基于环件偏移量和圆度误差的轧辊运动轨迹自适应控制

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.07.026

中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (7): 1763-1770.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.07.026

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基于环件偏移量和圆度误差的轧辊运动轨迹自适应控制

魏宽居¹^,²(), 李大永³, 顾天虹², 杨雨童¹(), 万剑平⁴, 黄诗尧¹

^1.长三角先进材料研究院, 苏州, 215000
^2.西交利物浦大学理学院, 苏州, 215123
^3.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室, 上海, 200240
^4.无锡派克新材料科技股份有限公司, 无锡, 214161

收稿日期:2025-07-17 出版日期:2026-07-25 发布日期:2026-08-18
通讯作者: 杨雨童
作者简介:魏宽居，男，1989年生，博士研究生。研究方向为铝合金塑性成形。E-mail：Kuanju.Wei17@student.xjtlu.edu.cn
杨雨童^*（通信作者），男，1994年生，博士。研究方向为高端金属结构材料的成分设计、微观组织与变形机理。E-mail： yangyt@mat-jitri.cn。
第一联系人：陈文冲，男，1990年生，副教授。研究方向为工业互联网平台运营、制造服务供需匹配。发表论文20余篇。E-mail：wcchen@hdu.edu.cn。刘洪伟^*（通信作者），男，1971年生，教授。研究方向为智能制造、工业工程与管理。E-mail： 1016209007@tju.edu.cn。
基金资助:
国家重点研发计划(2022YFB3705500);江苏省产业前瞻与关键核心技术项目(BE2022159)

Adaptive Control of Roll Motion Trajectory Based on Ring Offset and Roundness Error

WEI Kuanju¹^,²(), LI Dayong³, GU Tianhong², YANG Yutong¹(), WAN Jianping⁴, HUANG Shiyao¹

^1.Materials Academy，JITRI，Suzhou，Jiangsu，215000
^2.College of Science，Xi 'an Jiaotong-Liverpool University，Suzhou，Jiangsu，215123
^3.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240
^4.Wuxi Parker New Material Technology Co. ，Ltd. ，Wuxi，Jiangsu，214161

Received:2025-07-17 Online:2026-07-25 Published:2026-08-18
Contact: YANG Yutong

摘要/Abstract

摘要：

针对环件轧制过程中的失稳、失圆问题，提出一种基于环件偏移量和圆度误差的轧辊运动轨迹自适应控制方法。首先建立环轧有限元模型，计算环件偏移量和圆度误差；随后对现有软件进行二次开发，设计了基于偏移量的导向辊控制器、基于圆度误差的芯辊控制器、基于圆度误差的锥辊控制器，以及基于三种辊的综合控制器。结果分析表明，综合控制方法能克服单一控制的局限性，显著减小偏移量和圆度误差，有效提高环件轧制的稳定性。

关键词: 环件轧制, 轧辊, 自适应控制, 偏移量, 圆度误差

Abstract:

To mitigate instability and out-of-roundness in ring rolling processes， this paper presents an adaptive control approach for roll motion trajectory using ring offset and roundness error as feedback. A finite element model was established to compute these two parameters. Through secondary development of existing software， separate control strategies for guide roll， mandrel， and axial roll were designed， together with an integrated control scheme combining all three rolls. Experimental results demonstrate that the integrated method overcomes the limitations of individual strategies， substantially reduces both offset and roundness error， and effectively improves rolling stability.

Key words: ring rolling, rolls, adaptive control, offset, roundness error

中图分类号:

TP182

魏宽居, 李大永, 顾天虹, 杨雨童, 万剑平, 黄诗尧. 基于环件偏移量和圆度误差的轧辊运动轨迹自适应控制[J]. 中国机械工程, 2026, 37(7): 1763-1770.

WEI Kuanju, LI Dayong, GU Tianhong, YANG Yutong, WAN Jianping, HUANG Shiyao. Adaptive Control of Roll Motion Trajectory Based on Ring Offset and Roundness Error[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(7): 1763-1770.

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图/表 17

图1 环件轧制的模型

Fig.1 The model of ring rolling

表1 环件轧制建模主要参数

Tab.1 Main parameters of ring rolling modeling

参数名称	数值	参数名称	数值
环件目标内直径/mm	395	导向辊半径/mm	200
环件目标外直径/mm	775	锥辊底半径/mm	275.6
环件目标轴向高度/mm	125	锥辊顶角/（°）	32
环坯初始轴向高度/mm	140	锥辊侧边长/mm	1000
环坯初始外直径/mm	680	芯辊半径/mm	115
环坯初始内直径/mm	250	驱动辊半径/mm	525

表2 Al-Zn-Mg-Cu合金的成分（质量分数） (%)

Tab.2 Mass fraction of composition in Al-Zn-Mg-Cu alloy

w（Zn）	w（Mg）	w（Cu）	w（Zr）	w（Fe）	w（Al）
10	2.3	1.2	0.15	0.05	Bal.

图2 Al-Zn-Mg-Cu合金450 ℃热压缩试验的真应力-应变曲线

Fig.2 True stress-strain curves of hot compression test for Al-Zn-Mg-Cu alloy at 450 ℃

图3 环件轧制前的有限元模型

Fig.3 Finite element model of ring rolling before rolling

图4 环件的偏心和圆度误差示意图［14］

Fig. 4 Schematic diagram of the offset and the roundness error of the ring

图5 环件轧制过程自适应控制流程图

Fig.5 Adaptive control flowchart of the ring rolling process

表3 环件成品的尺寸和误差 (mm)

Tab.3 Comparison of finished ring size and error

	设计值	模拟值	节点误差的标准差
外径	775.00	773.15	13.34
高度	125.00	125.81	3.12

图6 环件轧制后的有限元模型

Fig. 6 The finite element model of the ring after rolling

图7 环件外半径扩展曲线

Fig. 7 The expansion curve of the outer radius of the ring

图8 环件轧制初始规划控制的圆心偏移量与圆度误差

Fig. 8 The offset and roundness error of initial planning control of ring rolling

图9 环件轧制过程中的偏移量与圆度误差

Fig. 9 The offsets and roundness errors during the ring rolling process

表4 不同控制方法的环件偏移量与圆度误差 (mm)

Tab.4 The average values of offsets and roundness errors of different control methods

控制方法	偏移量		圆度误差
控制方法	轧制全程	轧制后期	轧制全程	轧制后期
初始规划	6.20	6.95	13.23	20.32
导向辊运动控制	4.90	5.19	11.47	12.01
芯辊运动控制	4.81	5.43	11.58	11.31
锥辊运动控制	4.99	3.99	12.66	12.35
轧辊综合控制	3.33	2.69	10.98	10.42

图10 环件轧制示意图

Fig. 10 Schematic diagram of ring rolling

图11 锥辊示意图［26］

Fig. 11 Schematic diagram of the axial roll［26］

表5 初始规划和轧制时间延长方案的偏移量和圆度误差 (mm)

Tab.5 Offset and roundness error of initial planning and rolling time extension scheme

参数	轧制全程	轧制后期
初始规划的偏移量	6.20	6.95
初始规划的圆度误差	13.23	20.32
轧制时间延长的偏移量	4.56	4.92
轧制时间延长的圆度误差	11.08	12.56

表6 轧制时间延长方案的优化前后误差 (mm)

Tab.6 The errors before and after the optimization of the rolling time extension scheme

		轧制全程	轧制后期
偏移量	优化前	4.56	4.92
偏移量	优化后	2.79	2.85
圆度误差	优化前	11.08	10.54
圆度误差	优化后	12.56	7.55

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