CN102091752B - 一种自动化锻造的操作机与压机联动轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动化锻造的操作机与压机联动轨迹规划方法，其方法的步骤包括：步骤1：设计与计算平砧拔长工艺方案的步骤；步骤2：规划执行工艺方案的操作机与压机联动轨迹的步骤；步骤3：评价联动轨迹的合理性的步骤。本发明为自动化锻造的操作机与压机的联动轨迹的规划提供了方法，并且给出了联动轨迹合理性的评价方法。

Description

一种自动化锻造的操作机与压机联动轨迹规划方法

技术领域

本发明属于锻造技术领域，涉及一种自动化锻造的操作机与压机联动轨迹的规划方法。

背景技术

大型锻件是航空、核电、化工、造船，冶金等重大工程和装备的关键零部件，质量要求高，加工困难。大锻件重量巨大，锻造过程需要操作机辅助操作才能完成。锻造时操作机与压机的联动轨迹是锻造工艺的具体实现过程，也是决定锻造最后成形成性的关键因素。设计合理的操作机与压机的联动轨迹，是实现自动化锻造的关键技术。目前，一些先进的锻造企业已经开始建立自动化的锻造生产线，通过操作机与压机自动联动，将坯料锻造成合格锻件。自动化锻造能避免人工操作的随意性和不稳定性，提高锻件的质量和生成效率，因此，自动化锻造是锻造工业的发展方向和趋势。

目前国内一些锻造企业拥有不同操作能力的先进锻造操作机，但是大多数都是由人工操作，个别实现了人工辅助的半自动化锻造。在国外，已有供自动化制造个别锻件的操作机一压机的联动轨迹。这些联动轨迹由生产实践获得，即先由工人控制锻造设备进行某个锻件的锻造，并将整个锻造过程记录下来，然后将锻造过程操作机与压机的联动轨迹编制成程序，为锻造相同锻件时实现自动化锻造。这种基于实验的轨迹规划方法对于较大批量产品的锻造是适用的。然而，对于单件、小批量大锻件的制造来说，基于实验的联动轨迹规划方法成本过高，效率低，难以实现。因此，为了实现自动化锻造，迫切需要提出经济、高效与可靠的规划锻件锻造拔长工艺的操作机与压机联动轨迹的方法。

在文章《Determination of experimental axial and sideways metal flow in open die forging》(作者：B.Aksakal，F.H.Osman，A.N.Bramley，2008(209)《Meterials and Design》)中，作者分析了经验公式法与有限元法预测锻件形变精度的不足，提出了利用上限法来计算锻件形状与载荷的方法。在文章《Real-Time process characterization of open die forging for adaptive control》(作者：T.J.Nye，A.M.Elbadan，G.M.Bone，2001(123)《Journal of Engineering Materials andTechnology》)中，作者提出了通过实时获取操作机顺应锻件变形的位移的方法来计算锻件变形的宽展系数，并设计了实验系统。在博士学位论文《大型模块锻造工艺模拟与CAPP专家系统研究》(作者：梁晨，燕山大学博士学位论文，2003)中，梁晨以锻件变形区无拉应力为目标，研究了工艺参数对锻件变形区特殊位置无拉应力或者由拉应力转为压应力的工艺参数，该研究能为锻造工艺的规划提供了优化的工艺参数。然而，国内外尚未见大型锻件制造过程中操作机与压机联动轨迹的规划方法的相关报道。

锻造的目的是锻件的成形与成性。因此，联动轨迹不仅要满足锻件成形的需要，而且要满足锻件成性的要求。大锻件一般以大型铸锭为原材料，由于大型铸锭通常存在严重的偏析、缩孔、夹杂、晶粒粗大等内部缺陷，并且这些缺陷主要集中在铸锭的心部区域。因此对于大锻件的锻造，主要是要通过使锻件心部在锻造过程中得到充分的变形来消除原材料存在的缺陷。对于联动轨迹的合理性评价，主要是需要判断联动轨迹执行后锻件心部区域的等效应变是否足够大与均匀。目前，计算锻件多道次锻压后锻件内部的等效应变主要采用的方法为有限元法。有限元法计算精度较高，但是计算速度较慢，不适合多道次拔长工艺的优化工作。因此，迫切需要建立计算锻件轴向中心线上等效应变的有效方法，以便快速评价联动轨迹的合理性。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种平砧拔长矩形截面锻件的操作机与压机联动轨迹规划方法，解决目前尚无高效可靠的方法来规划大锻件平砧拔长过程中操作机与压机联动轨迹的问题，并给出了联动轨迹合理性的评价方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种自动化锻造的操作机与压机联动轨迹规划方法，其方法的步骤为：

