Способ управления процессом нагрева штампового набора и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ 27 О ( 1) РЕСПУБЛ 3) В 21 Л 1/О ОБ САНИЕ брдботке меупрзвлению енд при изоэобретениев давлением относится к, а именнового инструповке. нагревом штдмпо термической штд ГОСУДАРСТВЕННЬИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Уральский электромеханическии институт инженеров железнодорожного транспорта им,Я.М.Свердлова(56) Авторское свидетельство СССРМ 804157, кл. В 21 3 1/06, В 2 3 13/02, 1979.(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМНАГРЕВА ШТАМПОВОГО НАБОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к обработке металлов давлением, преимущественно к изотермической штамповке, а именно кспособам управления процессом нагреваштампового набора и устройствам для ихосуществления. Цель - повышение качестваштампуемых изделий за счет обеспеченияравномерного 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 участков штампа нз 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 лиде линейной комбинэции 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 нзгревателеи. Данные решения учитывают задержку в оаспределении тепловых потоков от нагревателей по объему штампового набора и позволяют прогнозировать температурное поле штзмпового 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 перерегулированиеемпера 1 уры 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,бил Цель изобретения - повышение качествз штзмпуемых изделий за счет обеспечения равномерно о и стабильного темперзтурно(2) го поля в объеме штампового набора в про. цессе 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. Затем 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 где О, - температура окружающей среды, С;То - характерное время остывания штампового набора, мин;01 (7) - мощность, на которую за 7 мин до момента измерения был включен (-й нагреватель, кВт;а 1) (7) - функции влияния 1-го нагревателя на 1-ю часть штампового набора через промежуток времени 7, град/кВт;1 - количество включенных нагревателей. Затем полученные по формуле(1) значения температур Ос( в различных частях штампового набора сравнивают со значениями температур Я, измеренных в этих же частях штампового набора размещенными в них датчиками температур (например, тер ма парами), Полученную разностьО 1( = О 1 - Ос( используют в дальнейшем для прогнозирования температур, Прогноз температуры для 1-й части штампового набора на последующие моменты времени производят путем добавления к показанию каждо(о 1-го датчика температуры ожидаемой разности между повышением температуры за счет тепловых потоков от нагревателей и ее понижением в сеязи с теплопотерями штампового набора в окружающую среду.При этом величины повышения температуры 1-й части штампового набора за счет тепловых потоков от нагревателей определяют из выражения20( 1 оЛ Ос( .=.Г а(1 (7) О 1 (7 - Т О 7, 1=т( 25 Ьгде Т( = -- эффективное время запаздыКвания по управлению 1 запаздывание распределения тепловых потоков от нагревателей по объему и.,тампового набора) для 1-ой 30 части штампог,ого набора, мин;О - расстояние 1-го датчика температуры до ближайшего нагревателя, м;к - температуропроводность материа 2ла шгампового набора, м /мин, 35 Величины теплопотерь 1-й частиц штампового набора в окружающую среду определяюг по формуле 1 то40 ЛОп( = (О - О - , а(1 О 1 (7) о 7 ехрф1=1 а (3), (- - ) =О, ехр(-" ) Затем прогноз температуры для 1-й части ш(ампового набора осуществляют по Формуле Од, = Ов + 6 ехр ( -- ) + Л Ос( (4) где значения О 1 и ЛОц определяют из выражений (2) и (3) Величины разностей между требуемой О и прогнозируемой температурой Оо; для различных 1-х частей штампового набора ЛЙ = 9" - Од( используют для определения мощностей нагревателей(5) 45 50 55 Мощности нагревателей Ц определяютиэ решения системы линейных уравнений: где О - величина требуемой температуры,1 - количество датчиков температуры;О 1 - величины мощности 1-го нагревателя, необходимые для поддержания требуемой температуры штампового набора в стационарном режиме, кВт.1Ьц = а 1 (т) д г,оЯ, - вспомогательные переменные Функции влияния ац(г)1-го нагревателя на-ю часть штампового набора, где размещен 1-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 датчикомВеличины О мощностей нагревагелей необходимые для поддержания требуемои температуры штампового набора в стационарном режиме, определяют расчетным или экспериментальным путем из условия теплового баланса штампового набора,П р и м е р. 