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

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

Abstract

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

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

CLC Number:

TP182

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.

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.

Figures/Tables 17

Fig.1 The model of ring rolling

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

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.

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

Fig.3 Finite element model of ring rolling before rolling

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

Fig.5 Adaptive control flowchart of the ring rolling process

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

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

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

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

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

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

Fig. 10 Schematic diagram of ring rolling

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

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

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

References 29

[1]	XIE Dan， OUYANG Qiuyue， HE Luoyu， et al. Feed Curves for Controlling Ring Rolling Stability in Large-scale Flat Ring Rolling Process［J］. Materials， 2023， 16（9）： 3383.
[2]	GUO Lianggang， YANG He. Towards a Steady Forming Condition for Radial–Axial Ring Rolling［J］. International Journal of Mechanical Sciences， 2011， 53（4）： 286-299.
[3]	JENKOUK V， HIRT G， FRANZKE M， et al. Finite Element Analysis of the Ring Rolling Process with Integrated Closed-loop Control［J］. CIRP Annals， 2012， 61（1）： 267-270.
[4]	钱东升，田汉，邓加东. 面向极大尺度环件径-轴向稳定轧制的环件匀速长大状态精准闭环控制方法［J］. 机械工程学报， 2023， 59（10）： 85-95.
	QIAN Dongsheng， TIAN Han， DENG Jiadong. Towards Extremely Large-scale Radial-axial Ring Rolling for Constant Ring Growth State with Accurate Closed-loop Control Method［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2023， 59（10）： 85-95.
[5]	郝用兴，张红艺，王超峰，等. 基于ABAQUS的导向辊运动优化控制［J］. 河南科技， 2017， 44（1）： 64-66.
	HAO Yongxing， ZHANG Hongyi， WANG Chaofeng， et al. The Optimal Control of the Guide Roller Motion Based on ABAQUS［J］. Journal of Henan Science and Technology， 2017， 44（1）： 64-66.
[6]	杨红丽，冯耿，吕鑫，等. 高铁轴承内圈冷辗扩导向辊闭环控制的研究［J］. 机械制造， 2016， 54（1）： 37-39.
	YANG Hongli， FENG Geng， Xin LYU， et al. Study on Closed-loop Control of Guide Roller for Cold Rolling of High-speed Rail Bearing Inner Ring［J］. Machinery， 2016， 54（1）： 37-39.
[7]	HUA Lin， DENG Jiadong， QIAN Dongsheng， et al. Modeling and Application of Ring Stiffness Condition for Radial-axial Ring Rolling［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2016， 110： 66-79.
[8]	PENG W F， NIU B K， ZHANG J H， et al. A 3D-FEM of Adaptive Movement Control of Guide and Conical Rolls in Ring Rolling Process［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2017， 92（9）： 3287-3298.
[9]	王雨，谢丹，何珞玉，等. 大型异形环件径-轴向轧制芯辊运动自适应控制［J］. 塑性工程学报， 2021， 28（12）： 81-89.
	WANG Yu， XIE Dan， HE Luoyu， et al. Motion Self-adaptive Control of Mandrel Roll in Radial-axial Rolling for Large Profiled Ring［J］. Journal of Plasticity Engineering， 2021， 28（12）： 81-89.
[10]	宁湘锦，汪小凯，华林，等. 超大型环件径轴向轧制过程稳定性与圆度自适应控制方法研究［J］. 中国机械工程， 2022， 33（11）： 1353-1360.
	NING Xiangjin， WANG Xiaokai， HUA Lin， et al. Research on Stability and Roundness Adaptive Control Method of Radial and Axial Ring Rolling Processes of Super Large Rings［J］. China Mechanical Engineering， 2022， 33（11）： 1353-1360.
[11]	ZHANG Ke， WANG Xiaokai， HUA Lin， et al. Numerical Simulation of Intelligent Fuzzy Closed-loop Control Method for Radial–Axial Ring Rolling Process of Super-large Rings［J］. Materials， 2022， 15（14）： 5084.
