CN108251611B - 一种可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置及其加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置，包括：上模座，其下端面设置滑动导轨；下模座，其上端面设置底座，在底座上部设置冷却块；加热板料；多个移动电极，其通过气压装置可移动安装在滑动导轨上，移动电极能够在滑动导轨上水平移动；多个上固定电极，其固定在导轨两侧；多个下固定电极，其固定在底座两侧；冷却水道，其设置在冷却块内部；导热板，其设置在冷却块上部；其中，通过对移动电极和上固定电极通电后传递的能量对加热板料的不同区域进行不同温度的加热；通过在冷却水道内通入冷却水能够对加热板料进行降温。本发明公开了一种可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置的加热方法。

Description

一种可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置及其加热 方法

技术领域

本发明涉及高强度钢加热领域，具体涉及一种可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置及其加热方法。

背景技术

汽车工业是我国国民经济的支柱，安全、低碳、环保，是当今世界汽车产业发展关注的重要话题，轻量化已经提升为众多汽车企业的目标之一，而如何在实现轻量化的同时保证汽车的安全性，是一个重难点。研究表明钢的强度达到780MPa级别，则可与同质量高价位的铝镁合金等具有相同特性，此时钢在经济上有着明显的优势。因此，开发780MPa以上级别、各项性能优异的高强度钢板将成为实现轻量化这一目标的重要途径。现有的高强钢热成形技术已经可以获得很高强度的制件,但塑性较低,这就导致了高强钢的伸长率较低、塑性较差的缺点，而车身部件的性能要求之一就是要有足够的吸能能力，以保证在发生碰撞时最大限度保障乘员舱内人员安全。所以合理的结构强度分布才能够改善零件的变形趋势和吸能特性，满足车身部件的性能要求。综上所述，研发具有梯度结构性能的制件尤为重要，如：设计车身B柱加强板应使上半部材料强度高、塑性低，在受到侧面碰撞时变形应较小，保护成员重要部位安全不受冲击；下半部材料强度低、塑性高，在受到碰撞时先发生变形，将碰撞力快速传递到相连的门槛梁，进而大量吸收碰撞能量。

为了制造出具备这样性能的部件，传统的方法有拼焊板技术，将不同结构性能的钢板焊接在一起，但这种技术的成形性受到焊缝的限制，尤其不同厚度的钢板焊接时，难度极大，也很大程度的限制了制件的复杂性，而且为了焊接需要去掉钢材表面的涂层，使得钢材加热时会发生易氧化的问题；还有一种轧制板技术，在钢材轧制过程中通过控制轧辊尺寸达到控制板件厚度的目的，但是模具设计难度极大，且由于排样约束，利用率较低；另外一种是后处理回火工艺，即是将已经马氏体化的制件进行局部后处理回火，但这样无疑增加了工时，且操作难度的相应增加。新兴的方法有局部冷却法，即在制件奥氏体化时进行不同冷速的冷却，得到不同相组成的零件，如图1所示，在冷却过程中需要精确控制不同部位要求的冷却速率，同时在塑性要求较高的部位冷速较低，使得生产周期过长，这与现代工业强调的高效原则不相符合。

如图2所示，表示高强钢加热时奥氏体化的过程,如果控制制件不同部位分别以不同的加热条件加热到不同温度，要求质软塑性高的部位加热到铁素体和珠光体混合的温度,要求强度高塑性低的部位加热到奥氏体的温度，然后再同时进行冷却，则可在不同的部位获得不同的机械性能。因此，实现上述内容需要设计一套可以精确控制加热温度的高强钢梯度加热装置。

发明内容

本发明设计开发了一种可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置，本发明的发明目的是使加热板料区域可任意比例调节，能够通过通电加热和冷却水冷却对加热板料进行加热成形。

本发明设计开发了一种可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置的加热方法，本发明的发明目的之一是能够对加热板料的任意区域进行加热成形。