步骤1：设计与计算平砧拔长工艺方案的步骤；

步骤2：规划执行工艺方案的操作机与压机联动轨迹的步骤；

步骤3：评价联动轨迹合理性的步骤。

其中步骤1包括如下子步骤：

(1)建立用户输入坯料尺寸，工艺参数，道次数，各道次的拔长方向，道次前的坯料翻转角度与锻件形状计算公式的交互窗口的步骤；

(2)根据用户输入信息，计算拔长过程中各道次变形前、后的锻件尺寸，即长、宽与高，各道次的压下次数与各次压下变形后锻件伸长量的一半的步骤；

(3)将步骤(2)计算的变形工艺信息保存在一个数据文件中的步骤。

步骤1中的子步骤(1)的坯料尺寸为坯料的初始长、宽与高度尺寸；工艺参数为每个道次的第一次压下变形的绝对送进量，中间压下变形的绝对送进量，每个道次的压下率或压下量，形状计算公式既包括文献发表宽展公式和通过有限元模拟-实验验证的形状计算公式：e_mean＝(b₁-b₀)/b₀，式中的e_mean平均伸长率，b₀、b₁分别为变形前、后变形区长度，e_mean的计算公式为：

e_mean＝(2.06722-2.1303Z+0.55097L+0.2555ZL)Y²+(0.44528+0.04179Z+0.12156L-0.02321ZL)Y式中的Z，L与Y分别为砧宽比，料宽比与压下率。

其子步骤(2)包括如下步骤：

a.通过输入窗口，输入坯料尺寸，宽展计算公式的步骤；

b.判断是否是拔长第1道次的方案设计，若是第1道次，通过输入窗口，输入第1道次的第1次压下变形的绝对送进量，中间压下变形的绝对送进量，压下率，拔长方向；若非第1道次，则通过输入窗口，输入该道次前的坯料翻转角度，第1次压下变形的绝对送进量，中间压下变形的绝对送进量，压下率，拔长方向；

c.根据输入的信息，计算道次的压下次数，各次压下变形后锻件伸长量的一半的步骤，锻件该道次锻压结束后的平均宽度，高度与长度尺寸的步骤；

d.判断是否完成方案设计，若完成，则进行下一步，若未完成，则继续返回步骤b的步骤；

e.输出计算结果的步骤。

步骤1中的子步骤(2)的步骤c中道次的压下次数m的计算采用如下公式：

K＝(a₀-b_f)/b_m+1，m为大于K的最小整数，其中a₀为每道次拔长前坯料的长度，b_f为第一次压下变形的绝对送进量，b_m为中间压下变形的绝对送进量。

步骤1中的子步骤(3)保存的变形工艺信息具体为各道次变形前后锻件的长度、宽度与高度尺寸，各道次的拔长方向，各道次前的坯料翻转角度，各道次的压下次数，每次压下变形的绝对送进量，每次压下变形后锻件伸长量的一半。

步骤2包括如下子步骤：

(1)将步骤1保存的数据文件导入轨迹规划模块的步骤；

(2)建立用户输入压机技术参数，操作机技术参数，操作机与压机初始位置的窗口的步骤；

(3)建立用户输入每个道次的操作机与压机运行方式的窗口的步骤；

(4)建立用户输入每次压下的操作机与压机技术参数的窗口的步骤；

(5)建立用户输入每道次的夹钳平衡位置与上砧联动点与联锁点位置的窗口的步骤；

(6)建立用户输入道次间坯料翻转时操作机夹钳提升高度，上砧提升高度的窗口的步骤；

(7)基于输入用户输入数据计算操作机与压机联动轨迹的步骤；

(8)将计算结果输出的步骤。

步骤2中的子步骤(2)压机的技术参数包括压机的控制系统，空程下降速度，工作速度与回程速度；操作机的技术参数包括操作机大车行走的最大速度、最大加速度与减速度，夹钳提升或下降的最大速度、加速度与减速度，夹钳旋转的最大速度、加速度与减速度；操作机与压机的初始位置是操作机与压机联动轨迹的初始位置，它是指由手动操作转为自动操作时操作机大车水平位置，夹钳中心线或锻件中心线铅直位置相对压机下砧的中点的坐标位置和夹钳旋转的初始角度相对第一道次变形时夹钳角度位置的角度。

步骤2中的子步骤(3)所述的操作机与压机运行方式包括单动运行与双动运行。

步骤2中的子步骤(4)所述的每次压下操作机与压机技术参数不能超过用户选择的操作机与压机的技术参数极限值。

步骤2中的子步骤(5)所述的每道次的夹钳平衡位置要大于锻件最大高度的一半，上砧联动点与联锁点位置要等于夹钳平衡位置的2倍。

步骤2中的子步骤(6)所述的道次间坯料翻转时操作机夹钳提升高度与上砧提升高度要能保证坯料在翻转过程中不会碰到上、下砧。

步骤2中的子步骤(7)根据输入参数计算操作机与压机联动轨迹又包括如下步骤：

a.通过输入窗口，输入操作机与压机技术参数，操作机与压机的初始位置的步骤；

b.通过输入窗口，输入计算道次的运行方式，道次选用的操作机与压机的技术参数的步骤；

c.通过输入窗口，输入一次压下的压机技术参数，计算一次压下的操作机与压机联动轨迹的步骤；

d.判断是否完成一个道次的所有压下次的计算，若未完成，返回c步骤，若完成，进入下一步的步骤；

e.判断是否完成所有道次，若完成，则结束，输入计算结果，若未完成，进入下一步的步骤。

f.判断道次间是否翻转，若需翻转坯料90°，通过输入窗口，输入翻转时上砧回程高度、夹钳回程高度，计算翻转过程的操作机与压机联动轨迹；若无需翻转坯料，则计算两个道次间操作机与压机的联动轨迹；返回b步骤继续计算的步骤。

