Способ управления процессом нагрева штампового набора и устройство для его осуществления
Изобретение относится к обработке металлов давлением, преимущественно к изотермической штамповке, а именно к способам управления процессом нагрева штампового набора и устройствам для их осуществления. Цель - повышение качества штампуемых изделий за счет обеспечения равномерного и стабильного температурного поля в объеме штампового набора в процессе штамповки. Штамповый набор нагревают в печи до средней температуры на 10-30°С ниже требуемой температуры штамповки, а затем осуществляют дополнительный нагрев при помощи нафевателей Температура штампа в разпичных точках контролируется датчиками температуры и регулируется с помощью нагревателей. В процессе нагрева осуществляют прогнозирование значений температур различных участков штампа на последующие моменты времени с учетом потерь тепла в окружающую среду и нагрева за счет тепловых потоков от нагревателей и задание закона изменений мощности каждого нагревателя в «мде линейной комбинации разностей между требуемой и прогнозируемой температурой для разных частей штампового набора . Устройство для осуществления способа содержит датчики температуры, нагреватель с автономными регуляторами питания , блоки вычисления, сравнения, прогнозирования, оценки рассогласования температур, блок определения мощности нагревателей. Данные решения учитывают задержку в оаспределении тепловых потоков от нагревателей по объему штэмпового набора ипозвопяют прогнозировать температурное поле штампового набора на последующие моменты времени. При этом мощность нагревателей в виде линейной комбинации разности между требуемой и прогнозируемой температурой для различных частей штампового набора. Данные решения исключают перерегулирование температуры в отдельных частях штампового набора и обеспечивают асимптотическое приближение к требуемой температуре в каждой части штампового набора, что гарантирует раномерность и стабильность температурного поля штампового набора в последующем процессе штамповки 2 с.п.флы, б ил сл ON ю VJ CJ О OJ
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛ ИС ТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4476737/27 (22) 15.07.88 (46) 15.02,91. Бюл, Р 5 (71) Уральский электромеханическии институт инженеров железнодорожного транспорта им.Я.М.Свердлова (72) Б.М.Готлиб, К.С.Кувалкин, С,А,Румянцев и О.Ю.Кульчицкий (53) 621,73(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР N. 804157, кл. B 21 J 1/06, В 21 J 13/02, 1979. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НАГРЕВА ШТАМПОВОГО НАБОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к обработке металлов давлением, преимущественно к изотермической штамповке, а именно к способам управления процессом нагрева штампового набора и устройствам для их осуществления. Цель — повышение качества штампуемых изделий за счет обеспечения равномерного и стабильного температурного поля в объеме штампового набора в процессе штамповки. Штамповый набор нагревают в печи до средней температуры на 10-30 С ниже требуемой температуры штамповки, а затем осуществляют дополнительный нагрев при помощи нагревателей. Температура штампа в различных точках контролируется датчиками температуры и регулируется с помощью нагревателей. В процессе нагрева осуществляют прогнозирование значений температур различных Изобретение относится к обработке гпеталлов давлением, а именно к управлению нагревом штампового инструмента при изотермической штамповке, „.,5UÄÄ 1627303 Al участков штампа на последующие моменты времени с учетом потерь тепла в окружающую среду и нагрева за счет тепловых потоков от нагревателей и задание закона изменения мощности каждого нагревателя в жиде линейной комбинации разностей между требуемои и прогноэируемой температурой для разных частеи штампового набора. Устройство для осуществления способа содержит датчики температуры, нагреватель с автономными регуляторами питания, блоки вычисления, сравнения, прогнозирования, оценки рассогласования температур, блок определения мощности