本发明的发明目的之二是通过BP神经网络对加热板料的任意区域的加热电压和冷却水流速进行调节，使加热板料更好的加热成形。

本发明提供的技术方案为：

一种可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置，包括：

上模座，其下端面设置滑动导轨；

下模座，其上端面设置底座，在所述底座上部设置冷却块；

加热板料；

多个移动电极，其通过气压装置可移动安装在所述滑动导轨上，所述移动电极能够在所述滑动导轨上水平移动；

多个上固定电极，其固定在所述导轨两侧；

多个下固定电极，其固定在所述底座两侧；

冷却水道，其设置在所述冷却块内部；

导热板，其设置在所述冷却块上部；

其中，通过对所述移动电极和所述上固定电极通电后传递的能量对所述加热板料的不同区域进行不同温度的加热；通过在所述冷却水道内通入冷却水能够对所述加热板料进行降温。

优选的是，还包括：导套，其设置在所述上模座下部；以及

导柱，其设置在所述下模座上部，与所述导套同轴设置；

其中，所述导柱在所述导套内能够相对于所述导套上下移动。

优选的是，所述移动电极设置为2个，包括：第一移动电极和第二移动电极；以及

所述上固定电极设置为2个，包括：第一上固定电极和第二上固定电极。

优选的是，所述加热板料的加热区域分为第一区域、第二区域和第三区域；

其中，通过对所述第一上固定电极和所述第一移动电极通电能够对所述第一区域加热；

通过对所述第一移动电极和所述第二移动电极通电能够对所述第二区域加热；和/或

通过对所述第二移动电极和所述第二上固定电极通电能够对所述第三区域加热。

优选的是，所述下固定电极设置为2个，包括：第一下固定电极和第二下固定电极；

其中，通过对所述第一下固定电极和所述第二下固定电极通电能够对所述加热板料的整个区域加热。

优选的是，还包括：多个测温热电偶，其固定安装在所述导热板上；以及

温度传感器，其设置在所述冷却水道的冷却水出水口处。

一种可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置的加热方法，使用所述的加热装置，其特征在于，包括如下步骤：

准备好加热板料后，将上模座向上以0.2m/s的速度移动到最大位置停止，将所述加热板料放置到底座的表面上，并利用定位销对加热板料进行定位；

控制上模座向下移动到移动电极和固定电极与导热板相接触，此时移动电极和固定电极也分别将加热板料压紧并使加热板料与导热板可靠接触；

通过控制系统给电阻加热模块的移动电极和固定电极分别通电，通过控制通电电压和冷却水的流速精准控制加热板料不同区域在同一时刻达到不同的加热温度；

控制系统控制上模座以0.2m/s的速度向上运动，使其移动到最大位置，将已经加热分块好的板料取出。

优选的是，所述第一移动电极和所述第一上固定电极连通，施加第一电压；所述第一移动电极和所述第二移动电极连通，施加第二电压；所述第二移动电极和所述第二上固定电极连通，施加第三电压；基于BP神经网络对所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和冷却水流速进行控制，包括如下步骤：

步骤一、按照采样周期，通过测温热电偶测量加热板料的第一区域温度T_a、第二区域温度T_b、第三区域温度T_c，通过温度传感器测量冷却水温度T_d；

步骤二、依次将所述步骤一中的参数进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄}，其中，x₁为第一区域温度系数，x₂为第二区域温度系数，x₃为第三区域温度系数，x₄为冷却水温度系数；

步骤三、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁,y₂,…,y_m}；m为中间层节点个数；

步骤四、得到输出层向量z＝{z₁,z₂,z₃,z₄}；其中，z₁为第一电压的调节系数，z₂为第二电压的调节系数，z₃为第三电压的调节系数，z₄为冷却水流速调节系数；

步骤五、控制第一电压、第二电压、第三电压、冷却水流速，使

U_a(i+1)＝z₁ ⁱU_amax，

U_b(i+1)＝z₂ ⁱU_bmax，

U_c(i+1)＝z₃ ⁱU_cmax，

Q_i+1＝z₄ ⁱQ_max，

其中，z₁ ⁱ、z₂ ⁱ、z₃ ⁱ、z₄ ⁱ分别为第i个采样周期输出层向量参数，U_amax、U_bmax、U_cmax、Q_max分别为设定的第一电压的最大电压值、第二电压的最大电压值、第三电压的最大电压值和冷却水的最大流速，U_a(i+1)、U_b(i+1)、U_c(i+1)、Q_i+1分别为第i+1个采样周期时的第一电压、第二电压、第三电压和冷却水流速。

优选的是，所述步骤二中，第一区域温度T_a、第二区域温度T_b、第三区域温度T_c、冷却水温度T_d进行规格公式为：

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别为测量参数T_a、T_b、T_c、T_d，j＝1,2,3,4；X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

