem für Metallband
Anmelder Betriebsforschungsinstitut VDEh - Institut für angewandte Forschung GmbH, 40237 Düsseldorf, DE;
ThyssenKrupp Steel AG, 47166 Duisburg, DE
Erfinder Winter, Detlef, Dr., 38527 Meine, DE;
Degner, Michael, Dr.-Ing., 44229 Dortmund, DE;
Thiemann, Gerd, Dipl.-Ing., 44879 Bochum, DE;
Müller, Ulrich, Dr., 40789 Monheim, DE;
Peuker, Gustav, 41066 Mönchengladbach, DE;
Sonnenschein, Detlef, 45149 Essen, DE
Vertreter König Szynka Tilmann von Renesse, 40549 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 11.03.1997
DE-Aktenzeichen 19758466
File number of basic patent 19709992.0
Offenlegungstag 15.10.1998
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.10.2007
IPC-Hauptklasse B21B 37/28(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Warmbandstrasse mit einer Fertigstaffel, mindestens einem Haspel und einer Messvorrichtung für die Bandplanheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Warmbandstrasse ist aus der DE 204 12 77 A1 bekannt.

Das bei Kaltbandstraßen übliche Kontaktmessen ist im Warmbandbereich aufgrund der hohen Temperatur des Bandes – von etwa 1000°C – nur mit erheblichem Instandhaltungsaufwand möglich. Ein Kontaktmessen ist auch an den Stirnflächen eines in einem Haspel entstehenden Coils nicht möglich. Es ist daher schwierig, wenn nicht gar unmöglich, Band so zu haspeln, daß im Coil jede Windung exakt über der voraufgehenden liegt und sich so plane Stirnflächen ergeben.

Die Bandplanheit wird in Warmbandstraßen vorzugsweise berührungslos gemessen. Bekannt ist beispielsweise ein Messen von Planheitsabweichungen mit Hilfe von auf das Band projizierten Lichtpunkten. Die Raumlage des vorzugsweise mit Hilfe eines Laserstrahls auf der Bandoberfläche erzeugten Lichtpunkts wird mit einem Abstandssensor erfaßt.

Die beiden ebenen Ortskoordinaten eines bestimmten Oberflächenpunktes sind durch die relative Lage zwischen Abtast- bzw. Beleuchtungsstrahl und der Bandoberfläche bekannt. Die Höhenkoordinate des Oberflächenpunktes, der aktuell vermessen wird, erfaßt ein ortsempfindlicher Detektor. Mit der Höhenkoordinate verändert sich gleichzeitig die Position des Abbildungspunktes auf dem Sensor.

Mit mehreren Strahlenquellen und Sensoren läßt sich so ein Planheitsbild über die gesamte Breite des Bandes erstellen, das sich aus den Meßergebnissen der in bestimmten Abständen auf das Band projizierten Lichtpunkte zusammensetzt. Die zwischen den Lichtpunkten befindlichen Bereiche werden allerdings bei diesem Verfahren nicht erfaßt und bilden bei einem fortlaufenden Band streifenförmige Meßlücken, deren Planheit nicht ermittelt wird. Darüber hinaus kommt es dadurch zu Meßfehlern, daß beispielsweise ein Flattern des Bandes meßtechnisch als Bandunebenheit erfaßt wird.

In der Automobilindustrie ist es bekannt, kleinere Oberflächen mit Hilfe der Moiré-Technik zu vermessen. Dabei wird auf der Objektoberfläche ein Interferenzmuster mittels einer Lichtquelle erzeugt. Mit Hilfe einer CCD-Kamera (CCD = Charge-coupled-device) wird das Interferenzmuster erfaßt. Die Kamera ist so angeordnet, daß sich ein Winkel zwischen der Lichtquelle der Oberfläche und der Kamera ergibt. Durch ein Referenzraster in der Bildebene entsteht durch Überlagerung des aufgenommenen Musters mit dem Referenzmuster ein sogenannter Moiré-Effekt. Aus den Moiré-Linien lassen sich die Höhendifferenzen quantitativ ermitteln.

Die Moiré-Technik liefert genauere Meßergebnisse als das Messen mit Lichtpunkten; sie erfaßt darüber hinaus im wesentlichen die gesamte Meßfläche und vermeidet die oben erwähnten Messlücken. Der Einsatz in einer Warmbandstraße ist jedoch problematisch.

Um die Höhendifferenzen des Warmbandes quantitativ zu ermitteln, ist eine komplizierte Umrechnung der von der Kamera erfassten Muster erforderlich. Die als Moiré-Linien abgebildeten Höhendifferenzen lassen sich nicht in Echtzeit in quantitative Messwerte umrechnen.