нагревателеи. Данные решения учитывают задержку в оаспределении тепловых потоков от нагревателей по объему штампового набора и позволяют прогнозировать температурное поле штампового набора на последующие моменты времени. При этом мощность нагревателей в виде линейной комбинации разности между требуемой и прогнозируемой температурой для различных частей штампового набора. Данные решения исключают перерегулирование -емпера1уры в отдельных частях штампового набора и обеспечивают асимптотическое приближение к требуемой температуре в каждой части штампового набора,- что гарантирует раномерность и стабильность температурного поля штампового набора в последующем процессе штамповки. 2 с.ï.ôлы, бил Цель изобретения — повышение качества штампуемых изделий за счет обеспечения равнол1ерного и стабильного температурно1627303 (2) ro поля в объеме штампового набора в процессе штамповки. На фиг.1 представлена блок-схема устройства управления нагревом штампового набора; на фиг.2 — функции влияния нагревателя на части штампового набора, расположенные вблизи нагревателя и удаленные от нагревателя; на фиг.3 — структурная схема блока вычисления температур; на фиг.4— структурная схема блока сравнения температур; на фиг.5 — структурная схема блока прогнозирования температур; на фиг.б— структурная схема блока определения мощностей нагревателей. Способ управления процессом нагрева штампового набора осуществляют следующим образом. Вначале штамповый набор 1 нагревают в печи до средней температуры на 10-30 С ниже требуемой температуры штамповки. Недогрев штампового набора на 10-30 С до требуемой температуры нагрева позволяет активно использовать тепловую мощность нагревателей 2, при этом нижний предел недогрева определен опасностью перегрева в печи отдельных частей штампового набора и точностью показаний датчиков температуры, а верхний предел ограничен установочной мощностью нагревателей. 3атем нагретый в печи штамповый набор монтируют на столе пресса. После монтажа осуществляют дополнительный нагрев и выравнивание температурного поля штампового набора посредством регулирования мощностей нагревателей, подключаемых в различных комбинациях к регуляторам 3 питания в зависимости от значений температур в различных частях штампового набора, измеряемых датчиками температур (например, термопарами). Для этого определяют температуру в различных частях штампового набора в зависимости от мощности всех включенных нагревателей по формуле т 8„ = О, е $ J а; (е) U)(r) е е, (1I =1 а где 0, — температура окружающей среды, С; To — характерное время остывания штампового набора, мин; UI (T) — мощность, на которую за т мин до момента измерения был включен j-й нагреватель, кВт; aij (t) — функции влияния j-го нагревателя на I-ю часть штампового набора через промежуток времени г, град/кВт; i — количество включенных нагревателей. Затем полученные по формуле (1) значения температур О, в различных частях штампового набора сравнивают со значениями температур Я, измеренных в этих же частях штампового набора размещенными в них датчиками температур (например, тер5 ма парами), Полученную разность 9i = Й вЂ” Oci используют в дальнейшем для прогнозирования температур. Прогноз температуры для I-й части штампового набора на последующие моменты времени производят путем добавления к показанию каждо о I-го датчика температуры ожидаемой разности между повышением температуры за счет тепловых потоков от нагревателей и ее понижением в связи с теплопотерями штампового набора в окружающую среду. При этом величины повышения температуры i-й части штампового набора за счет тепловых потоков от нагревателей определяют из выражения I 1o ЛО, =- g (aiI (г) 0; (х — Т ) Cl 7, > = т 25 Ь где 7i —— — — эффективное время эапаздыК вания по управлению (запаздывание распределения тепловых потоков от нагревателей по объему н.тампового набора) для I-ой 30 части штамповoro набора, мин; LI — расстояние!