优选的是，在所述步骤四中，

初始运行状态下，第一电压、第二电压、第三电压和冷却水流速满足经验值：

U_a0＝0.73U_amax，

U_b0＝0.78U_bmax，

U_c0＝0.75U_cmax，

Q₀＝0.83Q_max

其中，U_a0为第一电压初始调节电压，U_b0为第二电压初始调节电压，U_c0为第三电压初始调节电压，Q₀为冷却水初始调节流速；U_amax为设定的第一电压最大调节电压，U_bmax为设定的第二电压最大调节电压，U_cmax为设定的第三电压最大调节电压，Q_max为冷却水最大调节流速。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置实现了同一板件在不同机械性能各部位间的良好衔接；本发明使用电阻加热，通过调节电压即可使加热温度任意调节，使不同位置产生不同加热热量，高温区和低温区之间连接相的转换较为平滑，不会出现传统焊接技术中因焊缝或者板厚等原因引起的不连续问题；

2、本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置根据电路原理KCL方程，利用多个电极实现对电流的引流，装置简单，适用范围广；本发明打破传统电阻分块加热(如图3所示)只考虑单独电源分流的局限性，克服了中间部分不能加热且两端加热温度必须一致的弊端；根据KCL方程，在任一瞬时，流向某一结点的电流之和恒等于由该结点流出的电流之和；如图4所示，因为三段加热区域分别由三个独立的电路组成，由KCL方程可知各独立电路之间没有电流流通，所以三段加热区域互不影响，分别控制电压即可完成对各段加热温度的控制，装置简单易操作；

3、本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置可实现材料性能按任意比例分布，打破传统技术中制件性能单一的局限性，适用于多种工况；四个电极中，两端的固定电极固定不动，中间两个移动电极可以借助上模座下底面的梯形导轨任意滑动，使得每两个电极间的加热区域长度任意变化，进而通过调节电压来控制电流便可任意调节每段加热区域的加热温度；对比已有的高强度钢热成形技术，本装置实现了多种温度分布之间的灵活组合，可满足各种性能要求的制件，应用范围广泛。

4、本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置生产率和生产质量高，可实现大批量生产；本发明打破已有技术的限制，在钢材加热阶段进行处理，使不同性能要求的部位分别加热到不同温度，进而完成最终成形制件成分的不同化，操作简单，不需要额外的装置，相比传统的技术降低了人力财力上投入的成本，缩短了生产周期，提高了生产效率；本发明利用电阻加热方式设计了三个独立的加热电路，具备很高的加热效率，能够确保加热热量的精确利用，所以产品质量较高。本装置应用工序简单，可应用在很多方面，能够胜任大批量生产；

5、本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置温度控制精确，能耗较低；本发明使用电阻加热的加热方式，在导热板中安置有热电偶，可以实时监测板料的温度，底部安置有冷却水道，可以保证每一加热部分温度都精确可控，可实现任意比例的三种不同板料的相成分分布情况，而且相比传统的技术能耗也有所降低，避免了能源的浪费，更加低碳环保；

6、本发明所述的高强度热成形钢梯度加热装置体积小，占地面积小；本发明设计的装置不需要很大的安装尺寸，装置面积适应板料面积即可，比起传统的辊底炉等加热装置占地面积小得多，且体积小，适用范围广。

7、本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置考虑了高强度钢热成形的最佳成形温度；本发明所述的加热装置在进行加热过程中，当需要高强度性能的部分板料加热到奥氏体化温度后，不断控制电压，通过热电偶测温使其保持恒温加热，当此部分板料完全奥氏体化后，切断电流，在底部冷却水道通入冷却水流进行快速冷却，使其冷却至650℃左右，此时材料的硬化指数值最高，且此温度范围内板料的成形性最好。对于不需要高强度性能的部分板料，使其加热到720℃以下温度，保持铁素体和珠光体的混合相即可。此时板料既适宜成形又符合强度要求，之后将板料放置到热成形模具上，完成成形工序即可获得所需的热成形制件；

8、本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置可以通过基于BP神经网络调节的工作模式，对加热板料的不同区域的加热温度和冷却温度精确调节，以达到更加优化热成形。

附图说明

图1为材料连续冷却相变曲线图。

图2为材料连续加热相变曲线图。

图3为传统单电源电阻加热原理图。

图4为本发明装置的加热原理图。

图5a为本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置所能实现的一种不同板料相成分分布情况示意图，即实现板料中间区域为马氏体相，两端区域为铁素体和珠光体混合相的情况，长度比例为1:1:1。