In einer Walzstraße sind aber gerade schnelle Messergebnisse erforderlich, da die Messung sich sonst kaum für ein direktes Anpassen der Walzparameter zur Verbesserung der Planheit des durchlaufenden Bandes ausnutzen lässt. Für den industriellen Einsatz mangelt es darüber hinaus den feinen Interferenzmustern an Kontrast- und Intensitätsstärke.

Bei herkömmlichen Warmbandstraßen, bei denen die Bandplanheit nach einem der oben erwähnten Verfahren erfasst wird, findet keine Erfassung der Planheitsfehler aus der Kühlstrecke statt, was erhebliche Qualitätsverluste zur Folge haben kann.

Aus DE 20 41 277 A1 ist eine Planheitsregelung bekannt, mit einem Messen der Bandform mittels Bandmessfühlern, die oberhalb und/oder unterhalb des Materials so dicht wie möglich bei der Fertigstaffel angeordnet werden. Ferner ist ein Dicken-Messfühler vorgesehen, dessen Ausgabesignal zusammen mit dem Ausgabesignal des Formmessfühlers einem Rechenwerk zugeleitet wird. Die Ausgabesteuersignale des Rechenwerks werden verschiedenen Walzstraßensteuervorrichtungen zugeleitet, wie beispielsweise einer Walzendurchbiegungssteuervorrichtung der Fertigstaffel und einer Zugspannungssteuervorrichtung am Haspel.

Aus FR 2 725 512 ist von einem anderen Gebiet der Bandbehandlung, nämlich dem Kaltband ein besonderes Ermittlungsverfahren der Bandplanheit bekannt. In seiner Würdigung des ihr zugrunde liegenden Standes der Technik würdigt FR 2 725 512 A1 optische Ermittlungsverfahren für die Bandplanheit, bei der ein Bediener einen mittels Licht erzeugten Übergang zwischen einem schattigen Bereich und einem erleuchteten Bereich beobachtet und aufgrund seiner Erfahrung anhand des Verlaufs der Übergangslinie Bandfehler erkennt. FR 2 725 512 A1 beschreibt dann ein Analysesystem, mittels dem der als teilweise fehlerbehaftete Bediener durch ein automatisiertes System ersetzt werden kann. Hierzu wird das in der 2 dargestellte Rastersystem verwendet. Es wird eine spezielle Kamera L mit Dioden vorgesehen. Die einzelnen Dioden können ermitteln, ob in dem von ihnen betrachteten Abschnitt des Rastersystems Teile des Licht/Schattenübergangs liegen. Diese Felder sind in der 2 beispielsweise mit einem Kreuz dargestellt. Auf Grundlage der Information, welche Dioden „Schatten sehen" und welche Dioden „Licht sehen" wird nach FR 2 725 512 A1 ein Planheitsfehler ermittelt. Gemäß dem primär in FR 2 725 512 A1 beschriebenen Verfahren wird dieser Fehler einem Bediener angezeigt. Damit beschreibt FR 2 725 512 A1 primär ein Verfahren, um das Erkennen der Fehler zu präzisieren, geht jedoch zunächst davon aus, dass die dann notwendigen Eingriffe durch den Bediener erfolgen.

FR 2 725 512 A1 beschreibt als optionale Vorgehensweise die Möglichkeit, dass die Recheneinheit 14 mit Stellgrößen des Walzwerks verbunden ist und automatisch deren Regelung anpassen kann. In FR 2 725 512 A1 wird jedoch nicht näher ausgeführt, welche Stellgrößen eingestellt werden sollen.

DE 40 09 868 A1 beschreibt eine Bandkühlung, bei der vor und hinter der Bandkühlung Planheitsmessgeräte vorgesehen sind und bei der die Verschiebung von Spritzbalken- bzw. Spritzdüsenreihen zum Einstellen eines bestimmten Temperaturverlaufs in Abhängigkeit der Bandplanheit eingestellt werden können. Es wurde dabei erörtert, dass die Information der Bandplanheit für das Einstellen eines Temperaturverlaufs deshalb von Bedeutung ist, weil die Bandplanheit die Flüssigkeitsbewegung des auf das Band aufgetragenen Kühlmittels beeinflusst und so insbesondere höher liegende Stellen weniger gekühlt werden als tiefer liegende Stellen des Bandes, da die Kühlflüssigkeit von diesen höher gelegenen Stellen zu den niedriger gelegenen Stellen fließt und deshalb nur kurzzeitig eine Kühlung an den höher gelegenen Stellen bewirkt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Warmbandstrasse der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Verbesserung der Bandqualität durch ein einfaches und effektives Erfassen der Bandplanheit erlaubt und eine feinfühlige Regelung der Walz- und/oder Haspelparameter zulässt.

