机械毕业设计10薄钢板矫直专家系统的设计

收稿日期 : 2003 - 02 - 25作者简介 : 历长云 (1978 - ) ,女 ,黑龙江虎林人 ,硕士生 .机械工程 文章编号 : 1000 - 1646 (2003) 04 - 0273 - 03薄钢板矫直专家系统的设计历长云 , 李英民 , 董丽萍(沈阳工业大学 材料科学与工程学院 , 辽宁 沈阳 110023)摘 要 : 将专家系统的理论应用到薄板矫直研究中 ,给出了钢板的矫直机理 ,分析了薄板矫直的几种方案 ,并据此采用了专家系统的辅助设计 ,给出了建立薄板矫直专家系统的程序框图 . 同时还给出了数学模型 ,论述了薄板矫直专家系统设计的功能及意义 .关 键 词 : 薄钢板 ; 矫直机 ; 矫直方案 ; 专家系统中图分类号 : TH 1321425 文献标识码 : A随着世界工业发展水平的不断提高 ,汽车行业的蓬勃发展 ,人们对板材的需求量急剧上升 ,尤其是薄钢板 . 据统计资料显示 ,20 世纪 90 年代 ,世界人均薄板消费量是 50 kg ,发达国家人均消费达 200 kg ,以发达国家消费趋势来看 ,我国薄钢板消费量处于急剧上升阶段 . 由于薄板加工简单 ,重量轻 ,可以承受较大的载荷 ,所以在工程上使用颇广 ,如建筑物的楼板、地基板、钢的腹板、水工结构的闸门、飞机机翼、船舶的外壳、集装箱、容器的底板等 . 由于不同部门对钢板的需求不同 ,尤其是汽车用薄钢板要求的品种范围广、规格幅度大、形状精度高、成形性能好、表面要求严 ,导致对钢板规格及型号需求的多样化 . 同时 ,对钢板的加工质量也提出了更高的要求 .钢板在轧制、冷却及剪切过程中 ,由于塑性变形不均、加热和冷却不均、剪切以及运输和堆放等原因 ,必然产生不同程度的弯曲、瓢曲、浪形、镰弯和歪扭的塑性变形 ,或内部产生残余应力 ,这在成为合格的产品之前 ,都必须采用矫直机进行矫直加工 ,矫正轧件形状和消除残余应力 . 这是一项繁杂的工作 ,对不同厚薄的钢板 ,矫直辊要有不同的压下量 ,不同的矫直力 . 为此 ,本文进行了薄板矫直专家系统的设计 ,该系统的开发将在很大程度上提高产品质量 ,同时还能在一定程度上提高钢板的生产效率 ,降低成本 ,其应用前景看好 .1 矫直机理轧件的矫直就是使轧件承受某种方式和一定大小的外力作用 ,产生一定的弹塑性变形 ,当上述外力去除后 ,在内力作用下又产生弹性恢复变形 ,直到内力达到新的平衡 ,得到所要求的形状 ,矫直过程 ,实质就是弹塑性变形过程 ,对于薄钢板 ,一般常采用多辊矫直机进行矫直 .111 多辊矫直机矫直机理对于理想弹塑性板带材 ,若经过第 i 辊时具有相对原始曲率为 Cr i ,相对反弯曲率为 Cp i ,则可确定其相对弹复曲率Cy i = 115 - 12 C2z i(1)式中 Cy i 为第 i 辊下的相对弹复曲率 ( Cy i =1 y i /1 j ) ; y i 为第辊 i 下的弹复曲率半径 ; j 为纯弹性变形时弹性极限弯曲半径 ; Cz i 为第 i 辊下的相对总弯曲曲率 , Cz i = Cr i + C i ;板材经过该辊后的相对残余曲率 Cs i 为相对反弯曲率 C i 和相对弹复曲率 Cy i 之差 .轧件矫直的基本原则是 :轧件经过反弯、弹复后的相对残余曲率 Cs i 为零 ,即反弯曲率 Cp i 等于反弯之后的弹复曲率 Cy i . 如果轧件弹复后还未被矫直 ,则此残余曲率 Cs i 即为下一次再弯曲时的原始曲率 ,即 Cs i = Cr ( i +1) .112 矫直方案的选择为了使板材矫直质量在现有的设备下得到很好的提高 ,对于不同缺陷 ,厚薄的板材 ,采用不同的矫直方案 .1. 2. 1 小变形调整方案这种调整方案的基本原则是 ,进入该辊的轧件 ,经过反弯及弹复后 ,其最大原始曲率应完全消除 . 为了能消除进入该辊的最大原始曲率 Cr o ,该辊的反弯曲率 C 应等于反弯之后的弹复曲率第 25 卷 第 4 期2 0 0 3 年 8 月沈 阳 工 业 大 学 学 报Journal of Shenyang University of TechnologyVol125 No14Aug. 2 0 0 3Cy ,即C = Cy = 115 - 12 ( Cr0 + C ) 2(2)11212 最小能量调整方案这种方案的出发点是轧件平直部分不产生塑性变形 ,故轧件平直部分内部不产生残余应力 . 采用这种调整方案时 ,各辊下的反弯曲率都是相等的 ,即等于最大的纯弹性弯曲曲率 1j如用反弯曲率 C 表示 ,则 C = 1 ,此时应有Cy = 115 - 12 ( Cr0 + 1) 2(3)11213 大变形调整方案由于相对总弯曲曲率 Cz 越大 ,因此相对弹复曲率的差值也越大 . 大变形调整方案就是根据这一特点来进行调整的 ,它在第二、三辊上采用很大的相对反弯曲率 ,使轧件各部分的相对弯曲曲率 Cz 均达到很大的值 ,则可使用相对弹复曲率Cy 接近于同方向的某一数值 ,这就可较迅速地将相对残余曲率减小 ,使整个轧件长度上几乎成为单值曲率 . 在第四辊或第五辊以后 ,轧件的相对反弯曲率逐渐减小 ,逐渐趋于平直 . 这种调整方案可消除一定的横向瓢曲 .11214 整体倾斜调整方案这种调整方案 ,主要是调整首、尾部压下量 ,其首部压下量使其相对反弯曲率 C = 3 5 ,尾部压下量的相对反弯曲率 C ( n - 1) = 1. 