图5b为本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置所能实现的一种不同板料相成分分布情况示意图，即实现板料中间区域为铁素体和珠光体混合相，两端区域为马氏体相的情况，长度比例为1:1:2。

图5c为本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置所能实现的一种不同板料相成分分布情况示意图，即实现板料中间区域为马氏体相，两端区域为铁素体和珠光体混合相的情况，长度比例为1:2:1。

图6为本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置中的上部结构图。

图7为本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置中的下部结构图。

图8为本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置中的热电偶在导热板上分布位置的示意图。

图9为本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置上下分离可放置和取出板料时的结构图。

图10为本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置上下合模时一种情况的结构图，可加热图5a中所示的板料。

图11为本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置上下合模时一种情况的结构图，可加热图5b中所示的板料。

图12为本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置上下合模时一种情况的结构图，可加热图5c中所示的板料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置包括外部控制装置、上部模块、下部模块、电阻加热装置、动力系统。

如图6所示，上部机构包括有上模座100，上模座支撑导套110，第一上固定电极310，第一移动电极320，第二移动电极330，第二上固定电极340，活塞杆120，固定电极气缸筒121，移动电极滑动导轨130，移动电极气缸筒122。

如图5a～5c所示，第一移动电极320和第二移动电极330通过移动电极气缸筒122安装在滑动导轨130上，第一移动电极320和第二移动电极330能够在移动电极滑动导轨130上滑动，通过第一上固定电极310，第一移动电极320，第二移动电极330，第二上固定电极340将加热板料500的加热区域分为第一区域、第二区域和第三区域；其中，通过对第一上固定电极310和第一移动电极320通电能够对第一区域加热，通过对第一移动电极320和第二移动电极330通电能够对第二区域加热，通过对第二移动电极330和第二上固定电极340通电能够对第三区域加热；在本实施例中，作为一种优选，图5a为第一上固定电极310，第一移动电极320，第二移动电极330，第二上固定电极340之间的距离比例为1:1:1时，通过对不同区域的加热实现板料中间区域为马氏体相，两端区域为铁素体和珠光体混合相的情况，图5b为第一上固定电极310，第一移动电极320，第二移动电极330，第二上固定电极340之间的距离比例为1:1:2时，通过对不同区域的加热实现板料中间区域为铁素体和珠光体混合相，两端区域为马氏体相的情况，图5c为第一上固定电极310，第一移动电极320，第二移动电极330，第二上固定电极340之间的距离比例为1:2:1时，通过对不同区域的加热实现板料中间区域为马氏体相，两端区域为铁素体和珠光体混合相的情况。

如图7所示，下部机构包括有下模座200、下模座支撑导柱210、电极支撑板220、绝缘板221、第二下固定电极420、定位销240、加热板料500、导热板233、冷却块231、冷却水道232、下部底座230、第一下固定电极410，固定螺栓250，测温热电偶234。

通过第一下固定电极410和第二下固定电极420能够对板料500整个区域进行整体加热。

如图6所示，上模座100为长方形的中空的箱式结构件，内部装有控制移动电极的液压动力系统，四角与导套110之间采用焊接方式连接，并与外部控制系统相连，控制整个系统上下分离运动；上模座100底面设置有梯形导轨，与缸筒形状相吻合，控制系统可自由控制缸筒左右移动进而带动移动电极的移动，4个活塞杆装入缸筒中为滑动连接控制移动电极上下运动。

如图7所示，下模座200四角与导柱210之间采用焊接方式连接，电极支撑板220、底座230与下模座200之间固定连接，绝缘板221采用螺栓250连接固定在两侧电极支撑板220上，第二下固定电极420和第一下固定电极410分别镶嵌在两侧绝缘板221上，导热板233、冷却块231与底座230固定连接，在底座230上部设置冷却块231，在冷却块231内部设置冷却水道232，定位销240为小圆柱体式结构件，插入导热板233的定位销孔内，上表面高出加热板料500表面3～5mm，用于对高强度钢板料的定位。

如图8所示，在导热板233上设置多个测温热电偶234，能够对加热板料500的第一区域、第二区域和第三区域进行实时测试温度，并且在所述冷却水道232的出水口上设置温度传感器，能够对冷却水出水口温度进行实时测试温度。