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: л39,7 Вт/м С; С = 921 Дж/кг С; р = 7900 кг/., где коэффициент тепопроводности, С - удельная теплоемкость, р - плотность. На наружной поверхности штампового набора нанесен слой теплоизоляции толщиной 150 мм, имеющей следующие теплофизические характеристики: А = 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 бли 5 10 15 20 25 30 35 40 зости от гравюры, Температуру в теле штампового набора измеряли в четырех точках 1-1 К Температуру окружающей среды принимали равной 08 = 20 СУстройство 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 б 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 щтампового 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 термопар. Блок 5 вычисления температур (фиг.З) содержит последовательно соединенные друг с другом устройство 10 ввода, вычислительное устройство 11 с запоминающим устоойством 12 и устройство 13 вывода.Вычислительное устройство 11 с запоминающим устройством реализовано на баз однокристального 16-разрядного микропроцессора КР 1801 ВМ 2Блок 6 сравнения температур (фиг,4) со держит последовательно соединенные друг с другом коммутатор 14 аналоговых сигналов, поступающих от у тройства 4 измере ния 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 КР 580 Блок 7 прогнозирования температур (фиг,5) содержит устройство 20 ввода один выход которого соединен с входом блока 21 определения величины повышения температур эа счет тепловых потоков от нагревателей ЬОп , э другой - с блоком 22 определения величин теплопотерь штампо вогонаборавокружающуюсреду ЛЙ, Выходы блоков 21 и 22 связаны с двумя входами сумматора 23, который соединен с устройством 24 выхода. Блоки 21 и 22 блока 7 прогнозирования температур реализованы на базе однокристальных 16-разрядных микропроцессоров КР 1801 ВМ 2 э сумтлатор 23 - на базе 8-разрядного микропроцессора КР 580.Блок 8 оценки рассогласования температур имеет конструктивное решение эна логичное блоку 5 вычисления температур.Блок 9 определения мощностей нагре вателей (фиг,б) содержит последовательно соединенные друг с другом устройство 25 ввода, вычислительное устроиство 26 г. запоминающим устройством 27 устройство 28 вывода и блок 29 формирования энэло овых сигналов, поступающих на регулятор 3 питания нагревателейВ качестве регуля 1 оров 3 питания пав гревателей 2 использованы тиристор ье регуляторыУстройство управления процессом нагрева штампового набора работает следующим образом,Перед включеним системы в работу в нее вводится следующая информация а(г)- функция влияния )-го нагревателя нэ -ю часть штампового набора через промежуток времени т; О - требуемая температура на грева штампового набора (темг 1 ерэтурэ изо термической штамповки), И величины тлощности )-го нагревателя, необходимые для ттоддержания требуемои темпер: -уры штампового набора в с 1 ационарном режитле, О, - температура окружающей среды, 5 Вводимая информация поступает навходы следующих блоков в блок 5 вычисления температур а, (с) тО,; в блок 7 прогнозиоования темпера ур - Ои ап (т), в блок 8 оценки оэссогпасогания температур О, в блок 9 определения мощностей нагревателей ЦВ начале процесса нагрева (после подключения нагревателей 2 и устройства 4 измерения тем иератур) прогнозируемая т етлт 1 ературэ О,п принимается равной темперампуре д ехр ( -- - о -х эстях штампово 1 оо набора, изтлеряемой устройством 4 измерения температур, и поступает на вход бпокэ 8 ьценки рассогласования тетлператчр, где сна сравнивается с требуемой тем.церэ;урой О штэ,лпового набора, По величине их раст о пэсования в блоке 9 оп седепения мощнос 1 ей нагревателей определяю 1 ся мощ с.сти нагревателей О, кспорые постуцакц на вход регулятора 3 пи 1 эния и н:. лход бпокэ 5 вьчиспения температур.30 Елок 5 еы ппсления температур, имеяданные о функциях влияния а;, и мощностях наг ревателей О цо формуле (1), определяет 1 емперэуру в рпзп 1 чных частях штампово-. набора . Ьпок 6 сравнения температур српвниааег значения температур Ов раэли ных частях штампового набора со значениями температур Й, иэмереннных в этих частях штатлцового набора с помощью устройс 1 ва 4 измерения температур, выдает их разность С на вход блока 7 прогнозирования темт 1 рэтур, куда также поступают значения а) (т) и Ц (г - Тс) Блок 21 определения величины повышения температур эа счет тепловых потоков от нагревателей по3фс 1 рмупе (2) определяет величины повыше.чия температур ЛО а блок 22 определени величин теппоцотерь штампового набора в окружающую среду цо формуле (3) определяет вепичи;ы тецпоцотерь ЛОп Величины Л Ос, и Л Оп поступаю 1 на суммаор и складываются с величиной температуры О, окружающей среды, при этом по формуле (4) определяются величины про нозируемых температур ОО,Елок 8 оценки рассогласования темперэ 1 ур производит оценкт рассогласования п огнозируемых температур Од, и требуемой температурылями. О" - Од =Ай.