步骤2中的子步骤(7)根据输入参数计算操作机与压机联动轨迹时，根据压机与操作机运行方式与压机的控制系统的不同计算方法的选择不同，有4种不同情况：传统阀控系统与单动运行，传统阀控系统与双动运行，改进型正弦泵控系统与单动运行，改进型正弦泵控系统与双动运行。

步骤2中的子步骤(7)根据输入信息计算操作机与压机联动轨迹时，操作机送进坯料的大车行走位移与每次压下变形的绝对送进量的关系与操作机的送料方向有关，当操作机向前送料时，操作机行走位移等于该次压下变形的绝对送进量，当操作机后退送进坯料时，操作机行走位移等于该次压下变形的绝对送进量与上次压下变形后锻件伸长量的一半相加。

步骤3包括如下子步骤：

(1)将步骤1保存的数据文件导入轨迹规划模块的步骤；

(2)建立锻件变形区轴向中心线上特征点的各轴向应变、相对位移与工艺参数映射关系数据库的步骤；

(3)计算锻件各道次变形后轴向中心线上特征点的各轴向应变与等效应变的步骤；

(4)输出计算结果的步骤。

步骤3中的子步骤(2)工艺参数为砧宽比、料宽比与压下率与摩擦系数，特征点表示初始时变形变形区轴向中心线上均布若干个位置点，其一般要求大于或等于81个，轴向应变分别为轴向中心上特征点的压下方向与宽展方向的应变，相对位移表示特征点变形后距变形中点的位移与变形区初始长度的比值。砧宽比范围为0.3～1.0，料宽比范围为0.5～2.0，压下率范围为0～30％，摩擦系数的范围为0.3～0.7。

步骤3中的子步骤(3)包括如下步骤：

a.判断是否为第1道次的计算，若是第1道次，则根据工艺信息与数据库，插值计算第1道次各次压下变形区内所有特征点的宽展方向与压下方向的应变、变形后所有特征点的相对位置，最后通过插值得到锻件变形后轴向中心线上若干个均布位置的等效应变，宽展方向与压下方向的应变，所选均布位置个数不能太少，一般需要大于1000个，否则会导致等效应变的计算结果失真；若非第1道次，则首先判断道次前坯料是否翻转90度，若翻转90度，宽展方向与压下方向的初始应变调换，若不翻转，则特征点的宽展方向与压下方向的初始应变不变，然后插值计算锻件变形区轴向中心线上特征点道次前的宽展方向与压下方向的初始应变，再通过数据库插值计算变形区内特征点变形后的宽展方向与压下方向的应变增量，应变增量与应变初始值相加得到道次变形后的总应变，继续插值得到特征点变形后的新位置，最后通过计算锻件道次变形后轴向中心线上若干个均布位置的等效应变，宽展方向与压下方向的应变的步骤；

b.判断是否完成所有道次的计算，若完成，则进行下一步，若未完成，则继续返回步骤a的步骤；

c.输出计算结果的步骤。

步骤3中的子步骤(3)计算特征点的宽展方向与压下方向的应变时，各轴向应变在某道次的值等于本道次增加值与初始值之和，伸长方向的应变利用体积应变为零的原理计算得到，等效应变的计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{\sqrt{2}}{3}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_y)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_y-{\mathrm{\ϵ}}_z)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_z-{\mathrm{\ϵ}}_x)}^2}$

式中

为等效应变，ε_x、ε_y与ε_z分别为x向、y向与z向的应变，其中x向、y向与z向分别为锻件的宽展方向，伸长方向与压下方向。

本发明的有益效果是：

1.提供了锻造工艺方案设计与平砧拔长矩形截面锻件过程中操作机与压机联动轨迹规划方法。

2.通过计算多道次锻压变形后锻件轴向中心线的等效应变值，给出了评价联动轨迹合理性的方法。

附图说明

图1为本发明方法实例步骤2的规划步骤

图2为操作机与压机初始位置示意图

图中，1、2、3与4分别表示操作机夹钳、锻件、上砧与下砧。

图3为压机为传统阀控系统，操作机与压机单动时一个周期的轨迹

图中，a、b、c、d、e、f、g、h与k分别为联动点、回程最高点、联锁点、锻压变形开始点、减速点、停止点、保压结束点、卸压结束点与回程开始点；T1、T2、T3、T4与T5分别代表操作时间、阀门时间1、保压时间、阀门时间2与泄压时间；T代表一次压下的周期；Y表示压下量；横坐标表示时间，单位为s，纵坐标表示压机行程，单位为mm。