如图9、图10所示，通过外部控制系统控制上部模块与下部模块分离如图9，板料放置好并将移动电极调整到合适位置后上下模块回位到合模状态如图10，此时活塞杆将移动电极压在板料上，进而使板料与固定电极可靠接触，保证电流传导。

实施例1

本发明还公开了一种高强度钢热成形加热装置的加热方法包括：

如图5a、图9、图10所示，以第一上固定电极310，第一移动电极320，第二移动电极330，第二上固定电极340之间的距离比例为1:1:1为例，通过对不同区域加热实现板料中间区域为马氏体相，两端区域为铁素体和珠光体混合相的情况；其中，采用尺寸规格为2000mm×800mm×1.5mm的材质为22MnB5的高强度钢板料500作为操作对象。

步骤如下：

1.利用切割机切割好一块规格尺寸为2000mm×800mm×1.5mm的材质为22MnB5的高强度钢板料；

2.控制系统通过导套导柱控制上部模块一起向上以0.2m/s的速度移动到最大位置停止；

3.利用机械装置将切割好的高强度钢板料500放置到导热板的表面上，并利用定位销240对高强度钢板料500进行定位，与高强度钢板料500接触后测温热电偶234开始测量温度，热信号经控制系统转换为电信号，通过外部设备实时观察高强度钢板料500温度变化；

4.上部模块中，控制系统控制第一移动电极320和第二移动电极330左右移动使四个电极310、320、330、340之间的距离为1:1:1，同时上部模块向下移动到电极与板料500相接触，此时第一上固定电极310、第二上固定电极340以及第一移动电极320、第二移动电极330也分别通过气缸获得向下的压紧力，将板料500压紧并使板料500与四个电极可靠接触；

5.通过控制系统控制移动电极320、330之间的电压，对高强度钢板料500中间部分进行加热，通过热电偶234对板料500的实时温度监测以及电压调节，将加热温度控制在900℃后保持恒温，使高强度钢板料500中间部分完全奥氏体化；

6.通过控制系统控制第一上固定电极310与第一移动电极320之间的电压以及第二上固定电极340与第二移动电极330之间的电压，对高强度钢板料500两侧进行加热，加热到650℃后保持恒温，与此同时，控制冷却块231，打开对应高强度钢板料500中间奥氏体化部分下部的冷却水道232，对高强度钢板料中间部分进行快速冷却，通过调节对应冷却水道中的液体流速，保证当高强度钢板料500两侧加热温度达到650℃时，高强度钢板料500中间部分也达到650℃，即整个高强度钢板料500都为650±10℃；

7.切断施加在电极上的电压，同时关闭冷却水道中的液体流动，控制系统控制上部模块以0.2m/s的速度向上运动，使其移动到初始位置，同时切断测温热电偶234传递的信号，测温热电偶234测温结束；

8.利用机械装置将已经加热分块好的板料取出，转移到下一步工序，利用热成形冲压模具对加热完毕的高强度钢板料500进行快速冲压成形，并保温保压得到最终的热成形零件；

9.将装置所有机构归原始位置。

实施例2

本发明还公开了一种高强度钢热成形加热装置的加热方法包括：

如图5a、图9、图10所示，以第一上固定电极310，第一移动电极320，第二移动电极330，第二上固定电极340之间的距离比例为1:1:1为例，通过对不同区域加热实现板料中间区域为马氏体相，两端区域为铁素体和珠光体混合相的情况；其中，采用尺寸规格为2000mm×800mm×1.5mm的材质为22MnB5的高强度钢板料500作为操作对象。

步骤如下：

1.利用切割机切割好一块规格尺寸为2000mm×800mm×1.5mm的材质为22MnB5的高强度钢板料；

2.控制系统通过导套导柱控制上部模块一起向上以0.2m/s的速度移动到最大位置停止；

3.利用机械装置将切割好的高强度钢板料500放置到导热板的表面上，并利用定位销240对高强度钢板料500进行定位，与高强度钢板料500接触后测温热电偶234开始测量温度，热信号经控制系统转换为电信号，通过外部设备实时观察高强度钢板料500温度变化；

4.上部模块中，控制系统控制第一移动电极320和第二移动电极330左右移动使四个电极310、320、330、340之间的距离为1:1:1，同时上部模块向下移动到电极与板料500相接触，此时第一上固定电极310、第二上固定电极340以及第一移动电极320、第二移动电极330也分别通过气缸获得向下的压紧力，将板料500压紧并使板料500与四个电极可靠接触；