Dieses Problem wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zur Planheitsmessung kann beispielsweise ein Projektor eingesetzt werden, der ein der Auflösung der Kamera entsprechendes Linienmuster auf der Bandoberfläche bzw. der Stirnfläche des Coils erzeugt. Der Projektor kann dabei oberhalb des Warmbandes angeordnet sein und das Linienmuster in einem Winkel zur Vertikalen auf die Oberfläche des Warmbandes, so daß sich die Linien vorzugsweise quer zur Bandoberfläche erstrecken und somit die ganze Bandbreite erfassen, projizieren.

Eine CCD-Kamera mit einer Auflösung von beispielsweise acht Pixel pro Linie erfaßt die quer über die Bandoberfläche verlaufenden Linien. Bei einer absoluten Bandplanheit entsteht ein gleichmäßiges Muster gerader Linien mit unverändertem Linienabstand.

Abweichungen der Bandoberfläche von der idealen Ebene bewirken eine Änderung des Linienabstandes im Bereich der Unebenheit. Diese Änderung erfaßt die Kamera. Sie läßt sich rechnerisch durch einen Vergleich mit einem Idealmuster auf einfache Weise in Höhendifferenzen umrechnen.

In ähnlicher Weise wie beim Planheitsmessen am laufenden Band, läßt sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Meßsystems die Planheit der Stirnflächen beim Haspeln überwachen bzw. gewährleisten. Die Stirnfläche des sich im Haspel aufbauenden Coils entspricht dabei der Bandoberfläche.

Das beschriebene "Linien-Meßsystem" ermöglicht eine schnelle Ermittlung der tatsächlichen Höhendifferenzen der Bandoberfläche und erlaubt so eine Echtzeiterfassung fortlaufender Bandabschnitte. Dies hat den Vorteil, daß die Meßergebnisse ein Anpassen der Walzparameter unmittelbar nach dem Auftreten einer Unebenheit erlauben.

Das Linien-Meßsystem ermöglicht eine Messung, die unempfindlich ist gegen Verfälschungen der Meßergebnisse. Solche Verfälschungen entstehen bei herkömmlichen Meßsystemen beispielsweise infolge einer Bewegung der gesamten Bandoberfläche bezüglich der Höhenkoordinate (Flattern). Die Erfindung erlaubt darüber hinaus, die Querwölbung des Bandes zu bestimmen. Konventionelle Meßsysteme erfassen lediglich die Bandfaserlänge. Die Meßlinien lassen sich zudem bezüglich ihrer Intensität und Liniendicke unterschiedlichen Bedingungen anpassen. Die Probleme der feinen intensitäts- und kontrastschwachen Moiré-Linien treten nicht auf.

Das Linien-Meßsystem eignet sich besonders für ein Messen am aus der Fertigstaffel auslaufenden Warmband in Verbindung mit einer Messung des Bandes am Haspel. Durch diese Anordnung können Veränderungen der Bandplanheit infolge des Bandabkühlens zwischen Fertigstaffel und Haspel erfaßt und zur Planheitsregelung verwertet werden.

Die Meßdaten lassen sich in vorteilhafter Weise zur Regelung der Fertigstaffel, des Haspels und zur Steuerung der Kühlstrecke verwerten.

Meßergebnisse, die eine Sollwertabweichung beinhalten, bewirken eine sofortige und aufeinander abgestimmte Anpassung der Parameter für die Fertigstaffel, die Kühlstrecke und den Haspel.

Das erfindungsgemäße System läßt sich neben der Planheitsmessung in einer Fertigstraße auch in nachgeschalteten Produktionslinien wie zum Beispiel bei der Regelung von Streckrichtanlagen und in Beizlinien einsetzen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

1 die Anordnung des Projektors und der Kamera vor einer Haspelgrube sowie

2 ein Blockdiagramm der Planheits-Regelung.

Quer zum Band 1 verlaufende Meßlinien werden durch einen Projektor 3 auf der Meß- bzw. Bandoberfläche 4 erzeugt.

