（测试计量技术及仪器专业论文）基于机理的bp神经网络在电镦机中加热电流预报模型的研究.pdf

摘要摘要在气门生产中，电热镦粗这一工序的废品率占整个加工过程的5 0 左右，因此，气门毛坯的质量对整体产品质量起着举足轻重的作用，要想降低废品率，必须提高这一工序的产品质量。在电热镦粗成形过程中，镦粗速度、砧子速度、镦姐压力、加热咆流和预热氏度是影响气门毛坯质量的关键工艺参数。这些参数的选择是一个复杂的问题，其复杂性不仅在于不同的材料具有不同的力学、电和热传导特性，而且各参数相互影响、相互制约。另外，还有一些辅助参数。这些参数只有相互协调、相互配合，才能加工出合格的产品。在所有工艺参数中，加热电流是影响最大的工艺参数。因此，对电镦机中加热电流进行模型预报有着重要意义。本文从电热镦粗的塑性成形原理出发，讨论了工艺参数与产品质帚之间的关系，确定加热电流的计算方法，确立加热电流的数学模型。选取了激粗缸活塞运动速度、砧子缸活塞运动速度、镦粗压力作为输入参数，加热电流作为输出参数，并用数学模型、b p 神经网络、加法网络、乘法网络以及神经网络与机理模型综合集成的五种方案来对加热电流进行预报。该课题完成可直接用于生产为研制新一代智能电镦机打下基础。本文共分四章第一章是国内外研究动态及文献综述，包括课题来源、意义及土要内容；第二章介绍电热镦粗的工艺过程及自动控制系统的硬件结f j ；j ：蒴三章论述了加热电流的预报理论首先介绍数学模型的建立方法：然后阐述神经网络的基本知识、b p 算法以及b p 网络的设计等：最后介绍神经网络与数学模型相结合的算法。第四章详细阐述预报理论的具体实现方法、仿真结果分析及加热电流的在线控制方案的探讨。通过对上述五种模型的研究，创造性提出了神经网络与机理模型综合的方法，该方法将解析模型的知识集成到神经网络的结构中，使网络权值大大减少训练速度和非线性逼近精度以及泛化能力大大提高。应用于电热镦机的加热电流的预报中，取得很好的效果。! ：查兰兰奎兰三兰堡圭兰篁篁圣关键词：电热镦粗工艺参数：加热电流：b p 神经网络：数学模型：综合集成神经网络：预报【ia b s t r a c ti nt h ep r o d u c i n go ft h ev alv e ，t h ed is c a r d i n gf a t ei ne l e c t r i cu p s e t t i n ga c c o u n t sf o r5 0 o ft h a to fw h o l eo f o c e s s ，t h e r e f o r e 。t h eq u a l i t y0 ft h ea irv a lv er o u g h c a s tt ot h a to ft h ew h o l ep r o d u c tf is e st h ep r o m i n e n tr u n e t i o n ，a n dino r d e rt od e c f e a s et h ed is c a r d in gf a t e w em u s ti m p f o v et h eq u a t y0 fr o u g h c a s t 【nt h ec o u f s e0 ft a k i n gs h a p e l ye l e c t r i cu p s e t t i n g ，t h ev e l o c i t i e so fu p s e t t i n gc y l i r i d e ra n d & n v i lc y l i r i d e r ，u p s e t i n gp r e s s ，h e a t j n gc h f f e n ta n dp r e h e a i n gl e n g t ha r et h ek e yp a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fa i rv a l v er o u g h c a s t t h ed e t e r m i n a t i o n0 ft h o s ep & f a m e t e r si sc o m p l e x b e c a u s ed i f f e f e n tm a t e r i a l sh a v et h ed i f f e t e n tm e c h a r t i c s e l e c t r i ca n dt h e r m alc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h ep a f a m ec e r sa f ei n t e r a c t i o n & lt o g e t h e rw i t hi n t e r c o n d i t i o r a l b e s i d e s t h e f ea r e0 t h e ra c c e s s o f i a lp a r a m e t e f s o n l yo nt h ec o n d i t i o nt h a ta 儿p a e a m ec e r sc o u l db em o d e f a c e d ，m a t c b e dw i t hm u t u a l i y ，c a nw ep r o d u c et h eq u a li f ie dp r o