5.通过控制系统控制四个电极310、320、330、340之间的电压，对高强度钢板料500进行加热，通过热电偶234对板料500的加热区域的第一区域、第二区域和第三区域分别实时温度监测，通过温度传感器对冷却水道232的出水口进行温度监测，与此同时，控制冷却块231，打开对应高强度钢板料500下部的冷却水道232，对高强度钢板料500温度过高需要冷却的部分通过调节对应冷却水道232中的冷却水流速，进行快速冷却，保证高强度钢板料500达到所需要的温度；

7.切断施加在电极上的电压，同时关闭冷却水道中的液体流动，控制系统控制上部模块以0.2m/s的速度向上运动，使其移动到初始位置，同时切断测温热电偶234传递的信号，测温热电偶234测温结束；

8.利用机械装置将已经加热分块好的板料取出，转移到下一步工序，利用热成形冲压模具对加热完毕的高强度钢板料500进行快速冲压成形，并保温保压得到最终的热成形零件。

9.将装置所有机构归原始位置，切断电源。

在本实施例中，第一移动电极320和第一上固定电极310连通，施加第一电压；第一移动电极320和第二移动电极330连通，施加第二电压；第二移动电极330和第二上固定电极340连通，施加第三电压；基于BP神经网络对所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和冷却水流速进行控制，包括如下步骤：

步骤一、建立BP神经网络模型：

本发明采用的BP网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示设备工作状态的n个检测信号，这些信号参数由数据预处理模块给出；第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定；第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。

该网络的数学模型为：

输入层向量：x＝(x₁,x₂,…,x_n)^T

中间层向量：y＝(y₁,y₂,…,y_m)^T

输出层向量：z＝(z₁,z₂,…,z_p)^T

本发明中，输入层节点数为n＝4，输出层节点数为p＝4；隐藏层节点数m由下式估算得出：

按照采样周期，输入的4个参数为，x₁为第一区域温度系数，x₂为第二区域温度系数，x₃为第三区域温度系数，x₄为冷却水温度系数；

由于传感器获取的数据属于不同的物理量，其量纲各不相同。因此，在数据输入神经网络之前，需要将数据规格化为0-1之间的数。

具体而言，对于第一区域温度T_a，进行规格化后，得到第一区域温度系数x₁：

其中，T_{a_min}和T_{b_max}分别为第一区域的最低温度和最高温度。

同样的，对于第二区域温度T_b，进行规格化后，得到第二区域温度系数x₂：

其中，T_{b_min}和T_{b_max}分别为第二区域的最低温度和最高温度。

对于第三区域温度T_c，进行规格化后，得到第三区域温度系数x₃：

其中，T_{c_min}和T_{c_max}分别为第三区域的最低温度和最高温度。

同样的，对于冷却水管的出水口温度T_d，进行规格化后，得到冷却水管的出水口温度系数x₄：

其中，T_{d_min}和T_{d_max}分别为冷却水管出水口的最低温度和最高温度。

输出信号的4个参数分别表示为：z₁为第一电压的调节系数，z₂为第二电压的调节系数，z₃为第三电压的调节系数，z₄为冷却水流速的调节系数；

第一电压的调节系数z₁表示为下一个采样周期中的第一电压与当前采样周期中设定的最大第一电压之比，即在第i个采样周期中，采集到的第一电压为U_ai，通过BP神经网络输出第i个采样周期的第一电压调节系数z₁ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中调节电压为U_a(i+1)，使其满足U_a(i+1)＝z₁ ⁱU_amax；

第二电压的调节系数z₂表示为下一个采样周期中的第二电压与当前采样周期中设定的最大第二电压之比，即在第i个采样周期中，采集到的第二电压为U_bi，通过BP神经网络输出第i个采样周期的第二电压调节系数z₂ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中调节电压为U_b(i+1)，使其满足U_b(i+1)＝z₂ ⁱU_bmax；

第三电压的调节系数z₃表示为下一个采样周期中的第三电压与当前采样周期中设定的最大第三电压之比，即在第i个采样周期中，采集到的第三电压为U_ci，通过BP神经网络输出第i个采样周期的第三电压调节系数z₃ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中调节电压为U_c(i+1)，使其满足U_c(i+1)＝z₃ ⁱU_cmax；

