Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние изучаемой проблемы и задачи исследования 6
1.1. Технологические требования к параметрам горячештамповочного комплекса на базе кривошипного горячештамповочного пресса .6
1.1.1. Технологические процессы автоматизированной горячей штамповки 6
1.1.2. Процесс штамповки: аналитические зависимости и модели расчета силы деформирования 11
1.1.3. Контроль и дозирование температуры заготовки 18
1.1.4. Контроль и дозирование объёма (массы) заготовки 20
1.2. Теории и стратегии управления процессами и машинами обработки материалов давлением 23
1.2.1. Теоретические положения 23
1.2.2. Кузнечно-штамповочные машины с программным и программно-адаптивным управлением 25
1.3. Принципы имитационного моделирования процессов и машин обработки металлов давлением 28
1.4. Обоснование необходимых средств контроля температуры и массы заготовок .37
1.5. Цели и задачи работы 43
ГЛАВА 2. Технологическое обоснование методов управления горячештамповочным комплексом .47
2.1. Типовая технология горячей объемной штамповки фланцев в открытых штампах и состав горячештамповочного комплекса 47
2.2. Технологическое обоснование стратегии управления 49
2.2.1. Виды, объекты и параметры управления процессом объемной штамповки 49
2.2.2. Анализ технологического процесса средствами программы моделирования процессов штамповки Qform 53
2.3. Технологические управляемые параметры автоматизированного комплекса для горячей объемной штамповки 55
2.3.1. Управление объёмом (массой) заготовки 55
2.3.2. Управление температурой заготовки 59
2.3.3. Оценка влияния температуры и массы заготовки на силу деформирования моделированием в Qform штамповки заготовки с исходными данными, соответствующими последующим экспериментальным исследованиям 62
2.4. Выводы по главе 64
ГЛАВА 3. Теоретическое исследование и разработка имитационной модели процесса горячей объемной штамповки в комплексе на базе кривошипного горячештамповочного пресса 67
3.1. Разработка алгоритмического плана способов управления 67
3.1.1. Способ независимого управления температурой заготовки и объемом (массой) заготовки 68
3.1.2. Способ взаимозависимого управления температурой и объемом (массой) заготовки 70
3.1.3. Разработка адаптивной модели управления процессом горячей объемной штамповки 74
3.2. Разработка имитационной модели работы комплекса на базе кривошипного горячештам побочного пресса 79
3.2.1. Структура имитационной модели комплекса на базе кривошипного горячештамповочного пресса 79
3.2.2. Рекомендуемый интерфейс программы 83
3.3. Выводы по главе 90
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование адекватности имитационной модели горячештамповочного комплекса на базе КГШП 95
4.1. Методика проведения экспериментальных исследований 95
4.2. Состав экспериментальной установки 97
4.2.1. Структура установки 97
4.2.2. Контрольно-измерительная аппаратура экспериментальной установки 97
4.2.3. Тарировка датчиков 102
4.3. Методика и обсуждение результатов эксперимента 104
4.3.1. Оценка влияния погрешности дозирования массы (объема) заготовки на силу деформирования 104
4.3.2. Оценка влияния погрешности дозирования температуры заготовки на силу деформирования 104
4.3.3. Проверка адекватности имитационной модели процесса горячей объемной штамповки на кривошипном прессе 106
4.4. Тестирование имитационной модели процесса горячей объемной штамповки на КГШП и анализ эффективности алгоритма управления процессом 113
4.4.1. Определение значений параметров компьютерной имитационной модели, алгоритма управления и технологического процесса 113
4.4.2. Методика тестирования имитационной модели 113
4.4.3. Исследование влияния понижающего коэффициента 115
4.4.4. Сравнение алгоритмов взаимозависимого и независимого управления 116
4.5. Выводы по главе 120
ГЛАВА 5. Разработка методики и рекомендации по проектированию горячештамповочного комплекса на базе КГШП 122
5.1. Управляемые параметры технологического процесса горячей объемной штамповки 123
5.2. Структура и задачи компьютерной системы управления горячештамповочным комплексом 123
5.3. Алгоритм проектирования горячештамповочного комплекса с системой адаптивного управления 128
5.4. Выводы по главе... 132
Выводы по работе 134
Литература
- Технологические процессы автоматизированной горячей штамповки
- Технологическое обоснование стратегии управления
- Способ независимого управления температурой заготовки и объемом (массой) заготовки
- Оценка влияния погрешности дозирования массы (объема) заготовки на силу деформирования
Введение к работе
Развитие информационных технологий создает возможность стабилизации технологических процессов и повышения точности продукции горячей объёмной штамповки. Конкурентоспособные горячештамповочные прессы и автоматизированные комплексы должны быть оборудованы различными информационными системами, решающими задачи программного управления, мониторинга и диагностики параметров функционирования важнейших узлов, выполнения различных функций учета работы кузнечно-штамповочных машин (КШМ) и времени работы персонала.