图4为压机为传统阀控与双动，操作机与压机单动时一个周期的轨迹

图中，T、T1、T2、T3、T4、T5与T6分别代表一个周期、锻件变形时间、锻件复位时间、阀门时间1，保压时间、阀门时间2与泄压时间；Y表示压下量；横坐标表示时间，单位为s，纵坐标表示压机行程，单位为mm。

图5为压机是改进型正弦泵控系统，操作机与压机单动时一个周期的轨迹

图中，a、b与c分别为联动点、回程最高点与联锁点；T与T1分别代表一个周期与操作时间；Y表示压下量；横坐标表示时间，单位为s，纵坐标表示压机行程，单位为mm。

图6为压机是改进型正弦泵控系统，操作机与压机的双动时一个周期的轨迹

图中，T与Tx分别代表循环周期与操作时间；Y表示压下量；A表示幅值；横坐标表示时间，单位为s，纵坐标表示压机行程，单位为mm。

图7为道次间坯料翻转时的压机上砧回程与夹钳提升高度的示意图

图中，1、2、3与4分别表示操作机夹钳、锻件、上砧与下砧；Hf_min与H_die_min分别表示锻件翻转时夹钳与上砧的最低位置高度。

图8为操作机与压机的联动轨迹

图中，曲线1、2、3与4分别表示压机上砧位置、夹钳旋转角度、夹钳提升位置与操作机大车行走位置随时间变化的曲线。

图9为锻件经历10道次锻压变形后轴向中心线上的等效应变

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种平砧拔长矩形截面锻件的操作机与压机联动轨迹规划方法实施例，其方法包括三个大步骤：

步骤1：设计与计算平砧拔长工艺方案的步骤；

步骤2：规划执行工艺方案的操作机与压机联动轨迹的步骤；

步骤3：评价联动轨迹的合理性的步骤。

步骤1设计与计算平砧拔长工艺方案的步骤包括如下子步骤：

(1)建立用户输入坯料尺寸，工艺参数，道次数，各道次的拔长方向，道次前坯料的翻转角度与锻件形状计算公式的窗口的步骤；

坯料尺寸为坯料的初始长、宽与高度尺寸；工艺参数为每个道次的第一次压下变形时的绝对送进量，中间压下时的绝对送进量，每个道次的压下率或压下量，形状计算公式包括文献发表的宽展公式，如Tomlisong and Stringer宽展公式、Tarnowski宽展公式、Shutt宽展公式、Hill宽展公式、Baraya and Johnson宽展公式，也包括通过有限元模拟-实验验证的形状计算公式：e_mean＝(b₁-b₀)/b₀，式中的e_mean平均伸长率，b₀、b₁分别为变形前、后变形区长度，e_mean的计算公式如下：

e_mean＝(2.06722-2.1303Z+0.55097L+0.2555ZL)Y²+(0.44528+0.04179Z+0.12156L-0.02321ZL)Y式中的Z，L，Y分别为砧宽比，料宽比与压下率。道次数为工艺需要的锻造道次数。通过这些输入窗口，用户可以输入工艺计算的所需参数。

(2)根据用户输入信息，计算拔长过程中各道次变形前、后的锻件尺寸，即长、宽与高，各道次的压下次数与各次压下变形后锻件伸长量的一半的步骤；

步骤(2)包括如下步骤：

a.通过输入窗口，输入坯料尺寸，宽展计算公式的步骤；

b.判断是否是拔长第1道次的方案设计，若是第1道次，通过输入窗口，输入第1道次的第1次压下变形的绝对送进量，中间压下变形的绝对送进量，压下率，拔长方向；若非第1道次，则通过输入窗口，输入该道次前的坯料翻转角度，第1次压下变形的绝对送进量，中间压下变形的绝对送进量，压下率，拔长方向；

c.根据输入的信息，计算道次的压下次数，各次压下变形后锻件伸长量的一半的步骤，锻件该道次锻压结束后的平均宽度，高度与长度尺寸的步骤；

d.判断是否完成方案设计，若完成，则进行下一步，若未完成，则继续返回步骤b的步骤；

e.输出计算结果的步骤。

(3)将步骤(2)计算的变形工艺信息保存在一个数据文件中的步骤。

为了更好理解本发明，下面结合具体的锻造工艺对本发明步骤1进行详细说明。

具体锻造工艺实例：300MW发电机转子锻件平砧拔长过程的操作机与压机联动轨迹规划。

300MW发电机转子锻件平砧拔长过程主要是将1800mm×2800mm×2800mm的方坯拔长为8350mm×1300mm×1300mm的矩形截面锻件。采用宽为1500mm的上、下平砧进行宽砧强压，初始锻造温度为1200℃，压下速度约为30mm/s。

