SU1627303A1 - Способ управлени процессом нагрева штампового набора и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к обработке металлов давлением, преимущественно к изотермической штамповке, а именно к способам управлени  процессом нагрева штампового набора и устройствам дл  их осуществлени . Цель - повышение качества штампуемых изделий за счет обеспечени  равномерного и стабильного температурного пол  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 осуществл ют дополнительный нагрев при помощи нафевателей Температура штампа в разпичных точках контролируетс  датчиками температуры и регулируетс  с помощью нагревателей. В процессе нагрева осуществл ют 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 нагревател  в «мде линейной комбинации разностей между требуемой и прогнозируемой температурой дл  разных частей штампового набора . Устройство дл  осуществлени  способа содержит датчики температуры, нагреватель с автономными регул торами питани , блоки вычислени , сравнени , прогнозировани , оценки рассогласовани  температур, блок определени  мощности нагревателей. Данные решени  учитывают задержку в оаспределении тепловых потоков от нагревателей по объему штэмпового набора ипозвоп ют прогнозировать температурное поле штампового набора на последующие моменты времени. При этом мощность нагревателей в виде линейной комбинации разности между требуемой и прогнозируемой температурой дл  различных частей штампового набора. Данные решени  исключают перерегулирование температуры в отдельных част х штампового набора и обеспечивают асимптотическое приближение к требуемой температуре в каждой части штампового набора, что гарантирует раномерность и стабильность температурного пол  штампового набора в последующем процессе штамповки 2 с.п.ф- лы, б ил сл ON ю VJ CJ О OJ

Description

Изобретение относитс  к обработке металлов давлением, а именно к управлению нагревом штампового инструмента при изотермической штамповке.

Цепь изобретени  - повышение качества штампуемых изделий за счет обеспечени  равномерного и стабильного температурного пол  в объеме штампового набора в процессе штамповки,

На фиг.1 представлена блок-схема устройства управлени  нагревом штампового набора; на фиг.2 - функции вли ни  нагревател  на части штампового набора, расположенные вблизи нагревател  и удаленные от нагревател ; на фиг.З - структурна  схема блока вычислени  температур; на фиг 4 - структурна  схема блока сравнени  температур; на фиг.5 - структурна  схема блока прогнозировани  температур; на фиг.6 - структурна  схема блока определени  мощностей нагревателей.

Способ управлени  процессом нагрева штампового набора осуществл ют 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 позвол ет 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 Затем нагретый в печи штамповый набор монтируют на столе пресса После монтажа осуществл ют дополнительный нагрев и выравнивание температурного пол  штампового набора посредством регулировани  мощностей нагревателей, подключаемых в различных комбинаци х к регул торам 3 питани  в зависимости от значений температур в различных част х штампового набора, измер емых датчиками температур (например , термопарами). Дл  этого определ ют температуру в различных част х штампового набора в зависимости от мощности всех включенных нагревателей по формуле

штампового набора сравнивают со значени ми температур 0 , измеренных в этих же част х штампового набора размещенными в них датчиками температур (например, термопарами ). Полученную разность $i 9 - t9c| используют в дальнейшем дл  прогнозировани  температур. Прогноз температуры дл  1-й части штампового набора на последующие моменты времени производ т путем добавлени  к показанию каждого 1-го датчика температуры ожидаемой разности между повышением температуры за счет тепловых потоков от нагревателей и ее понижением в св зи с теплопотер ми

штампового набора в окружающую среду. При этом величины повышени  температуры 1-й части штампового набора за счет тепловых потоков от нагревателей определ ют из выражени 

I То

Ли, -Е /а, (г) U, (r- Ti)dr,(2)

,

r«T, k

эффективное врем  запаздывани  по управлению (запаздывание распределени  течлоьых потоков от нагревателей по объему и.тэмпового набора) дл  1-ой части штампооого набора, мин;

LI - рассто ние 1-го датчика температуры до ближайшего нагревател , м;

к - температуропроводность материала штампового набора, м2/мин. Величины теплопотерь i-й частиц штамПОБОГО набора в окружающую среду определ ют по формуле

40 Л 0П| (О, - въ - X / aij U (r) d т ехр

т 71Л(3)

-lL)exp-lL I о о

г/

ft, а+У /a,,(r)Uj(r)dr, (1)