ЭтО РаССОГЛВСОВЭ 1 ИЕ ЛГЭ, ВМЕСТЕ С ВЕЛИЧНной О; поступает 1 з Вход 0 Ха 9 определения мощностей нагречателей которыи производит определение мошнос 1 ей агре вателей Ы решая систему уравнения (5)Величины мощностей нэгрева 1 елей ь 1, поступают на соответствующие регуляторы 3 питания нагреателей 2 Спог, б управле НИя ПрОцЕССОМ НВГрЕВа гцтаМПОВОГОабОЬВ и у.:гройство для его осуществлечия позволяют обеспечить равномерно. и стабильОР температурное поле в объеме штампового набора в процессе штам "овки, что способствут повышению качества и расширени о сортамента ц 1 тампуек ыхзделии Это 1 эффект достигается за счет учета зад,;ржки Оаспростванения геплоиых пгтокоч В обьеме гцтампово о набора путем прогнозирования темперэтурогп полч на последую 1 и моменты Времени нагрева а также за счет Выбора моц,ностРИ нагреВдтРлей В Виде линейной комбинации разностеи между гре буемой и прогнозируемой тем.1 ературой для разных час геи штампового набораФорму; а изобретения 1. Способ управления процессом на грева штампового 1 абора при ко:ором контролируют темперагуру штампа в различных точках и ОсуцестВляют Выоавнивание темпг рэ-урного поля штампочого набора посредсгвом регулирования мощнос гей нагревателеи о т л и ч а ю ц и й с я тем ЧтО, С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КачЕСтВа ШтаМП.Е мых изделий зз счет обеспечения равномерного и стабильного темперагурного поля В объеме 1 цтэмпового набоиа в процессе ш гамповки, вначале зкспериме тальным путем, исг 1 ользуя элекгоичегкие си наль ог датчиков темпера гуры раз,1 ичнь,х часгеи штампового набора, ог 1 ределяю 1 реальные теплофизические теплоинерционные свой ства и инте сивность остывания шгампового набора полученную информацию фиксируют. затем г 1 рогнозиру от показа 1 ия датчиков темпеоатуры различных астей штамг 1 ового инструмента на последукщие моменть 1 Времени с учетом п злученнои ра нее информации добавляя к показаниям термопар Величину разност 1 между вовы ШЕНИЕМ тЕМПЕратурЫ За СЧЕГ тЕПЛОВьХ ПО- токов от нагревателей и ее понижением В связи с тепло 1 отеоями штампового набора В окружающую среду, потом оценивают раз 10 15оГ 1 л ь 0 ность между величинами требуемой и прогнозир.емой тем ературэмидля различных .г тей штампового набора и пода 1 от на каждый нагреватель мощности, величины которых пропорциональны этим разностям,2, Устройство управления процессом нагрева штампового набора, содержащее систему управления с устройством измерения температуры, а также изолированные од.1 от другого нагреватели с автономными регп 1 яторами питания. о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено блоком вычисления температур, блоко,: сравнения температур, блоком оценки рассогласованных температур и блоком определения мощностей нагревагелей, причем блок Вычисления темератур имас.;ри входа, один из которых г редназнач:н для приема сигналов, пропорцинальных значениям функций вли чнияагревагелеи на зоны штампового набора, Второи вход - для прие,а сигнала, пропогционального температур окружаюц 1 ей среды, а третий вход свчзан с выходом блока ог 1 ределения мощностей нагревате. леи, при этом Выход его связан с Одним из Входов блока гравн .ия температур, второй вход которого пред, з чен для приема сигналов с Выхода ус 1 рсства измерения те 1 ператчр, э его выхо,. св 1 зан с одним из В кОДОБ блока прог(Озирова 11 ия тРмперд 1 ур, при эгом другои вход последнего предназн:1 чен для приема сигналов, пропорциональ 1 лх функциям Влияния, а третий .го вход для сигналов, пропорциональных темгературе окружаюцей среды, причем выход его в свою очеред вязан с одним из входов блока оценки рассо 1 ласования темпРра 1 ур Один и 1 ВхОдОВ которого предназначен для приема сигнала пропорциснального требуемои темперагуре ш 1 ампового набора. а выход связан с одним из входов блока определения мощности нагревателеи, при этом другой вход последнего предназначен для приема сигналов, пропорциочальных мощностям нагревателей, необходимых для поддержания требуемой температуры штамповогс набора в стационарном режиме а его чыход связан с входом блока прогнозирования температуры, а также с входом блока вычисл,ния темпесатур и с входами регуляторов питания нагревателей, выходы которых в свою очеоедь связаны с соответствующими нагревате 16213031627303 Составитель А,БыстровРедактор М.Бандура Техред М.Моргентал Карре ор А.Осауленко Т ССС Производственно-издательский комбинат "Пате жгород,ина,Заказ 304 ВНИИП Тираж 405осударственного комитета по изобретен 113035, Москва, Ж, Раушска Подписноеям и открытиям при Гнаб., 4/5