设计平砧拔长工艺方案。表1所示的道次前翻转角度、拔长方向(1代表从钳口端开始拔长，2与1方向相反)、每个道次的第一次压下送进量，名义送进量即中间压下时的绝对送进量、名义压下量均由用户通过输入窗口输入，其中每个道次的压下次数、每个道次压下后的锻件长、宽、高尺寸均由计算得到，计算采用的宽展公式为Tomlisong and Stringer公式；表2所示每次压下变形后锻件伸长量的一半也是由计算得到。然后保存工艺文献信息，包括：每个道次前翻转角度、每次道次拔长方向、压下次数、每个道次的送进量，每次压下变形后锻件伸长量的一半，每个道次的压下量，每道次变形前、后的锻件长、宽与高尺寸。这些信息构成了计算操作机与压机联动轨迹及锻件轴向中心线上等效应变的工艺信息。

表1每次错1/2砧宽的拔长工艺方案

表2每次压下变形后锻件伸长量的一半/mm

步骤2规划操作机与压机的联动轨迹的步骤。包括如下步骤：

(1)将步骤1保存的数据文件导入轨迹规划模块的步骤；

将步骤1保存的工艺信息文件导入。

(2)建立用户输入压机技术参数，操作机技术参数，操作机与压机的初始位置的窗口的步骤；

压机技术参数为包括压机的控制系统，控制系统有两种：传统阀控系统或者改进型正弦泵控系统，空程下降速度，工作速度与回程速度；操作机的技术参数为操作机大车的行走最大速度、最大加速度与减速度，夹钳提升或者下降的最大速度、加速度与减速度，夹钳旋转的最大速度，加速度与减速度；操作机与压机的初始位置是以压机下砧的中点为坐标原点，包括大车的初始水平位置(锻件与钳把边线所在的横坐标)，夹钳中心线或者锻件中心线的纵坐标，夹钳旋转的初始位置可以将第一次拔长的角度位置设置为0°。

(3)建立用户输入每个道次的操作机与压机运行方式的窗口的步骤；

操作机与压机运行方式包括单动运行与双动运行。单动运行时，操作机大车只在联动点与联锁点之间送进坯料，在坯料变形时，操作机大车停止运动；双动时，操作机大车在整个锻造过程中一直送进坯料，锻件变形过程中，坯料的伸长位移与大车的送进位移与缓冲缸与夹钳的相对位移方向相反，保证夹钳在锻造过程中水平方向相对于操作机上、下砧不动。用户选择双动或单动对联动轨迹计算的影响较大。双动模式在快锻时应用较多。

(4)建立用户输入每次压下的操作机与压机技术参数的窗口的步骤；

用户通过这个窗口可以根据需要输入每次压下的操作机与压机的技术参数，但是用户输入的每次压下的操作机与压机的技术参数不能超过压机与操作机的极限参数。

(5)建立用户输入每道次的夹钳平衡位置与上砧联动点与联锁点位置的窗口的步骤；

用户通过该输入窗口，可以输入每个道次的夹钳平衡位置与上砧在联动点与联锁点位置，每道次的夹钳平衡位置要大于锻件最大高度的一半，上砧联动点与联锁点位置要等于夹钳平衡位置的2倍。

(6)建立用户输入道次间坯料翻转时操作机夹钳提升高度，上砧提升高度的窗口的步骤；

用户通过该输入窗口，可以输入道次间坯料翻转时操作机夹钳提升高度，上砧提升高度。道次间坯料翻转时操作机夹钳提升高度与上砧提升高度要能保证坯料在翻转过程中不会碰到上、下砧。这要求夹钳翻转时的高度要大于锻件对角线的最大长度的一半，上砧的回程高度要大于夹钳翻转时高度的2倍。

(7)基于输入用户输入数据计算操作机与压机联动轨迹的步骤；基于输入用户输入数据计算操作机与压机联动轨迹的计算步骤如图1所示。

下面结合具体锻造工艺实例：300MW发电机转子锻件平砧拔长过程的操作机与压机联动轨迹规划对步骤2子步骤(7)进行更详细的说明。

a.通过输入窗口，输入操作机与压机技术参数，操作机与压机的初始位置的步骤；

将步骤1计算的结果导入步骤2，通过输入窗口输入操作机的技术参数，如表3所示，压机的技术参数如表4所示，本次选用的压机的控制系统为传统阀控。输入操作机与压机的初始位置，其示意图如图2所示，大车的初始位置X0为-2550，夹钳的铅直位置Y0为1600，上砧铅直位置YZ0为3200，夹钳旋转的初始角度为0°。