) 1 О

где вв - температура окружающей среды, °С, То - характерное врем  остывани  штампового набора, мин;

Uj (т) - мощность, на которую за г мин до момента измерени  был включен j-й нагреватель , кВт;

aij (т)- функции вли ни  j-ro нагревател  на 1-ю часть штампового набора через промежуток времени г . град/кВт

I - количество включенных нагревателей . Затем полученные по формуле (1) значени  температур 0С| в различных част х

45

Затем прогноз температуры дл  1-й части шгампового набора осуществл ют по

формуле

0d &+а,ехр (-:Ј-) + ДтЭС|, (4)

ID

где значени  $ и Д#С| определ ют из выражений (2) и (3)

55Величины разностей между требуемой

( прогнозируемой температурой Оа, дл  различных 1-х частей штампового набора

Дф и - (3d, используют дл  определени  мощностей нагревателей

Мощности нагревателей Uj определ ют из решени  системы линейных уравнений:

У b,,, )

J 1 T(5)

и +2Льц и,

I I

где 0 - величина требуемой температуры °С;

I - количество датчиков температуры; Uj - величины мощности J-ro нагревател , необходимые дл  поддержани  требуемой температуры штампового набора в стационарном режиме, кВт.

i|

Ьц /aij (r)d г, о

А - вспомогательные переменные

Функции вли ни  aij(r) j-ro нагрева ел  на i-ю часть штампового набора, где размещен 1-ый датчик температуры, определ ют экспериментальным путем, дл  чего включают поочередно каждый нагреватель на определенное врем  с определенной мощностью . Затем после каждого включени  след т за изменением показаний датчиков температуры во всех част х штампового набора . По этим показани м определ ют функции вли ни  данного нагревател  на каждую часть штампового набора, температура которой контролируетс  соответствующим температурным датчиком

Величины Uj мощностей нагревателей необходимые дл  поддержани  требуемой температуры штампового набора в стационарном режиме, определ ют расчетным или экспериментальным путем из услови  теплового баланса штампового набора.

Пример. Способ управлени  нагревом штампового набора опробован методом имитационного моделировани . При этом штамповый набор имел форму цилиндра с диаметром основани  и высотой, равными 800 мм. Материал штампового набора - сталь 5 ХНМ имеюща  следующие теплофи- зические характеристики- А - 39,7 Вт/м°С; С 921 Дж/кг °С: р 7900 кг/г.-3, где А- коэффициент тепопроводности, С - удельна  теплоемкость, р - плотность. На наруж- ной поверхности штампового набора нанесен слой теплоизол ции толщиной 150 мм, имеющей следующие теплофизиче- ские характеристики: Аи 0,14 Вт/м °С, /Aj 150 кг/м3. На боковой поверхности штампового набора расположены четыре нагревател , а один нагреватель вмонтирован в тело штампа в непосредственной близости от гравюры. Температуру в теле штампового набора измер ли в четырех точках I-IV. Температуру окружающей среды принимали равной 0в 20°С. 5Устройство управлени  процессом нагрева штампового набора 1 содержит нагреватели 2, автономные регул торы 3 питани , устройство 4 измерени  температур , блок 5 вычислени  температур, блок б 10 сравнени  температур, блок 7 прогнозировани  температур, блок 8 оценки рассогласовани  температур, блок 9 определени  мощностей нагревателей.

Блок 5 вычислени  температур имеет 15 три входа, на один из которых подают сигналы , пропорциональные значени м функций вли ни , а на второй вход - сигнал, пропорциональный температуре окружающей среды, третий вход св зан с выходом

0 блока 9 определени  мощностей нагревателей , выход же его св зан с одним из входов блока 6 сравнени  температур, на второй вход которого поступают сигналы с выхода устройства 4 измерени  температур, а его

5 выход св зан с одним из входов блока 7 прогнозировани  температур, на другой вход которого поступают сигналы, пропорциональные функци м вли ни , а на третий его вход подают сигналы, лропорциональ0 ные температуре окружающей среды, выход же его св зан с одним из входов блока 8 оценки рассогласовани  температур, на другой вход которого подают сигнал, пропорциональный требуемой температуре

5 штампового набора 1, а выход св зан с одним из входов блока 9 определени  мощностей нагревателей 2, на другой вход которого поступают сигналы, пропорциональные мощност м нагревателей 2, необ0 ходимые дл  поддержани  требуемой температуры в стационарном режиме, при этом его выход св зан с входом блока 7 прогнозировани  температур, а также с входом блока 5 вычислени  температур и с вхо5 дами регул торов 3 питани  нагревателей 2, выходы которых св заны с соответствующими нагревател ми 2.