-го датчика температуры до ближайшего нагревателя, м; к — температуропроводность материа2 ла шгампового набора, м /мин, 35 Величины теплопотерь i-й частиц штампогого набора в окружающую среду определяюг по формуле 1 то 40 Л(4; = (Π— 0„$ f aiI UI (е) d ехр" =1 а (3) „(— ) =p, ехр(- ) .. Затем прогноз температуры для i-й части штампового набора осуществляют по формуле Oa; = Ов + 6i; ехр (— — I + Л Ос (4) где значения Я и ЛОц определяют из выражений (2) и (3). Величины разностей между требуемой О и прогнозируемой температурой Og; для различных i-x частей штампового набора ЛО, = 9" — 0 ; используют для определения мощностей нагревателей. 1627303 blI UI — — 0 - О I=1 Т UI + k bii = UI =1 (5) 45 55 Мощности нагревателей Ц определяют иэ решения системы линейных уравнений: где Π— величина требуемой температуры, "С; I — количество датчиков температуры; UI — величины мощности J-го нагревателя, необходимые для поддержания требуемой температуры штампового набора в стационарном режиме, кВт. Ti bi> = /ац(т)д г, о Я, — вспомогательные переменные Функции влияния aiI(r) J-го нагревателя на i-ю часть штампового набора, где размещен i-ый датчик температуры, определяют экспериментальным путем, для чего включают поочередно каждыи нагреватель на определенное время с определенной мощностью. Затем после каждого включения следят за изменением показаний датчиков температуры Во всех частях штампового набора. По этим показаниям определяют функции влияния данного нагревателя на каждую часть штампового набора, температура которой контролируется соответствующим температурным датчиком. Величины UI мощностей нагревателей необходимые для поддержания требуемои температуры штампового набора в стационарном режиме, определяют расчетным или экспериментальным путем из условия теплового баланса штампового набора, Пример. Способ управления нагревом штампового набора опробован методом имитационного моделирования. При этом штамповый набор имел форму цилиндра с диаметром основания и высотой. равными 800 мм. Материал штампового набора— сталь 5 ХНМ. имеющая следующие теплофизические характеристики: л -- 39,7 ВтlмоС; С = 921 Дж/кг С; р = 7900 кг/, где коэффициент тепопроводности, С вЂ” удельная теплоемкость, р — плотность. На наружной поверхности штампового набора нанесен слой теплоизоляции толщиной 150 мм, имеющей следующие теплофизические характеристики: Я = 0,14 Вт/м С, р„=- 150 кг/м". На боковой поверхности штампового набора расположены четыре нагревателя, а один нагреватель вмонтирован в тело штампа в непосредственной бли5 40 зости от гравюры, Температуру в теле штампового набора измеряли в четырех точках I-IV. Температуру окружающей среды принимали равной 08 = 20 С, Устройство управления процессом нагрева штампового набора 1 содержит нагреватели 2, автономные регуляторы 3 питания, устройство 4 измерения температур, блок 5 вычисления температур, блок 6 сравнения температур, блок. 7 прогнозирования температур, блок 8 оценки рассогласования температур, блок 9 определения мощностей нагревателей. Блок 5 вычисления температур имеет три входа, на один из которых подают сигналы, пропорциональные значениям функций влияния, а на второй вход — сигнал, и ропорционал ьн ый температуре окружающей среды. третий вход связан с выходом блока 9 определения мощностей нагревателей, выход же его связан с одним из входов блока 6 сравнения температур, на второй вход которого поступают сигналы с выхода устройства 4 измерения температур, а его выход связан с одним иэ входов блока 7 прогнозирования температур, на другой вход которого поступают сигналы. пропорциональные функциям влияния, а на третий его вход подают сигналы, пропорциональные температуре окружающей среды, выход же его связан с одним из входов блока 8 оценки рассогласования температур, на другой вход которого подают сигнал, пропорциональный требуемой температуре штампового набора 1, а выход связан с одним из входов блока 9 определения мощностей нагревателей 2, на другой вход которого поступают сигналы, пропорциональные мощностям нагревателей 2, необходимые для поддержания требуемой температуры в стационарном режиме, при этом его выход связан с входом блока 7 прогнозирования температур, а также с входом блока 5 вычисления температур и с входами регуляторов 3 питания нагревателей 2, выходы которых связаны с соответствующими нагревателями 2. Усгройство 4 измерения температур в различных частях штампового набора содержит набор хромель-алюминиевых термопар, вмонтированных в тело штапмового набора, а также усилители для усиления и нормирования электрических сигналов термо пар. Блок 5 вычисления температур (фиг.3) содержит последовательно соединенные друг с другом устройство 10 ввода, вычислительное устройство 11 с запоминающим устоойством 12 и устройство 13 вывода. 