表3操作机技术参数

表4压机技术参数

b.通过输入窗口，输入计算道次的运行方式，道次选用的操作机与压机的技术参数的步骤；

输入第n个道次的运行方式，假设具体工艺实例的操作机与压机的运行方式为单动，第n道次的操作机与压机的技术参数为极限的技术参数，即与表3与表4所列的技术参数相同。

c.通过输入窗口，输入计算压下次的压机技术参数，计算一次压下的操作机与压机联动轨迹的步骤；

如果前面选用的压机为传统阀控系统，操作机与压机的运行方式为单动，则需要输入的参数如图3所示有：压机空程下降平均速度，工作平均速度，回程平均速度，阀门动作时间，保压时间，泄压时间，操作机时间根据送进量和操作机技术参数计算得到，这样就可以计算出本次压下的回程最高点，如果回程最高的高于压机容许回程最高点，则可以在回程时停息一段时间，具体时间可以由用户输入。本次可以输入空程下降速度，工作速度与回程速度与本道次选择的技术参数相同，阀门时间与泄压时间均为0.1秒，保压时间为0秒，这样就可以计算出一个压下次所需的时间。

如果为用户选择压机为传统阀控系统，操作机与压机的运行方式为双动，则需要用户输入的参数为压机空程下降平均速度，工作平均速度，回程平均速度，阀门动作时间，保压时间，泄压时间，如图4所示。根据工艺与用户输入的参数即可以计算出变形所需时间，根据操作机的技术参数与送进位移，既可以计算出一个周期的时间。若变形时间大于操作机送进坯料最短时间，可以降低操作机的送进坯料的速度。上砧的回程高度可以由用户根据实际情况进行选择。设计双动时的轨迹的原则是操作机的运动要服从压机上砧运动的需要。

如果用户选择的压机是改进型正弦泵控系统，操作机与压机的运行模式为单动，则需要用户确定的压机技术参数有压机的一个压下运动的周期，幅值，且输入的幅值与周期要能确保回程最大速度、工作时的最大速度不超过压机的技术参数，幅值要能保证大于工艺的压下量。同时要确保联动点到联锁定的时间要大于操作机送进坯料的最短时间，如图5所示。

如果用户选择的压机是改进型正弦泵控系统，操作机与压机的运行模式为双动，则需要用户确定的压机技术参数有压机的一个压下运动的周期，幅值，且输入的幅值与周期要能确保回程最大速度、工作时的最大速度不超过压机的技术参数，幅值要能保证大于工艺的压下量。要确保压机的运动周期大于等于操作机送进坯料的所需最短时间，操作机送进坯料的时间可以通过设置操作机的运动参数使其与压机的周期相等。如图6所示。

d.判断是否完成一个道次的所有压下次的计算，若未完成，返回c步骤，若完成，进入下一步的步骤；

e.判断是否完成所有道次，若完成，则结束，输入计算结果，若未完成，进入下一步的步骤；

f.判断道次间是否翻转，若需翻转坯料90°，通过输入窗口，输入翻转时上砧回程高度，夹钳回程高度，计算翻转过程的操作机与压机联动轨迹；若不翻转坯料，则计算两个道次间操作机与压机的联动轨迹；返回b步骤继续计算的步骤。

道次间坯料翻转90°时，首先压机上砧回程，夹钳提升，如图7所示。压机上砧的回程高度与夹钳提升的高度均可以由用户输入，但是要确保坯料翻转时不会碰到上下砧，所以输入的夹钳提升高度要大于坯料翻转时对角线的最大高度一半，上砧的回程高度要大于夹钳翻转时高度的2倍。如例子中的第2道次前坯料翻转时，夹钳翻转时高度输入2055，上砧的回程高度为4110即可保证坯料翻转时不会碰到上、下砧。

(8)将计算结果输出的步骤。

通过上述的计算，可以得到300MW发电机转子锻件平砧拔长过程的操作机与压机联动轨迹如图8所示。

步骤3：评价联动轨迹合理性的步骤。包括如下步骤：

(1)将步骤1保存的数据文件导入轨迹规划模块的步骤；

(2)建立锻件变形区轴向中心线上特征点的各轴向应变与相对位移与工艺参数映射关系数据库的步骤；

工艺参数为砧宽比、料宽比与压下率与摩擦系数，特征点表示初始时变形区轴向中心线上均布的81个位置点，轴向应变分别为轴向中心上特征点的压下方向与宽展方向的应变，相对位移表示特征点变形后距变形中点的位移与变形区初始长度的比值。数据库的砧宽比范围为0.3～1.0，料宽比范围为0.5～2.0，压下率的范围为0～30％，摩擦系数为0.3～0.7。

(3)计算锻件轴向中心线上特征点的各轴向应变与等效应变的步骤；

计算特征点的宽展方向与压下方向的应变时，各轴向应变在某道次的值等于本道次增加值与初始值之和，伸长方向的应变利用体积应变为零的原理计算得到，等效应变的计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{\sqrt{2}}{3}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_y)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_y-{\mathrm{\ϵ}}_z)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_z-{\mathrm{\ϵ}}_x)}^2}$