Устройство 4 измерени  температур в различных част х штампового набора со0 держит набор хромель-алюминиевых термопар , вмонтированных в тело штапмового набора, а также усилители дл  усилени  и нормировани  электрических сигналов термопар .

5Блок 5 вычислени  температур (фиг.З)

содержит последовательно соединенные друг с другом устройство 10 ввода, вычислительное устройство 11с запоминающим устройством 12 и устройство 13 вывода.

Вычислительное устройство 11 с запомнил ющим устройством реализовано на базе од нокристального16-разр дного

микропроцессора КР 1801 ВМ 2

Блок 6 сравнени  температур (фиг 4) со держит последовательно соединенные друг с другом коммутатор 14 аналоговых CHI налов , поступающих от устройства 4 измере ни  температур, аналого-цифровой преобразователь (АЦР) 15, устройство 16 ввода, на второй вход которого поступает сигнал блока 5 вычислени  температур, сумматор 17 с запоминающим устройством 18 устройство 19 вывода При этом второй выход устройства 16 ввода св зан с одним из входов коммутатора 14 Сумматор 17 с запоминающим устройством 18 реализован на базе 8-разр дного микропроцессора КР580

Блок 7 прогнозировани  температур (фиг.5) содержит устройство 20 ввода один выход которого соединен с входом блока 21 определени  величины повышени  гем ператур за счет тепловых потоков от нзфе вателей Д0г, , а другой - с блоком 22 определени  величин теплопотерь штампе вого набора в окружающую среду Aft, Вы ходы блоков 21 и 22 св заны с двум  входами сумматора 23, который соединен с устройством 24 выхода Блоки 21 и 22 блока 7 прогнозировани  температур реапизова- ны на базе однокристальных 16 разр дных микропроцессоров К.Р1801 ВМ2 з сумматор 23 - на базе 8-разр дного микропроцессора КР580.

Блок 8 оценки рассогласовани  темпе ратур имеет конструктивное решение ана логичное блоку 5 вычислени  температур

Блок 9 определени  мощностей нагре вателей (фиг 6) содержит последовательно соединенные друг с другом устройство 5 ввода, вычислительное устройство 26 г за поминающим устройством 27 устройство 28 вывода и блок 29 формировани  аналоговых сигналов, поступающих на регул тор 3 питани  нагревателей

В качестве регул торов 3 питани  нг гревателей 2 использованы тиристорные регул торы

Устройство управлени  процессом нагрева штампового набора работает спедую- щим образом

Перед включеиим системы в работу в нее вводитс  следующа  информаци  м (т) функци  вли ни  )-го нагревател  на -ю часть щтампового набора через промежуток

времени т , fT требуема  температура на грева штампового набора (температура изо термической штамповки), U, величины

0

Ь

0

0

5

0

5

мо.ичости j-ro нафевател , необходимые дл  поддержани  требуемой температуры штампового набора в оационарном режиме ве - температура окружающей среды.

Вводима  информаци  поступает на входы следующих блоков в блок 5 вычислени  температур а, (г)п0в , в блок 7 про- гнозиоовани  темперагур б„ и а (г) в блок 8 оценки оассогласог.ани  температур (Г , в блок 9 определени  мощностей нагревателей Uj

В начале процесса нагрева(после подключени  нагревателей 2 и устройства 4 измерени  температур) прогнозируема  температуре) 4i, принимаетс  равной темпел т

paiype М ехр | - ) DI х част х штамповоI о

10 набора измер емой устройством 4 измерени  температур, и поступает на вход блокэ 8 уценки рассогласовани  темпера- TVP где она уравниваетс  с требуемой тем

пературой (J штампового набора По 1зеличине их рассо лдг.овани  в блоке 9 определени  мощностей на: ревателей определ ютс  мощ f ти нагревателей Uj, которые постугыч) на вход регул тора 3 питани  и н 1 ,п блока 5 вь числени  температур