冷却水流速调节系数z₄表示为下一个采样周期中的冷却水流速与当前采样周期中设定的最大流速之比，即在第i个采样周期中，采集到的冷却水流速为Q_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的调节角度调节系数z₄ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中调节角度为Q_i+1，使其满足Q_i+1＝z₄ ⁱQ_max；

步骤二：进行BP神经网络的训练：

建立好BP神经网络节点模型后，即可进行BP神经网络的训练。根据产品的经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值w_ij，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值w_jk，隐层节点j的阈值θ_j，输出层节点k的阈值w_ij、w_jk、θ_j、θ_k均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正w_ij和w_jk的值，直至系统误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。

如表1所示，给定了一组训练样本以及训练过程中各节点的值。

表1训练过程各节点值

步骤三、采集数据运行参数输入神经网络得到调控系数；

训练好的人工神经网络固化在芯片之中，使硬件电路具备预测和智能决策功能，从而形成智能硬件。智能硬件加电启动后，第一电压、第二电压、第三电压和冷却水流速均以最大值开始运行，即第一电压U_a0＝0.73U_amax，第二电压U_b0＝0.78U_bmax，第三电压U_c0＝0.75U_cmax，冷却水流速Q₀＝0.83Q_max，；

同时，使用外测温热电偶测量第一区域初始温度T_a0、第二区域初始温度T_b0和第三区域初始温度T_c0，使用温度传感器测量冷却水管的出水口初始温度T_d0，通过将上述参数规格化，得到BP神经网络的初始输入向量通过BP神经网络的运算得到初始输出向量/>

步骤四：控制第一电压、第二电压、第三电压以及冷却水流速；得到初始输出向量后，即可进行调节角度的调控，调节第一电压、第二电压、第三电压以及冷却水流速，使下一个采样周期第一电压、第二电压、第三电压以及冷却水流速分别为：

U_a1＝z₁ ⁰U_amax，

U_b1＝z₂ ⁰U_bmax，

U_c1＝z₃ ⁰U_cmax，

Q₁＝z₄ ⁰Q_max，

通过传感器获取第i个采样周期中的第一区域温度T_ai，第二区域温度T_bi、第三区域温度T_ci和冷却管出水口温度T_di，通过进行规格化得到第i个采样周期的输入向量xⁱ＝(x₁ ⁱ,x₂ ⁱ,x₃ ⁱ,x₄ ⁱ)，通过BP神经网络的运算得到第i个采样周期的输出向量zⁱ＝(z₁ ⁱ,z₂ ⁱ,z₃ ⁱ,z₄ ⁱ)，然后控制调节第一电压、第二电压、第三电压以及冷却水流速，使第i+1个采样周期时第一电压、第二电压、第三电压以及冷却水流速分别为：

U_a(i+1)＝z₁ ⁱU_amax，

U_b(i+1)＝z₂ ⁱU_bmax，

U_c(i+1)＝z₃ ⁱU_cmax，

Q_i+1＝z₄ ⁱQ_max。

通过上述设置，通过测温热电偶实时监测第一区域温度、第二区域温度和第三区域温度，通过温度传感器实时监冷却水道出水口温度，通过采用BP神经网络算法，对第一电压、第二电压、第三电压以及冷却水流速进行调控，使其达到最佳的运行状态，从而提高运行效率。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置的加热方法，其特征在于，使用的加热装置包括：