式中ε_x、ε_y与ε_z分别锻件x向即横向、y向即轴向与z向即压下方向的应变。

本发明实例的锻件轴向中心上等效应变计算的步骤如下：

a.判断是否为第1道次的计算，若是第1道次，则根据工艺信息与数据库，插值计算第1道次各次压下变形区内所有特征点的宽展方向与压下方向的应变、变形后所有特征点的相对位置，最后通过插值得到锻件变形后轴向中心线上1000个均布位置的等效应变，宽展方向与压下方向的应变；若非第1道次，则首先判断道次前坯料是否翻转90度，若翻转90度，宽展方向与压下方向的初始应变调换，若不翻转，则特征点的宽展方向与压下方向的初始应变不变，然后插值计算锻件变形区轴向中心线上特征点道次前的宽展方向与压下方向的初始应变，再通过数据库插值计算变形区内特征点变形后的宽展方向与压下方向的应变增量，应变增量与应变初始值相加得到道次变形后的总应变，继续插值得到特征点变形后的新位置，最后通过计算锻件道次变形后轴向中心线上1000个均布位置的等效应变，宽展方向与压下方向的应变的步骤；

b.判断是否完成所有道次的计算，若完成，则进行下一步，若未完成，则继续返回步骤a的步骤；

c.输出计算结果的步骤。

(4)输出计算结果的步骤。

图9所示为300MW发电机转子锻件平砧拔长过程的操作机与压机联动轨迹执行后，锻件轴向中心线上的等效应变的计算结果。

Claims (4)

1.一种自动化锻造的操作机与压机联动轨迹规划方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：设计与计算平砧拔长工艺方案的步骤；

步骤2：规划执行工艺方案的操作机与压机联动轨迹的步骤；

步骤3：评价联动轨迹合理性的步骤；

步骤1包括如下子步骤：

(1)建立用户输入坯料尺寸，工艺参数，道次数，各道次的拔长方向，各道次前的坯料翻转角度与锻件形状计算公式的窗口的步骤；所述的坯料尺寸为坯料的初始长、宽与高尺寸，工艺参数为每道次的第一次压下变形的绝对送进量、中间压下变形的绝对送进量与每道次的压下率或压下量；

(2)根据用户输入信息，计算拔长过程中各道次变形前、后的锻件尺寸，即长、宽与高，各道次的压下次数与各次压下变形后锻件伸长量的一半的步骤；

(3)将步骤1的子步骤(2)计算的变形工艺信息保存的步骤；

步骤1的子步骤(2)包括如下子步骤：

a.通过输入窗口，输入坯料尺寸，宽展计算公式的步骤；

b.判断是否是拔长第1道次的方案设计，若是第1道次，通过输入窗口，输入第1道次的第1次压下变形的绝对送进量，中间压下变形的绝对送进量，压下率，拔长方向；若非第1道次，则通过输入窗口，输入该道次前的坯料翻转角度，第1次压下变形的绝对送进量，中间压下变形的绝对送进量，压下率，拔长方向的步骤；

c.根据输入的信息，计算道次的压下次数，各次压下变形后锻件伸长量的一半，锻件该道次锻压结束后的平均宽度，高度与长度尺寸的步骤；

d.判断是否完成方案设计，若完成，则进行下一步，若未完成，则继续返回步骤1的子步骤(2)的子步骤b的步骤；

e.输出计算结果的步骤；

步骤1中的子步骤(2)的步骤c中道次的压下次数m的计算采用如下公式：

K＝(a₀-b_f)/b_m+1，m为大于K的最小整数，其中a₀为每道次拔长前坯料的长度，b_f为第一次压下变形的绝对送进量，b_m为中间压下变形的绝对送进量；

步骤1的子步骤(3)所述的变形工艺信息具体为各道次变形前、后锻件的长度、宽度与高度尺寸，各道次的拔长方向，各道次前坯料的翻转角度，各道次的压下次数，每次压下变形的绝对送进量及每次压下变形后锻件伸长量的一半；