Блок вычислени  температур име 

ДЛННЫе О функци х ВЛИЯНИЯ 3i; И МОЩНОСТЯХ

нчфевателей Uj no формуле (1) определ ет leMnepaiypy в pi зиччных част х штампово- i , набора V, Ь юк 6 сравнени  температур срг рниваег значени  темперагур fjr, в раз- пи 1ных част  штампового набора со значени ми темперагур $: измереннных в этих част х щтампового набора с помощью уст- ройсл ва 4 измепрни  температур, выдает их разность ( на вход блока 7 прогнозировани  температур, куда также поступают значени  а,) (г) и Ц (г Т,) Блок 21 определени  величины повышени  температур за счет т лпловых потоков от нагревателей по формуле 2) определ ет величины повыше чи  темперагур Aft, а блог 22 определение величин теплопотерь штампового набора и окр/акающую среду по формуле (3) определ ет величины теппопотерь АОщ Величины , и покупают на сумма- i op и складываютс  с величиной температуры Оъ окружающей среды, при этом по формуле (4) определ ютс  величины прогнозируемых температур Od,

Блок 8 оценки рассогласовани  температур производит оценк рассогласовани  прогнозируемых температур , и требуемой температуры О

в -0d| Л(4

Это рассогласование Л$ ьмосте с величиной U, поступает п вход г К/-,а 9 определени  мощностей нагречатетеи который производит определение мощностей нагре пателеи U., реша  систему уравнени  (5)

Величины мощностей нагревателей Uj поступают на соответствующие регул торы 3 питани  нагрегателей 2 Слог 5 ни  процессом HSipeea штзмпового и v гройство дл  его ооуществлечи  позво л ют обеспечить равномерно и стабильнее температурное попе в объеме штзмпового набора в npouec.ee штамповки ITO способствует повышению качеств . расширению сортамента iijTaMnyc - ых изделии Этот , ф фект достигаетс  за счет учета распростоанени  г плосых г,отоков в обър ме штампового набора путем прогнозиоооа ни  трмперэтурого пол  на последующи моменты виемени н згрсьа а также з  си°т выбора мощностей нагревателей в вмд° ,,и. нейнои комбинации разностей между грр буемой и прогнозируемой температурой дл  разных час геи штампового набэра Форму,1 изобретени  1 Способ управлени  процессом на грева штампочого мэборч при коюром контролируют трмппра гуру штампа в ра з личных точка и осуществл ют эьютвнива ние температурного пол  штампо ого набора посредством регулировани  мощно с гей нагревателей отличающийс  ТРМ что, с целью повышени  качества штамп1 е мых изделий за счет обеспечени  равномер ного и стабичьниго температурного поп  с объеме штэмпового набооа в процессе штамповки вначале экспериментальным путем, использу  электрические сигналы ог /птчиков температуры различных частей штампового набора определ ют реальные теплофизические теплоинериионные свой гтва и интенсивность остывани  шгамппво го набора полученную информацию фиксируют затем прогнозиру  гиказа uin датчиков темпеоэтуры различны частей штампового инструмента на последующие моменты времени с учетом полученной ра нее информации дсбавл  к показани м термопар величину разности между товы шением температуры за счет тетлоим/ по токов от нагревателей и ее понижением в св зи с геллолотеи ми штампового набора в o ружающую среду, потом оценивают раз

ность между величинами требуемой и про- гнозир;емой температурами дл  различных 1 ей штампово о набора и подают на каждый нагреватель мощности, величины кото- Ь рых пропорциональны этим разност м

2 Устройство управлени  процессом чдгревэ штампового набора, содержащее систему управлени  с устройством измере10 ни-., температуры, а также изолированные сд in от другого нагреватели с автономными регул торами питани  отличающеес  тем что оно снабжено блоком вычислени  темгератур, блоко.-- сравнени  температур,

15 б/ч ком оценки рассогласованных температур и блоком определени  мощностей нагревателей , причем блок вычислени  „ температур IIMPLT три входа, один из которых гредназнач- н дл  приема сигналов,

О пропорцинатьных значени м функций вли чнич нагревателей на зоны штампового набора , второй вход дн  прие .а сигнала, пропорционального температур окружзю- среды а третий вход св зан с выходом