上模座，其下端面设置滑动导轨；

下模座，其上端面设置底座，在所述底座上部设置冷却块；

加热板料；

多个移动电极，其通过气压装置可移动安装在所述滑动导轨上，所述移动电极能够在所述滑动导轨上水平移动；

多个上固定电极，其固定在所述导轨两侧；

多个下固定电极，其固定在所述底座两侧；

冷却水道，其设置在所述冷却块内部；

导热板，其设置在所述冷却块上部；

其中，通过对所述移动电极和所述上固定电极通电后传递的能量对所述加热板料的不同区域进行不同温度的加热；通过在所述冷却水道内通入冷却水能够对所述加热板料进行降温；

所述移动电极设置为2个，包括：第一移动电极和第二移动电极；以及

所述上固定电极设置为2个，包括：第一上固定电极和第二上固定电极；

所述加热板料的加热区域分为第一区域、第二区域和第三区域；

其中，通过对所述第一上固定电极和所述第一移动电极通电能够对所述第一区域加热；

通过对所述第一移动电极和所述第二移动电极通电能够对所述第二区域加热；和/或

通过对所述第二移动电极和所述第二上固定电极通电能够对所述第三区域加热；

所述下固定电极设置为2个，包括：第一下固定电极和第二下固定电极；

其中，通过对所述第一下固定电极和所述第二下固定电极通电能够对所述加热板料的整个区域加热；

所述的加热方法包括如下步骤：

准备好加热板料后，将上模座向上以0.2m/s的速度移动到最大位置停止，将所述加热板料放置到底座的表面上，并利用定位销对加热板料进行定位；

控制上模座向下移动到移动电极和固定电极与导热板相接触，此时移动电极和固定电极也分别将加热板料压紧并使加热板料与导热板可靠接触；

通过控制系统给电阻加热模块的移动电极和固定电极分别通电，通过控制通电电压和冷却水的流速精准控制加热板料不同区域在同一时刻达到不同的加热温度；

控制系统控制上模座以0.2m/s的速度向上运动，使其移动到最大位置，将已经加热分块好的板料取出；

所述第一移动电极和所述第一上固定电极连通，施加第一电压；所述第一移动电极和所述第二移动电极连通，施加第二电压；所述第二移动电极和所述第二上固定电极连通，施加第三电压；基于BP神经网络对所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和冷却水流速进行控制，包括如下步骤：

步骤一、按照采样周期，通过测温热电偶测量加热板料的第一区域温度T_a、第二区域温度T_b、第三区域温度T_c，通过温度传感器测量冷却水温度T_d；

步骤二、依次将所述步骤一中的参数进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄}，其中，x₁为第一区域温度系数，x₂为第二区域温度系数，x₃为第三区域温度系数，x₄为冷却水温度系数；

步骤三、输入层向量映射到中间层，中间层向量y＝{y₁,y₂,…,y_m}；m为中间层节点个数；

步骤四、得到输出层向量z＝{z₁,z₂,z₃,z₄}；其中，z₁为第一电压的调节系数，z₂为第二电压的调节系数，z₃为第三电压的调节系数，z₄为冷却水流速调节系数；

步骤五、控制第一电压、第二电压、第三电压、冷却水流速，使

U_a(i+1)＝z₁ ⁱU_amax，

U_b(i+1)＝z₂ ⁱU_bmax，

U_c(i+1)＝z₃ ⁱU_cmax，

Q_i+1＝z₄ ⁱQ_max，

其中，z₁ ⁱ、z₂ ⁱ、z₃ ⁱ、z₄ ⁱ分别为第i个采样周期输出层向量参数，U_amax、U_bmax、U_cmax、Q_max分别为设定的第一电压的最大电压值、第二电压的最大电压值、第三电压的最大电压值和冷却水的最大流速，U_a(i+1)、U_b(i+1)、U_c(i+1)、Q_i+1分别为第i+1个采样周期时的第一电压、第二电压、第三电压和冷却水流速。

2.如权利要求1所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置的加热方法，其特征在于，还包括：导套，其设置在所述上模座下部；以及

导柱，其设置在所述下模座上部，与所述导套同轴设置；

其中，所述导柱在所述导套内能够相对于所述导套上下移动。

3.如权利要求2所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置的加热方法，其特征在于，还包括：多个测温热电偶，其固定安装在所述导热板上；以及

温度传感器，其设置在所述冷却水道的冷却水出水口处。

4.如权利要求3所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置的加热方法，其特征在于，所述步骤二中，第一区域温度T_a、第二区域温度T_b、第三区域温度T_c、冷却水温度T_d进行规格公式为：

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别为测量参数T_a、T_b、T_c、T_d，j＝1,2,3,4；X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

5.如权利要求3所述的可使高强度钢加热区域任意调节的加热装置的加热方法，其特征在于，在所述步骤四中，

初始运行状态下，第一电压、第二电压、第三电压和冷却水流速满足经验值：

U_a0＝0.73U_amax，

U_b0＝0.78U_bmax，

U_c0＝0.75U_cmax，

Q₀＝0.83Q_max

其中，U_a0为第一电压初始调节电压，U_b0为第二电压初始调节电压，U_c0为第三电压初始调节电压，Q₀为冷却水初始调节流速；U_amax为设定的第一电压最大调节电压，U_bmax为设定的第二电压最大调节电压，U_cmax为设定的第三电压最大调节电压，Q_max为冷却水最大调节流速。