[12]	ZHANG Zhiwu， LIU Ruxue， LI Dayong， et al. Investigation on Deformation Behaviors and Dynamic Recrystallization Mechanism of Spray Formed Al–Zn–Mg–Cu Alloy under Hot Compression［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2024， 28： 4401-4416.
[13]	XIE Zhiqiang， JIA Zhihong， XIANG Kaiyun， et al. Microstructure Evolution and Recrystallization Resistance of a 7055 Alloy Fabricated by Spray Forming Technology and by Conventional Ingot Metallurgy［J］. Metallurgical and Materials Transactions A， 2020， 51（10）： 5378-5388.
[14]	钱东升，时大方，华林，等. 大型风电轴承套圈滚道轧制数值模拟与实验［J］. 塑性工程学报， 2013， 20（2）： 51-56.
	QIAN Dongsheng， SHI Dafang， HUA Lin， et al. Numerical Simulation and Experimental Study on Raceway Rolling of Large Wind Power Bearing Ring［J］. Journal of Plasticity Engineering， 2013， 20（2）： 51-56.
[15]	Dassault Systèmes. Abaqus Analysis User's Guide （Section 6.3.3： Explicit dynamic analysis）［S］. 2022.
[16]	曹金凤，石亦平. ABAQUS有限元分析常见问题解答［M］. 北京：机械工业出版社， 2009： 204-210.
	CAO Jinfeng， SHI Yiping. Answers to Frequently Asked Questions in ABAQUS Finite Element Analysis［M］. Beijing： China Machine Press， 2009： 204-210
[17]	汤翼，华林，赵玉民，等. 立式轧环机轧制中环件运动学规律［J］. 中国机械工程， 2006， 17（3）： 287-290.
	TANG Yi， HUA Lin， ZHAO Yumin， et al. Kinematics Law of Ring in the Ring Rolling Process on a Vertical Ring Rolling Mill［J］. China Mechanical Engineering， 2006， 17（3）： 287-290.
[18]	潘利波，李汉，左治江. 环件径轴向轧制过程锥辊旋转运动学分析［J］. 机械设计， 2021， 38（8）： 80-83.
	PAN Libo， LI Han， ZUO Zhijiang. Kinematic Analysis on the Conical Roll's Rotation during the Process of the Ring's Radial-axial Rolling［J］. Journal of Machine Design， 2021， 38（8）： 80-83.
[19]	徐如涛，黄海玲，王克鲁，等. 基于Deform-3D的径轴向环轧有限元模拟时的导向辊约束［J］. 热加工工艺， 2012， 41（3）： 87-88.
	XU Rutao， HUANG Hailing， WANG Kelu， et al. Bound of Guide Roll in Radial-axial Ring Rolling Finite Element Simulation Based on Deform-3D［J］. Hot Working Technology， 2012， 41（3）： 87-88.
[20]	ZHOU G， HUA L， QIAN D S. 3D Coupled Thermo-mechanical FE Analysis of Roll Size Effects on the Radial-axial Ring Rolling Process［J］. Computational Materials Science， 2011， 50（3）： 911-924.
[21]	HUA Lin， PAN Libo， LAN Jian. Researches on the Ring Stiffness Condition in Radial–Axial Ring Rolling［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2009， 209（5）： 2570-2575.
[22]	UTSUNOMIYA H， et al. Harmonic analysis of residual stress distribution in rolled rings［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2018， 255： 715-723.
[23]	漆良涛，肖旻，郑银霞. 深沟球轴承内圈冷辗扩过程中环件直径增长规律研究［J］. 机械工程与技术， 2020（3）： 219-225.
	QI Liangtao， XIAO Min， ZHENG Yinxia. Research on the Diameter Growing Law of the Inner Ring of the Deep Groove Ball Bearing during the Cold Rolling Process［J］. Mechanical Engineering and Technology， 2020（3）： 219-225.
[24]	华林，左治江，兰箭，等. 环件冷辗扩芯辊进给速度规范设计［J］. 中国机械工程， 2006， 17（9）： 953-957.
	HUA Lin， ZUO Zhijiang， LAN Jian， et al. Control Method Design for Feed Rate of Idle Roller in Cold Ring Rolling［J］. China Mechanical Engineering， 2006， 17（9）： 953-957.
[25]	黄林松，程明忠，黄孝卿，等. J307轮箍径-轴向轧制变形分析［J］. 安徽工业大学学报（自然科学版）， 2023， 40（2）： 126-132.
	HUANG Linsong， CHENG Mingzhong， HUANG Xiaoqing， et al. Deformation Analysis of Radial-axial Rolling Process of J307 Railway Tyre［J］. Journal of Anhui University of Technology （Natural Science）， 2023， 40（2）： 126-132.
[26]	ZHOU Guang， HUA Lin， QIAN Dongsheng， et al. Effects of Axial Rolls Motions on Radial-Axial Rolling Process for Large-scale Alloy Steel Ring with 3D Coupled Thermo-mechanical FEA［J］. International Journal of Mechanical Sciences， 2012， 59（1）： 1-7.
[27]	ALLWOOD J M， TEKKAYA A E， STANISTREET T F. The Development of Ring Rolling Technology［J］. Steel Research International， 2005， 76（2/3）： 111-120.
[28]	DENG Jiadong， DI Liang， YUAN Tian， et al. A Novel Constrained Ring Rolling Process of Deep-groove Rings by Coordinate Controlling the Roller Motion［J］. International Journal of Material Forming， 2025， 18（1）： 20.
[29]	MONTMITONNET P. Hot and Cold Strip Rolling Processes［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2006， 195（48/49）： 6604-6625.