1 27303 Вычислительное устройство 11 с запоминающим устройством реализовано на баз однокристал ь ного 16-разрядного микропроцессора KP 1801 BM 2. Блок 6 сравнения температур (фиг,4) содержит последовательно соединенные друг с другом коммутатор 14 аналоговых сигналов, поступающих от у тройства 4 измерения температур, аналого-цифровой преобразователь (АЦР) 15, устройство 16 ввода, на второй вход которого поступаесигнал блока 5 вычисления температур, сумматор 17 с запоминающим устройством 18. устройство 19 вывода. При этом второй выход устройства 16 ввода связан с одним из входов коммутатора 14. Сумматор 17 с запоминающим устройством 18 реализован нэ базе 8-разрядного микропроцессора КР580. Блок 7 прогнозирования температур (фиг.5) содержит устройство 20 ввода. один выход которого соединен с входо 1 блока 21 определения величины повышения температур эа счет тепловых потоков от нэ<ревателей ЛО,, э другой — с блоком 22 определения величин теплопотерь штампо вого набора в окружающую среду ЛОп Выходы блоков 21 и 22 связаны с двуля входами сумматора 23, который соединен с устройством 24 выхода. Блоки 21 и 22 блока 7 прогнозирования температур реализованы ía базе однокристальных 16-разрядных микропроцессоров КР1801ВМ2 э сумматор 23 — на базе 8-разрядного микропроцессора КР580. Блок 8 оценки рассогласования тем< ратур имеет конструктивное решение эна логичное блоку 5 вычисления температур. Блок 9 определения мощностей «агревателей (фиг,б) содержит последовательно соединенные друг с другом устройство 25 ввода, вычислительное устроиство 26 с запоминающиM устройством 27 устройство 28 вывода и блок 29 формирования энэло< овых сигналов, поступающих на регулягор 3 питания нагревателей B качестве регуля1оров 3 питания нагревателей 2 использованы тиристор<ые регуляторы. Устройство управления процессом нагрева штампового набора работает следующим образом, Перед включеним системы в работу в нее вводится следующая информация: aij (г)функция влияния j-го нагревателя нэ i-ю часть штампового набора через проме;куток времени t; 0 — требуемая температура на грева штампового набора (температура! 5 Вводимая инфс>рмация поступает на входы следующ<лх блоков: в блок 5 вычисления температур - а, (t) i)0«; в блок 7 прогнозиоования темпера yp -- О„и aij (г), в блок 8 оценки оэссогпасогания темпера10 тур - О, в блок 9 определения мощностей нагревателей Uj В начале процесса нагрева (после подключения нагревателел 2 и устройства 4 измерения ieм 30 Елок еь;.<исления температур. имея данные о функциях влияния а;, и мощностях на< ревэтелей Lij по формуле (1), определяет <емперэ< уру в р.<з < ч «-<ых частях штамповоi набора . ., Бчок 6 сравнения температур српвниааег значения температур с)ц в разли <ных частях штампового набора со значе <иями температур 0,, измереннных в этих час<як ц<та лпового набора с помощью уст40 ройст ва 4 измерения температур, выдает их разность С на вход блока 7 прогнозирования температур, куда также поступают значения a j (т) и (jj (г - Т1). Блок 21 определения eeëè«èíû повышения температур эа счет -сепповых потоков от нагревателей по ° < формуле (2) определяет величины повышения температур ЛО,, а блок 22 определс .— н<л> величин <еппопотерь штампового набора в <кружанз<дую среду по формуле (3) опред .