步骤2包含如下子步骤：

(1)将步骤1保存的数据文件导入的步骤；

(2)建立用户输入压机技术参数，操作机技术参数，操作机与压机的初始位置的窗口的步骤；

(3)建立用户输入每个道次的操作机与压机运行方式的窗口的步骤；

(4)建立用户输入每次压下的操作机与压机技术参数的窗口的步骤；

(5)建立用户输入每个道次的夹钳平衡位置与上砧联动点与联锁点位置的窗口的步骤；

(6)建立用户输入道次间坯料翻转时操作机夹钳提升高度，上砧提升高度的窗口的步骤；

(7)基于输入用户输入数据计算操作机与压机联动轨迹的步骤；

(8)将计算结果输出的步骤；

步骤2的子步骤(3)所述的操作机与压机运行方式包括单动运行与双动运行；

步骤2的子步骤(4)所述的每次压下操作机与压机技术参数不能超过用户选择的操作机与压机的技术参数极限值；

步骤2的子步骤(5)所述的每道次的夹钳平衡位置要大于锻件最大高度的一半，上砧联动点与联锁点位置要等于夹钳平衡位置的2倍；

步骤2的子步骤(6)所述的道次间坯料翻转时操作机夹钳提升高度与上砧提升高度要能保证坯料在翻转过程中不会碰到上、下砧；

步骤2的子步骤(7)包括如下子步骤：

a.通过输入窗口，输入操作机与压机技术参数，操作机与压机的初始位置的步骤；

b.通过输入窗口，输入道次的运行方式，道次选用的操作机与压机的技术参数的步骤；

c.通过输入窗口，输入一次压下的压机技术参数，计算一次压下的操作机与压机联动轨迹的步骤；

d.判断是否完成一个道次的所有压下次的计算，若未完成，返回步骤2的子步骤(7)的子步骤c的步骤，若完成，进入下一步的步骤；

e.判断是否完成所有道次，若已经完成，则结束，输入计算结果，若未完成，进入下一步的步骤；

f.判断道次间是否翻转，若需翻转坯料90°，通过输入窗口，输入翻转时上砧回程高度，夹钳回程高度，计算翻转过程的操作机与压机联动轨迹；若不翻转坯料，则计算两个道次间操作机与压机的联动轨迹；返回步骤2的子步骤(7)的子步骤b继续计算的步骤；

步骤2的子步骤(2)与步骤2的子步骤(7)的子步骤a所述的压机的技术参数包括压机的控制系统，空程下降速度，工作速度与回程速度；所述的操作机的技术参数包括操作机大车行走的最大速度、最大加速度与减速度，夹钳提升或者下降的最大速度、加速度与减速度，夹钳旋转的最大速度、加速度与减速度；

步骤3包含如下子步骤：

(1)将步骤1保存的数据文件导入轨迹规划模块的步骤；

(2)建立锻件变形区轴向中心线上特征点的各轴向应变、相对位移与工艺参数映射关系数据库的步骤；所述的特征点表示初始时变形区轴向中心线上均布的若干个位置点，所述的轴向应变分别为轴向中心上特征点的压下方向与宽展方向的应变；所述的相对位移表示特征点变形后距变形区中点的位移与变形区初始长度的比值；所述的工艺参数包括砧宽比、料宽比与压下率与摩擦系数；

(3)计算锻件各道次变形后轴向中心线上特征点的各轴向应变与等效应变的步骤；

(4)输出计算结果的步骤；

步骤3的子步骤(3)包含如下步骤：

a.判断是否为第1道次的计算，若是第1道次，则根据工艺信息与数据库，插值计算第1道次各次压下变形区内所有特征点的宽展方向与压下方向的应变、变形后所有特征点的相对位置，最后通过插值得到锻件变形后轴向中心线上至少1000个均布位置的等效应变，宽展方向与压下方向的应变；若非第1道次，则首先判断道次前坯料是否翻转90度，若翻转90度，宽展方向与压下方向的初始应变调换，若不翻转，则特征点的宽展方向与压下方向的初始应变不变，然后插值计算锻件变形区轴向中心线上特征点道次前的宽展方向与压下方向的初始应变，再通过数据库插值计算变形区内特征点变形后的宽展方向与压下方向的应变增量，应变增量与应变初始值相加得到道次变形后的总应变，继续插值得到特征点变形后的新位置，最后通过计算锻件道次变形后轴向中心线上1000个均布位置的等效应变，宽展方向与压下方向的应变的步骤；

b.判断是否完成所有道次的计算，若完成，则进行下一步，若未完成，则继续返回步骤3的子步骤(3)的子步骤a的步骤；

c.输出计算结果的步骤。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：其步骤1所述的子步骤(1)所述的形状计算公式包括文献发表的宽展公式和通过有限元模拟-实验验证的公式：e_mean＝(b₁-b₀)/b₀，式中的e_mean平均伸长率，b₀、b₁分别为变形前、后变形区长度，e_mean的计算公式为：e_mean＝(2.06722-2.1303Z+0.55097L+0.2555ZL)Y²+(0.44528+0.04179Z+0.12156L-0.02321ZL)Y，式中的Z，L与Y分别为砧宽比，料宽比与压下率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：其子步骤2所述的子步骤(7)所述的根据输入参数计算操作机与压机联动轨迹时，根据压机与操作机运行方式与压机的控制系统的不同计算方法的选择不同，有4种不同情况：传统阀控系统与单动运行，传统阀控系统与双动运行，改进型正弦泵控系统与单动运行，改进型正弦泵控系统与双动运行；操作机送进坯料的大车行走位移与绝对送进量的关系与操作机的送料方向有关，当操作机向前送料时，操作机行走位移等于该次压下变形的绝对送进量，当操作机后退送进坯料时，操作机行走位移等于该次压下变形的绝对送进量与上次压下变形后锻件伸长量的一半相加。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：其步骤3所述的子步骤(2)所述的砧宽比的范围为0.3～1.0，料宽比的范围为0.5～2.0，压下率的范围为0～30％，摩擦系数的范围为0.3～0.7；特征点的个数大于或等于81个。

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