d u c t a m o n gt h ew h o l ep a r a m e t e f s ，h e a t i n gc u f f e n ti st h em o s ti m 口o r t a n t s oi tiss i g n i f i c a n tt h a tp r e d i c tt h em o d e lo fh e a t i n gc u r r e n t b a s e do nt h ep r i n c i p l e0 ft a k i n gs h a p e ，t h isp a p e rd i s c u s s e st h ee f f e c t s0 fp a f a m e t e f so np f o d u c tq u a l i t y ，p u t sf o r w a r dt h ec o m p u t i n gm e t h o d0 fh e a t in gc u f f e r t d e d u c e sm a t h e m a t i c sm o d e l o fh e a t i n gc u f f e n t f u r t h e t m o f e t h ep r e d i c t i o nm o d e la r ea ls oe s t a b li s h e db ye m p i o y i n gs u c hf o u fp f o j e c t sa sb pn n ，b pn n + m a t h e m a t i cm o d e l ，b pn n m a t h e m a t i cm o d e l ，s y n t h e t i cm e t h o d0 fn e u r a ln e t w o r ka n dm e c h a n i s t i cm o d e l v e l o c i t i e s0 fu p s e t t i n gc y l i r i d e ra n da n v i lc y l i r i d e r p r e s s u r eo fu p s e t t i n gc y l i n d e ru s e da si n p u tp a f a m e t e r s h e a t i n gc h r r e n tw a sa st a r g e tp a r a m e t e f t h ef e s u l ts0 ft h er e s e a r c hc o u l db ea p p l i e dt om a n u f a c t u r i n gp r a c t i c ed i r e c t l y a n da d v a n c ed e v e l o p i n go fi n t e l l i g e n c ee l e c t r i cu p s e t t i n gm a c h i n e t h e r ea f ef o u rc h a p t e r si nt h isp a p e r i nt h ef i r s ts e c t i o n i s三查三些奎耋三兰堡圭耋堡里塞t h ed e s c r l p t l o no fr e s e a r c hr e c u r r e n ts i t u a t i o na n ds o m ed o c u m e n ts i n c l u d i n gt h eo r i g i no ft h et a s ka n dt h es i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c h t h es e c o n ds e c t i o nd e s c r i b e st h ep r o c e s so fe l e c t r i cu p s e t t i n ga n dh a r d w a r eo fa n t o c o n t r o ls y s t e m t h et h i r ds e c t i o nd e s e t i b e st h ep r e d i c t i o nt h e o r yo fh e a t i n gc u r r e n t ，w h e r em e t h o do fe s t a bli s h i n gm a t h e m a t ic sm o d e lisi n t r o d u c e d t h e nb a s i ck n o w l e d g eo fn e u r a ln e t w o r k 。