5 блока определени  мощностей нагревателей при этом выход его св зан с одним из входов блока срэвн ьп  температур второй которого пред о |. дл  приема сигна/юв г ьыкода устсм ства измерени 

0 температур а его вы/or св зан с одним из блока прогчозирор-лы  трмператур при этом другой ехо/ последнего предназ- н 1чен дл  приема сигналов пропорциональных функци м вли ни , а третий гго

Li дл  сигналов поолорциональных температуре окружающей среды причем выход ei о в свою очередь св зан г одним из вводов блока оценки рассогласовани  температур один из входов которого предназнау чей дл  приема сигнала пропорционального требуемой температуре штамповок набора. а выход св зан с одним из входов блока определени  мощности нагревателей при этом другой вход последнего предназначен дл 

5 приема сигналов пропорциональных мощност м нагревателей, необходимых дл  поддержани  требуемой температуры штэмпового набора в стационарном режиме а его выход св зан с входом блока прогнозировани  тем0 пературы а также с входом блока вычислени  темпесатур и с входами регул торов питани  нагревателей, выходы которых в свою очередь св заны с соответствующими нагревател ми

г:

I

jQijM

ft

Ba

0sT

Шиг.1

iitf

Фиг.2

Ю

.

11

и

03.3

Ui

ui

j/ odi

8

MI

13

ZJ

Ц) и г. 4

Ц)и г. 5

Claims (2)

1. Формула изобретения

   1. Способ управления процессом нагрева штампового набора, при котором контролируют температуру штампа в различных точках и осуществляют выравнивание температурного поля штампового набора посредством регулирования мощностей нагревателен, отличающийся тем что, с целью повышения качества штампуе мых изделий за счет обеспечения равномерного и стабильного температурного поля □ объеме штампового набора в процессе штамповки, вначале экспериментальным путем, используя электрические сигналы ог датчиков температуры различных частей штампового набора, определяют реальные теплофизические, теплоинерционные свой ства и интенсивность остывания штампового набора, полученную информацию фиксируют, затем прогнозируют показания датчиков температуры различных частей штампового инструмента на последующие моменты времени с учетом полученной ранее информации, добавляя к показаниям термопар величину разности между новы шением температуры за счет тепловых потоков от нагревателей и ее понижением в связи с теплопэтерями штампового набора в окружающую среду, потом оценивают раз ность между величинами требуемой и прогнозирхемой температурами для различных ч -сл ей штампового набора и подают на каждый нагреватель мощности, величины которых пропорциональны этим разностям.
2. 2. Устройство управления процессом нагрева штампового набора, содержащее систему управления с устройством измерения температуры, а также изолированные один от другого нагреватели с автономными регуляторами питания, отличающееся ^тем, что оно снабжено блоком вычисления температур, блоком сравнения температур, блоком оценки рассогласованных температур и блоком определения мощностей нагревателей, причем блок вычисления температур имес^т три входа, один из которых предназначен для приема сигналов, пропорцинальных значениям функций вли яния нагревателей на зоны штампового набора, второй вход - для приема сигнала, пропорционального температуре окружающей среды, а третий вход связан с выходом блока определения мощностей нагревателей, при этом выход его связан с одним из входов блока сравнения температур, второй вход которого пред, <э сочен для приема сигналов с выхода устройства измерения температур, а его выход связан с одним из входов блока прогнозирования температур, при этом другой вход, последнего предназначен для приема сигналов, пропорциональных функциям влияния, а третий его вход для сигналов, пропорциональных температуре окружающей среды, причем выход его в свою очередь связан с одним из входов блока оценки рассогласования температур один из входов которого предназначен для приема сигнала, пропорционального требуемой температуре штампового набора, а выход связан с одним из входов блока определения мощности нагревателей, при этом другой вход последнего предназначен для приема сигналов, пропорциональных мощностям нагревателей, необходимых для поддержания требуемой температуры штампового набора в стационарном режиме, а его выход связан с входом блока прогнозирования температуры. а также с входом блока вычисления температур и с входами регуляторов питания нагревателей, выходы которых в свою очередь связаны с соответствующими нагревателями.

   Фиг.1

   Фиг. 2 (Риг.З (Duг. 5

   Щи г. 6