Так же, на сегодняшний момент в России актуальна модернизация оборудования заводов, техническая база которых значительно устарела за период нестабильности экономики. Во многих случаях это целесообразно проводить с сохранением имеющегося оборудования, а модернизировать его за счет установки новой компьютерной системы управления (СУ), выполненной по современным стандартам.
Модернизированные линии должны штамповать детали с повышенной точностью высотного размера для исключения ряда операций последующей механической обработки. Для этого необходима разработка новых систем управления и алгоритмов, использующих прогрессивные методы (такие, как адаптивное, упреждающее, удаленное управление). Система управления так же должна удовлетворять современным требованиям к эргономичности интерфейса.
Предлагаемая в данной работе система адаптивного управления предназначена для увеличения точностных характеристик поковок, получаемых методом открытой горячей штамповки (ГОШ) на горяче штам побочных комплексах (ГШК) на базе кривошипных горяче штамповочных прессов (КГШП) за счет адаптации к переменным параметрам заготовки: объему (массе) и температуре. Повышения точности
7 предлагается достичь за счет стабилизации переменных величин упругих деформаций пресса и штампа в процессе деформирования поковки. Это достигается стабилизацией силы сопротивления деформированию, вызывающей упругие деформации пресса, путем стабилизации входных переменных параметров: объема и температуры заготовки.
Зависимость силы деформирования от объема и температуры заготовки определяются алгоритмом расчета адаптивной модели. Результатом работы алгоритма являются коэффициенты линейного регрессионного уравнения, описывающего эту зависимость. Исходя из решения уравнения, осуществляется управление устройствами разделки и нагрева заготовок.
Технологические процессы автоматизированной горячей штамповки
Вопросы технологии горячей объемной штамповки изложены в [37, 76, 38]. При рассмотрении различных вариантов технологических процессов автоматизированной штамповки на КГШП воспользуемся принятой классификацией [38] и ее анализом [10]. Поковки разбиваются на пять основных групп.
К первой группе относят поковки круглые в плане или близкие к этой форме, в том числе квадратные и близкие к круглым и квадратным в плане. Поковки простой формы с плавными переходами от сечения к сечению, с небольшой разницей в диаметрах заготовки и поковки, без выступающих ребер и бобышек относят к 1-й подгруппе. При перекладке заготовок вручную на КГШП поковки 1-й подгруппы штампуют в одном окончательном ручье с достаточно высокой производительностью (см. техпроцесс 121, рис, 1.1).
Поковки несложной формы при различных соотношениях диаметров поковки и заготовки относят ко 2-й подгруппе. Их штампуют за три перехода: осадка, окончательная штамповка, обрезка (техпроцессы 121, 122).
Поковки круглые в плане или близкие к ним, сложной формы, с отверстием относят к 3-й подгруппе. Их штампуют за четыре или пять переходов. Для четырех переходов (техпроцесс 131) используются операции осадки (фасонирования), предварительной штамповки, окончательной штамповки, прошивки и обрезки. Возможно разделение операций прошивки и обрезки на разные переходы (техпроцесс 132).
Ко II группе относятся поковки удлиненной формы с небольшой разницей сечений, штампуемые плашмя. Для штамповки поковок этой группы используют только автоматизированные КТШТТ, специальные горячештамповочные автоматы для штамповки таких поковок не выпускаются.
Многоштучная штамповка поковок первой подгруппы производится в четыре перехода: плющение (предварительная штамповка), окончательная штамповка, прошивка и обрезка (техпроцесс 211).