b pn e t w o r ka n di tsi e a r n i n gm e t h o d s a n db pn e t w o r k sd e s i g n i n ga r ed e s c r i b e d l a s t l y ，t h es y n t h e t i cm e t h o do fb pn e u r a ld e t w o r ka n dm a t h e m a ti c sm o d e liss h o w n t h el a s ts e c t i o ni n c u d e st h ea p pl f c a t t o no ft h em o d el s t h es i m u a t o nr e s u l tsa n dt h ed is c u s s i o no no n 一1 i n ea p p l c a t i o nt e c h n o l o g yo fp r o p e r t yh e a t i n gc u r r e n tp r e d i c t i o n ，al i e ws y n t h e t i cm e t h o do fn e u r a lf i e t w o r ka n dm e o h a n i s t i cm o d e li sc h o s e na m o n gt h ef i v em o d e lsa b o v e t h i sm e t h o di n t e g r a t e st h em e c h a n is t i cm o d e lk n o w l e d g ei n t ot h en e u r a ln e t w o r ks t r u c t u r e ，w h i c hc a nr e d u c et h en u m b e ro ff i e t w o r kw e i g h t i m p r o v et h el e a r n i n gs p e e d ，n o n l i n e a ra p p r o x m a t i o nd r e c is i o n a sw e a sg e n e r a i z a t i o np e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k a n dt h es u p e fd u p e re f f e c tc o u l db ea c h i e y e di fi tise m p l o y e dt op r e d i c tt h eh e a t in gc u r r e n to fe le c t r i cu p s e t t i n g k e yw o r d s ：b l e c t r o n i cu p s e t t i n g ：p r o c e s sp a r a m e t e r ：h e a t i n gc u r r e n t ：b pn e u r a ln e t w o r k ：m a t h e m a t i c sm o d e l ：s y n t h e t i cn e u r a ln e t w o r k ：p r e d i c t i o n v符号主要符号名称镦粗缸的运动速度砧子缸的运动速度镦粗速度预热长度棒料直径棒料半径加工工程中蒜头的动态半径加工工程中蒜头的动态电阻镦粗压力屈服极限温度为t 时的屈服极限窀温时的屈服极限时间应变速率材料密度变形温度v靴一一一一。c =删胁。一姆。，b见pt听，g靠广东一业大学工学硕士学位论文瓦c pp室温材料的比热材料的电阻率vo cj x g , kq 第一章绪论1 1 课题研究的目的及意义电热镦粗是给金属棒料通以低电压大电流，利用金属的电热效应，使其加热到塑性变形温度，在外力的作用下进行局部镦粗过程。它是一种无切削先进工艺，国外已广泛用于拖拉机、汽车、摩托车、坦克、内燃机车、快艇、飞机、机械等制造工业。国内自六十年代开始应用在气门加工行业。气门是内燃机的重要部件，经调查我国大部分的气门生产都是采用电热镦粗工艺。联邦德国是利用电热镦粗工艺最早的国家。法国、捷克、美国和日本也生产电镦机。电热镦粗这种工艺不仅可以减少成形工艺工序，实现节能节材的目的，同时具有生产效率高、成本低、周期短等优点，具有广泛的应用前景。与多工位成形( 如平锻) 相比，电热镦粗工艺有以下优点：( 1 ) 工效高，一次成形就能获得很大的变形量，而平锻往往要3 4 个工步才能达到：( 2 ) 设备造价低，投资少：( 3 ) 仅在镦粗部位进行局部电阻加热，能耗低，氧化损失也小，终锻模寿命长：( 4 ) 劳动条件好。尽管电热镦粗有种种优点，但亦存在自身的不足，主要是成形过程较复杂，影响的因素较多，质量不易保证。电热镦粗这一工序的废品率占整个加工过程的5 0 左右，一些厂家电热镦粗工序产品废品率高达5 - 1 0 ，造成了极大损失，如果能提高电镦机的控制水平，降低废品率，其经济效益将会十分显著。以汽车发动机气门制造为例，以一台电镦机两班制计算，若能使废品率降低3 个百分点，一年仅节省钢材就超过5 0 万元。电热镦粗工艺作为一种新工艺，它的整个过程是集凝固、热传导和大塑性变形为一体的复杂变形过程，其内部始终有液态和准固态金属。与常规的塑性加工过程有很大区别。其中，镦粗速度、镦粗压力、镦粗温度、加热电流和镦粗时间是影响成形工艺质量的关键。尤其是加热电流是影响最大的工艺参数，因此对电镦机中加热电流进行模型预报有着重要意义。1 2 国内外研究现状电热镦粗工艺自应用于实践以来，人们对它的成形机理、工艺过程和制作方法进行了大量研究。何洪波曾把镦粗过程分成始镦、镦粗和终镦三个阶段进行分析，主要包括镦粗过程中的金属的流动、电阻的变化、温度的分布和电镦件的主要缺陷成因和消除“1 。俄罗斯的r tetepmf i 等人研究了变形温度是影响电镦质量的关键因素，曾提出控制变形温度来保证加工质量的理论。