当确定第二辊及倒数第二辊 ( n - 1 辊 )上的反弯曲率后 ,就可按线形规律来确定其他辊子的反弯曲率 .2 薄钢板矫直专家系统的设计专家系统是一种典型的知识处理系统 ,它是把某个领域内专家的知识和经验加以总结、整理之后 ,编写成计算机职能程序系统 ,通过计算机进行知识信息的处理 ,来解决某些专业范围内的重要问题 ,从而起到人类专家的作用 .211 模型的建立由于板材矫直方案的不同 ,因此数学模型也不相同 . 根据不同方案中所求出的反弯曲率 ,可以求出矫直辊的压下量和矫直力 .21111 挠度的计算 i = F l3t6 EI + Ct 43 l3t - 3 lt + l3 lt 3 - 2 l/ lt - C0 l22 (4)式中 l 为辊距 ; lt = 2 s3 - 1 C2(弹性弯曲区长度 ,s = l/ 4) ; E 为被矫板材的弹性模量 ; I 为被矫板材的横截面惯性矩 ; F为压下力 ; Ct = M t/ EI (弹性极限曲率 ) ; C 为总的相对曲率 ; C0 为板材的原始曲率 ; M t 为板材纯弹性弯曲时的弹性极限弯曲力矩 . 知道了两上辊的压弯挠度 ,就可以求出它们中间下辊的压弯挠度 ,即 i - 1 = 12 ( i + i - 2) (5)21112 压下量的计算 i = 2 i , i - 1 = 2 i - 1i i - 2 = 2 i - 2 则 i - 1 = 12 ( i + i - 2) (6)式 (6)表明 ,相邻两个上辊压下量设定之后 ,它们共同下辊的压下量就可以求出 .21113 矫直力的计算每个辊子的矫直力为Fi = 2l ( M i - 1 + 2 m i + M i +1) (7)式中 M i = M t M 1 C ; M t = Zt t ( Zt =B H26 为弹性断面模数 , B 为板宽 , H 为厚度 ) , M为塑弯比 ; t 为板材的屈服强度 ; M i 为在第辊 i处材料所受到的弯矩 .212 程序设计框架该薄板矫直专家系统的设计原则是 :用户根据已知条件输入特定参数值 ,通过推理机 ,首先查找数据库 ,是否有完全匹配值 ,如果找到就直接调用现有值 ,如果有部分匹配值 ,则进行线性拟合或使用插值方法进行计算 ,如果没有匹配值 ,则进行方案选择 ,在最佳方案中求出压下量及矫直力 ,如果该求出量满足生产需要 ,则把以上参数值存储到数据库中 ,使机器具有自学习能力 ,框图如图 1 所示 .图 1 薄板矫直专家系统的程序框图Fig. 1 Block diagram of Expert System in level2ling thin plates472 沈 阳 工 业 大 学 学 报 第 25 卷3 结束语薄板矫直专家系统应用了人工智能 (AI) 技术 ,借助计算机仿学熟练技工的经验和知识 ,运用概率统计理论建立知识库 ,知识库内容不会因时间长短而丢失 . 凡是用到薄板矫直的地方都可无限制地、自动地增强知识库 ,可连续和重复利用数据库 ,可达到提高加工质量、效率、降低生产成本的目的 .参考文献 :1 崔甫 . 矫直理论与参数计算 M .北京 :机械工业出版社 ,1987.(Cui P. Levelling theory and parameter calculation M .Beijing :China Machine Press ,1987. )2 邹家祥 . 冶金机械的力学行为 M .北京 :科学出版社 ,1999.(Zou J X. Mechanical behavior of metallurgy Mechanics M . Beij ng :Science Press ,1999. )3 施鹏飞 ,姚远 . 人工智能教程 M .上海 :上海交通大学出版社 ,1993.(Shi P F , Yao Y. Artificial intelligence tutorial M .Shanghai : Press of Shanghai University of Communica2tion ,1993. )4 郑绍春 ,王呈方 ,胡勇 . 肋骨冷弯成形加工专家系统的研究 J .造船技术 ,2001 (3) :26 - 28.(Zhen S C , Wang C F. Research on expert system ofcold bending frame J . Technology of ManufacturingShips ,2001 (3) :26 - 28. )Research on expert system of levelling thin platesL I Chang2yun , L I Ying2min , DON G Li2ping(School of Materials Science and Engineering , Shenyang University of Technology , Shenyang 110023 , China)Abstract : Application of Expert System in levelling thin plates is introduced in this paper. The mechanismof levelling is given. At the same time ,Some levelling methods are analyzed and the CAD of Expert Systemis applied. Procedure and frame of Expert System of levell