Поковки с небольшими перепадами сечений относят ко второй подгруппе. Их штампуют также, как и поковки первой подгруппы (техпроцесс 221).
Спаренные поковки относят к третьей подгруппе (техпроцесс 231). Их штампуют в четыре-шесть переходов: пережим (плющение средней части), формовка, предварительная штамповка, окончательная штамповка, прошивка и обрезка.
К III группе относятся поковки удлиненной формы со значительной разницей в площадях поперечных сечений. Для поковок этой группы необходимы заготовки, предварительно обработанные на других видах оборудования (например, с использованием вальцев).
К IV группе относят поковки с изогнутой осью. Технологический процесс изготовления этих поковок трудно поддается автоматизации из-за наличия гибочных ручьев и замков в штампе. В автоматическом режиме штампуются наиболее простые из этих поковок - с изогнутой осью и с разъемом штампа, повторяющим изгиб оси (техпроцесс 411).
К V группе поковок относят поковки, изготавливаемые выдавливанием (техпроцесс 511). Имеются примеры автоматической штамповки деталей данной группы, с использованием прямого и обратного выдавливания.
В качестве типового процесса при разработке компьютерной адаптивной системы управления горячештамповочным комплексом на базе КГШП целесообразно принять процесс штамповки фланцев карданного вала коробки передач, относящихся к поковкам I группы 2 подгруппы.
Важным фактором при проектировании системы управления, решающей задачу стабилизации силы деформирования, является выбор аналитической зависимости для расчета силы. Вопрос точности расчета силы деформирования на КГШП исследовался Максиму ком B.C., Селивановой Л.В. [50]. Они экспериментально оценили точность расчета силы (Р) по следующим семи формулам расчета сил, предложенным Сторожевым М.В., Поповым Е.А. [71, 72], Тарновским И.Я. [73], Малевым И.И. [51], ЭНИКМАШ [54], Мертенсом К.К. [53]:
Технологическое обоснование стратегии управления
В зависимости от задач управления можно выделить следующие виды управления ГШК:
1. Логическое управление. Логическое управление осуществляет синхронизацию работы различных узлов механизма, обеспечивает последовательное и своевременное включение/выключение механизмов. Логическое синхронизирующее управление обязательно для обеспечения работоспособности пресса.
2. Внутрицикловое управление. Внутрицикловое управление применяется в дополнение к синхронизирующему. В его задачи входит улучшение качества управления за счет обратных связей с параметрами механизмов, изделий и технологического процесса в ходе каждого цикла работы КШМ.
3. Упреждающее внецикловое управление. В задачи упреждающего внециклового управления входит обеспечение оптимизации работы оборудования за счет статистического анализа параметров работы системы от цикла к циклу.
Имеются алгоритмы управления, предлагающие различные решения вышеперечисленных задач. Согласно [58] можно выделить следующие типы систем управления.
1. Жесткое программное управление. ЭТОТ алгоритм обычно применяется при решении задач логического синхронизирующего управления. В этом случае управление КШМ реализуется с помощью жестких механических связей различных узлов пресса, например, посредством рычажных систем, конечных выключателей. При применении жесткого программного управления практически не учитывается несоответствие реального изменения рабочих параметров механизма по отношению к расчетному (теоретическому).
2. Программное управление. Алгоритмы этого класса часто применяются при решении задач внутрициклового управления. Поток информации от датчиков анализируется и, в зависимости от его характера, поступает команда на управляющий привод. При формировании управляющего воздействия алгоритмом программного управления учитывается информация, получаемая в ходе одного цикла работы. Влияние неконтролируемых воздействий не учитывается.
3. Адаптивное управление. Данный алгоритм часто применяется при решении задач упреждающего управления. Адаптивное управление основывается на накопленном опыте. Оказывает ощутимое влияние только по прошествии нескольких циклов работы механизма. Такое управление целесообразно применять в масштабах партии штампуемых деталей. Наилучших результатов можно добиться, комбинируя алгоритмы управления.
Для ГШК можно взять за основу структуру стратегий управления, предложенную в [20]. Здесь подразделение производится по объекту управления: заготовка (1), инструмент (2), процесс (3), КГШП (4), поковка (5). Параметры для стратегий управления этими объектами приведены в таблице 10. При выборе из списка таблицы 10 параметров и стратегий управления необходимо руководствоваться следующими критериями: простота, то есть низкая стоимость реализации стратегии управления; сравнительно высокая эффективность; универсальность для различных вариантов технологических процессов.