пяет вепичи;ы теппонотерь Л О<я . Вели <и <ы ЛО„и ЛОп поступаюч на суммаi op! складываются с величиной температуры 1«окружающей среды, при этом по формуле (4) определяются величины про55 нозируемых температур Od; . Елок 8 оценки рассогласования темперэ1ур производит оценк рассогласования и< огнозируемых температур 0«, и требуемой температуры t», 1627303 10 лями. О" — 0 1 = Л() . Это рассогласоеэ11ие hl), i=in»còå с Велич iloй U; г;вступает нз вход Г. -а с1 Определения мощностей нагречателей котарыи производит определение мошно»1»й нагрс еателей U, решая систему уравнения (5) Величины мощностей нагрееа1елей fff поступают на соответству ощ;е регуляторы 3 питания нагренателей 2 Спог, б упраеле ния процессом на-рева цтампоеого небо;-,ч и у.: ройство для его асущестелечия позволяют обеспечить равномерно. и стабильное темпepaTypHOP поле е Объеме штампоеого набора в процессе штах "овки, -1то способствует повышению качества: расширени о сортамента и тампуе,. ых изделии. Это1 эффект pocTfn!af:.тся з", счет учета зад..рж, ааспростаанения геплоиых пг.-.окоч е обь»ме1етампово О набора путем прогH. зироеания температурогп паля на последуюн1и» МОМЕНТЫ ВРЕМЕНИ НВГРЕВВ. а гаК КЕ За С Ет Выбора мОщíоcòeè нагреватPëåé В В. де; инейной комбинации разнастеи между гре буемой и прогнозируемой тем-1Pратурой для разных час е!п штампового набора. Форму а изобретения 1. Способ управления пр«цесcîì нагрева штал павого 1абора. при ко:оро контролируют е,лперагуру штампа в различных точках и Осущe»Ten fOT Выааениеание темп ра-урного поля шта лпочого набора посредсгеом регулирования мощнаcreA нагревателеи о т л и ч а ю ш и и с я тем Чта, С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КачЕСтВа ШтаМП: » мых изделий 33 счет o ""ее печения равномерного и стабильного темперагурного поля е объеме штампового набоаа B працеcce ш гампоеки, вначале зксперил е тальным путем, используя электаичегкие cfnf налы Ог датчиков темпера гуры раз,lичнь,х час-.еи шта)лпового набора, определяю1 реальные теплофизические. теплоинерционные свой ства и инте сивность остывания uf Tahnfnoeoro набора. полученную информацию фИКСИРУЮт. ЗатЕМ ПРОГНОЗИРУ»ат ПОКаэа 1ИЯ датчиков темпеаатур11 различных частей штампового лнструмента ffa последук>щи . моменты времени с учаTohn f10ëó÷åííoè ранее информации. добавляя к показаниям т»РМОПВР ВЕЛИЧИНУ РаЗНОСT л МЕЖДУ OОВЫ шением темпеpaTypbf 3а счег теплоv,. no10Kos от нагревателей v! ее понижением В связи с епло1отеоями шта лпового набора В окружающую среду, потом оценивают раз10 15 О 30 ) L ь0 ность между величинами требуемой и проГНОЗИР-Емай тЕ л ЕРатУРЭМИ ДЛЯ РаЗЛИЧНЫХ .-.«тей штампово о набора и пода1от на каждый нагреватель мощности, величины которых пропорциональны этим разностям. 2. Устройство управления процессом нагрева штампового набора, содержащее систему управления с устройством измерени ; температуры, а также изолированные сд.iff от qpyfofo нагреватели с автономным регу11ятарами питания. о т л и ч а ю щ е е с я ем, 1то оно снабжено блоком вычисления теh ВходОВ блока »раен»ния температур, второй е) од KOTopofo пред, 3 лчен для приема г лгналое Вь хода ус-р!.I стев измерения те.лператур. 3 еlo еыхо;. cB1зан с одн и из В кОДО6 блока и раг l03 ирРPO l i 1ля тeì11е рд1 ур, при эгом другои ехо; последнего предназначен для приема сигналае, пропорциональ11ых функциям Влияния, а третий . ro Вход для сигналов, пропорциональных темг1»ратуре окружаюе.ей среды, причем выход еl а в свою 04»peg/i =вязан с одним из входов б IOKB оценки pdccolласоеания темпераlур Один и3 Входае котОрОга предназначен для приема сигнала. пропорциснальнаго требуемои темперагуре ш1ампаваго набора. а выход связан с одним из входов блока определения Мо.öíocòè нагрееателеи, при этом другой вход последнего предназначен для приема сигналов, пропорциочальных мощностям нагревателей, необходимых для поддержания требуемой температуры штамповога набора в стационарном режиме. а его чыход «вязан с входом блока прогнозирования температуры. а также с входом блока вычисл ния тЕМПСчоатУР И С ЕХОДаМИ РЕГУЛЯТОРОВ ПИтаНИЯ нагревателей, выходы КОтарых в сваю очеаедь связаны с соответствующими нагревате1627303 1627303 Юиб Составитель А,Быстров Техред М.Моргентал Корректор А.Осауленко Редактор М.Бандура :-аказ 304 Тираж 405 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