Die Meßanordnung ist im Auslauf der Fertigstaffel 6 einerseits und vor dem Haspel 7 andererseits in einem Meßhaus 13 angeordnet. Die CCD-Kamera 5 befindet sich auf der dem Haspel 7 abgewandten Meßhausseite in einem wassergekühlten Gehäuse. Der Projektor 3 ist auf der dem Haspel 7 zugewandten Meßhausseite angeordnet. Zur Wärmeabfuhr wird das Gehäuse mit Kühlluft beaufschlagt. Die Kühlung des Projektors 3 und der Kamera 5 ist zum Abführen der Eigenwärme und der von dem etwa 1000°C heißen Band 1 ausgehenden Wärmestrahlung erforderlich.

Die bezüglich der Bandlaufrichtung hintereinander angeordnete Kamera 5 und der Projektor 3 sind auf einen zwischen ihnen befindlichen Bandbereich ausgerichtet, auf dem das Linienmuster erzeugt und abgetastet wird. Als Projektor läßt sich beispielsweise eine Xenon-Lichtquelle einsetzen, die auch auf einer heißen Bramme ein gut lesbares Linienmuster erzeugt.

Unebenheiten auf der Bandoberfläche 4 bewirken einen unregelmäßigen Verlauf der Meßlinien bzw. deren Abweichung von der geometrischen Geraden.

Mit einer CCD-Kamera 5 werden die Meßlinien und damit auch deren durch Unebenheiten veränderter Verlauf erfaßt. Das Meßbild wird nach der Erfassung rechnerisch mit einem zuvor aufgenommenen Referenzmuster verglichen. Aus den Abweichungen ergeben sich unmittelbar die Höhendifferenzen und die Parameter für die Regelung der Fertigstraße.

Dadurch entsteht ein vollständiges Planheitsbild des sich bewegenden Bandes 1.

Aus dem Diagramm der Planheitsregelung (2) ergibt sich der erfindungsgemäße Aufbau. Das Warmband 1 durchläuft die Fertigstaffel 6 und die Bandkühlung 8 bis zum Haspel 7 in der Haspelgrube. Im Auslauf der Fertigstraße wird die Planheit des Warmbandes erfaßt, analysiert und zur Ansteuerung der letzten Gerüste der Fertigstaffel 6 (Walzenbiegung und Schwenken) verwertet. Diese innere Planheits-Regelschleife 9 wird durch eine äußere Planheits-Regelschleife 10 ergänzt. Durch eine Messung der Bandplaneit hinter der Bandkühlung 8 vor dem Haspel 7 wird die äußere Planheits-Regelschleife 10 zur Anpassung des Sollwertes der inneren Regelschleife aufgebaut.

Mit den hinter der Bandkühlung erfaßten Meßwerten wird ferner eine erste unterlagerte Regelschleife 11 erzeugt, die eine Anpassung des Sollwertes für die Kühlstrecke 8 erlaubt, und eine zweite unterlagerte Regelschleife 12, die eine Anpassung des Sollwertes für den Haspelzug 7 erlaubt, aufgebaut.

Insgesamt läßt sich die erfindungsgemäße Erfassung und Regelung beim Warmwalzen effektiv verwenden, um eine hohe Bandplanheit bei den in Warmbandstraßen üblichen hohen Fertigungsgeschwindigkeiten bis 25 m/s zu erreichen.


Anspruch[de]
Warmbandstrasse mit einer Fertigstaffel, mindestens einem Haspel und einer Messvorrichtung für die Bandplanheit, die mit einer Planheitsregelung der Fertigstaffel und mit einer Zuregelung des Haspels gekoppelt ist und bei der im Auslauf der Fertigstrasse die Planheit des Bandes erfasst, analysiert und zum Ansteuern der letzten Gerüste der Fertigstaffel verwertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Fertigstaffel (6) und dem Haspel (7) eine Bandkühlung (8) angeordnet ist, der wiederum die eine Messvorrichtung für die Bandplanheit in Stromrichtung aufwärts vorgeordnet und eine weitere Messvorrichtung für die Bandplanheit in Stromrichtung abwärts nachgeordnet ist und die Planheitsregelung durch die Messwerte der nachgeordneten Messvorrichtung für die Bandplanheit modifiziert wird. Warmbandstraße nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit den hinter der Bandkühlung (8) erfassten Messwerten eine erste unterlagerte Regelschleife (11) erzeugt wird, die ein Anpassen des Sollwertes für die Kühlstrecke (8) erlaubt. Warmbandstraße nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit den hinter der Bandkühlung (8) erfassten Messwerten eine zweite unterlagerte Regelschleife (12) erzeugt wird, die ein Anpassen des Sollwertes für den Haspelzug (7) erlaubt.






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