Для стратегии управления заготовкой (1) и поковкой (5), параметрами управления являются геометрические параметры заготовки и её температура. Для этих стратегий при различных объектах обратной связи управление фактически производится за счет дозирования объема и температуры заготовки. Это можно реализовать путем управления длиной отрезки заготовки в ножницах и временем нагрева заготовки в индукторе. Стратегии (1) и (5) различаются в объекте обратной связи и в задачах управления. В первом случае за счет управления параметрами заготовки решается задача стабилизации силы деформирования (объект обратной связи - сила деформирования). Во втором случае за счет управления параметрами заготовки решается задача повышения точности размера поковки по высоте (объект обратной связи - поковка). Для реализации стратегии (5) важно снизить отклонения величины силы деформирования, так как это является одним из определяющих факторов в управлении высотным размером
Способ независимого управления температурой заготовки и объемом (массой) заготовки
При этом требуется управлять как независимо, только температурой или массой, так и взаимозависимо температурой и объемом (массой) заготовки. Исходя из типовой технологии горячей объемной штамповки фланца (см раздел 2.2.2), задачи управления технологическим процессом можно разбить на две группы: 1) независимое управление температурой или (и) массой; 2) взаимозависимое управление температурой и объемом (массой) заготовки.
При независимом управлении необходимо обеспечить возможность управления только температурой, только массой и одновременно температурой и массой без компенсации погрешности дозирования массы за счет коррекции температуры нагрева заготовки. При взаимозависимом управлении необходимо обеспечить компенсацию погрешности дозирования массы коррекцией температуры нагрева заготовки.
Задачей при независимом управлении процессом штамповки является вычисление поправки массы заготовки dM и температуры dT и выдача ее системе управления устройством резки исходного материала и индуктору (рис. 3.1). Тогда масса заготовки перед штамповкой Mt - Мпок ,- + Мыь І + Мяяп (3-1) где Мпокі - масса /-ой поковки, М«йі І - масса облоя i -ой заготовки, Мпт - масса потерь. Условием вычисления поправки по массе является получение заготовки с оптимальной массой на позиции загрузки перед штамповкой Мопт. Поправку dM предлагается вычислять, как dM=(Monm-Mcp) К, (3.2) где Мср - фактическое среднее значение массы на позиции загрузки нескольких последних заготовок,
К - понижающий коэффициент. Температура заготовки на позиции окончательной штамповки будет і ні - ш» \- -J) где Тохя - температура, на которую охлаждается заготовка после нагрева до загрузки на позицию окончательной штамповки (С). Условием вычисления поправки по температуре является получение заготовки, имеющей температуру нагрева на позиции окончательной штамповки ТІ , равную оптимальной температуре штамповки ТйП!П, тогда еГГ=ГГтт Т К (3.4) где Тср - фактическое среднее значение температуры нескольких последних заготовок на позиции окончательной штамповки.
Для нахождения Мср и Тср используется метод плавающего среднего. Блок-схема алгоритма независимого программного управления температурой приведена на рисунке 3.2. Алгоритм реализован в разработанных с нашим участием программах для ЭВМ [64, 65, 66].
Наличие промежуточных и передающих механизмов в комплексе вызывает задержку реакции алгоритма на внешние воздействия. Для учета задержки введен специальный коэффициент, уменьшающий величину управляющего воздействия — понижающий коэффициент К. Этот коэффициент необходим для реализации принципа упреждающего управления. Для обеспечения устойчивого процесса управления численное нахождение (методом перебора) величины понижающего коэффициента с использованием разрабатываемой имитационной модели реализовано в программе PC Swage Master [66]. Устойчивость алгоритма управления существенно зависит от величины этого коэффициента, что показано ниже.
Целью работы алгоритма взаимозависимого управления массой и температурой является стабилизация силы деформирования. Однако в отличие от независимого программного управления, когда вычисляемые управляющие воздействия на температуру и массу не зависели друг от друга, в алгоритме взаимозависимого управления учитывается качество отработки системой первого управляющего воздействия — воздействия на массу заготовки. Для этого к системе независимого управления добавляется блок адаптивной модели, определяющий связь системы программного управления нагревом с системой программного управления разделкой (рис. 3.3).
Оценка влияния погрешности дозирования массы (объема) заготовки на силу деформирования
Конечно, для полного подтверждения адекватности модели желательно кроме численного компьютерного эксперимента проведение натурного эксперимента на реальном горяче штамповочном комплексе. Однако в производственных условиях провести это не представляется возможным. Поэтому в данной работе принята методика проверки адекватности с помощью физической модели (стенда).
Цели и задачи экспериментальных исследований: 1) оценить влияние погрешностей дозирования массы и температуры заготовки на величину отклонений силы деформирования; 2) проверить и доказать достаточную адекватность имитационной модели реальному процессу горячей объемной штамповки на кривошипном прессе; 3) дать оценку эффективности применения адаптивного управления комплексом ГОШ на базе кривошипного пресса для решения задачи стабилизации силы деформирования. Экспериментальные исследования проводились в четыре этапа.
Этап 1: оценка влияния погрешности дозирования массы (объема) заготовки на величину отклонений силы деформирования. Заготовки цилиндрические диаметром 20 мм и высотой 12-22 мм. Количество образцов — 18 штук. Эксперименты проводятся без нагрева заготовок. Материал заготовок - свинец. В результате следует построить график зависимости силы деформирования от массы заготовки.
Этап 2: оценка влияния погрешности температуры нагрева заготовки на величину отклонений силы деформирования. Материал заготовок - сталь 35 (результаты лабораторного анализа химического состава: С - 0,35%; Мп 0,55%; Р-0,009%; Ni-0,04%; Si-0,19%; S-0,019%; Cr-0,03%; Cu-0,05%). Заготовки цилиндрические диаметром 14 мм и высотой 36 мм. Количество образцов - 15 штук. Варьируется температура нагрева заготовок в пределах 950 - 1010 С. В результате следует построить график зависимости силы деформирования от температуры заготовки.
Этап 3: подтверждение адекватности имитационной модели процесса горячей объемной штамповке на горячештамповочном комплексе на базе КГШП с системой взаимозависимого управления температурой и массой (объемом) заготовок. Материал заготовок тот же, что и на этапе 2 (сталь 35). Заготовки цилиндрические диаметром 14 мм и высотой 31—42 мм. Штамповка проводится при температуре 890 - 980 С. Количество образцов -27 штук. Заготовки различной массы нагреваются до температуры, рассчитанной адаптивной системой управления. Результат - графики (опытные и расчетные) зависимостей силы деформирования заготовки от ее массы (объема) и температуры.
Этап 4, Тестирование имитационной модели процесса ГОШ на кривошипном прессе и анализ эффективности алгоритма управления на ЭВМ.
При обработке экспериментальных данных следует определять величину расхождения значений силы деформирования рассчитанной имитационной моделью и полученной экспериментально. Для этого следует рассчитать доверительный интервал по критерию Стьюдента.
С целью проведения экспериментов в лаборатории кафедры МТ-6 «Технологии и машины обработки давлением» МГТУ им. Н.Э. Баумана создана экспериментальная установка на базе кривошипного пресса номинальной силой 630 кН. В экспериментальной установке (рис. 4.1, 4.2) комплекс представлен двумя единицами оборудования: кривошипным прессом КД2128Е номинальной силой 630 кН и муфельной печью. Отрезка заготовок от прутка производится абразивным кругом с последующей операцией торцевания на токарном станке для устранения неровности торцевых поверхностей. Горячая объемная штамповка производится в специально изготовленном экспериментальном подкладном штампе (рис. 4.3).
Слисок оборудования, использованного в эксперименте, и его характеристики приведены в таблице 17.
В экспериментах необходимо фиксировать значения следующих параметров: диаметр и высоту заготовки, силу деформирования, температуру нагрева заготовки в муфельной печи, время ее остывания на воздухе при транспортировке на позицию штамповки. Сила деформирования фиксируется осциллографированием сигнала от месдозы [75]. Оборудование для осциллографирования: осциллограф НІ 15, усилитель 8АНЧ-7М, блок питания НІ 33 и месдоза - подключаются стандартно согласно рекомендациям паспортов оборудования.