尹希猛等人把电热镦粗过程分成始镦阶段和终镦阶段，直观地分析了镦粗缸活塞运动速度、砧子缸活塞运动速度、镦粗压力及加热电流等参数对产品质量的影响作用”1 胡亚明等总结了加热电流、镦粗温度、顶镦力、加紧电极夹紧力、毛坯长度等电镦工艺参数的估算方法，并介绍了预热长度、加热电流、镦粗力、镦粗速度等工艺参数的调整经验”3 。锻压手册、锻压技术手册和锻压技术数据手册都提出了各自的电热镦粗工艺参数计算方法“5j 【“。广东工业大学的刘天湖、孙友松等人在发动机气门电热镦粗工艺参数分析与计算中分析了电热镦粗的工艺过程以及各工艺参数的作用，推导了各参数的理论计算方法”1 燕山大学的段新建和聂绍珉在圆柱体平板镦粗工艺参数的优化研究一文以刚粘塑性有限元为分析手段，运用改进的约束变尺度法对大型锻件平板镦粗时的工艺参数进行优化研究，其结果对于选择工艺参数具有重要的指导意义”3 。在镦粗成形理论方面，詹艳然、王仲仁等人采用有限元技术和数值分析的方法对圆柱形坯料的镦粗过程进行过研究。1 ，认为在坯料的不同位置产生塑性变形的时刻是不同的，变形的分布也是不均匀的：镦粗较短的圆柱形时坯料中心及对角线附近区域的金属始终保持继续塑性变形的势头，而镦粗较长的圆柱时变形前期塑性变形区迅速由坯料中部向两端移动和扩散，中部金属的应变速率逐渐降低，结果坯料两端金属沿直径向外流动较多而出现双鼓形。电镦工艺中的热学过程亦是一个十分重要的问题。产生废品的原因都直接或间接与温度有关，因此，工件温度是电热镦粗工艺过程中一个最重要控制变量。东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的高德福等人对电热镦粗工艺中的通电加热机理进行了理论推导，建立了非稳态、有内热源及变化电阻率的导热微分方程，并采用付利叶变换进行了定解问题的求解“。才金正等人就钛合金棒料局部加热、局部成形问题采用有限元技术模拟了加热过程中的热应力场，讨论了温度场对钛合金内部热应力的影响，认为这种局部加热过程产生的热应力非常小，不会产生热裂缺陷“。邝卫华等人针对电镦成形，提出了一种变体积镦粗算法，通过有限元程序对电镦成形工艺进行理论分析，并针对不同工艺参数对成形的影响做了对比分析，为后续成形工艺的控制提供理论依据“。娄臻亮等人在基于p i d 调节的多层前馈网及其应用研究一文中介绍了多层前馈网的基本算法及其在镦粗压力计算中的应用。针对其基本学习算法( 反向误差传播算法，b p 算法) 存在的收敛速度慢和易陷入局部最小值的问题，提出了基于p i d 调节的b p 算法，由此建立起镦粗压力计算的神经网络知识库，经过测试集考核证明，该模型算法正确，能有效地提高模型的判别精度“。并在模糊神经网络及其在镦粗过程中的应用中，提出了一种新的模糊神经网络模型，将该模型应用于镦粗压力计算中，在测试集中其模拟精度达到了较好的水平。更重要的是还可获得高效的模糊规则，为解决神经网络应用于知识系统的知识获取一条有效的途径“。张兴全等人在基于有限元和神经网络的缺陷预报中建立了多孔材料镦粗成形过程中鼓形表面出现裂纹的缺陷诊断系统。获得了多孔体材料在镦粗成形过程中出现裂纹的极限工艺参数。以有限元数值模拟结果作为学习样本，利用人工神经网络建立了缺陷预报系统“。利用该系统的推广能力，获得了多孔体材料在镦粗成形过程中出现裂纹的极限工艺参数。韩国釜山国立大学的d j k i m 和b m k i m 成功地实现了用三层b p 网络消除电镦工件的外形缺陷和塑性裂痕的预报。结果表明，b p 网络在缺陷预报、参数预报等方面具有重要的应用价值。1 3 研究课题的来源、研究方法及主要内容项目来源：广东省自然基金项目“电镦成形机理及其工艺过程最优控制的研究”从金属塑性成形原理、传热学和金属的电热效应出发，对电热镦粗的工艺参数进行推导，建立镦粗过程中的关键参数加热电流的数学模型。在模型结构形式上采取些简化措施，尤其是镦粗半径的选择按数值分析的方法进行线性化，另外还有些经验参数取值范围较宽，由于过程本身的复杂性以及一些未建模因素的影响，决定了数学模型的不完整性，因而一般不能对客观对象提供精确的描述，所以用前面推导的公式不能提供足够精确的近似值。神经网络具有容错性、自学习、自适应和非线性映射能力，特别适合于解决因果关系复杂的推理、辨识和分类等问题。为此提供了一条解决途径，本文以选取镦粗缸的速度、砧子缸的速度、镦粗压力，加热时间作为输入参数，加热电流作为输出参数，建立电镦工艺参数加热电流的三层b p 神经网络预报模型。但是由于神经网络的隐层数和隐层单元数的确定尚无理论根据；其泛化能力和网络结构之间的关系有待于研究；神经网络的训练样本选择以及需求量大，特别是当网络的输入较多时，由于训练样本的增加，网络结构的复杂化，使网络的训练过程成为一件耗时的工作；一个训练好的网络，尤其是当训练样本较少时，不一定在非样本点都有较小的误差，这时神经网络未必比数学模型有更高的精度。这是由于除了神经网络设计理论还不完善外，同时神经网络把过程看作一个“黑匣子”，而完全放弃了解析模型对过程机理的揭示。本文最后一种算法是根据过程机理建立数学模型和b p 神经网络结合的模型，它一方面集成了数学模型的知识，一方面又充分发挥了神经网络的非线性映射能力和人们对过程知识的长期积累。实验数据证明，该种方法训练样本点误差减小，在测试点平均误差明显减少，实现了高精度逼近实际的加热电流。并且能大量减少连接权数，提高网络的训练速度，使网络的泛化能力大大增强。应用于电镦机的加热电流的预报中，取得很好的效果“。主要内容：( 1 ) 电热镦粗的工艺过程与电热镦粗的自动控制系统的硬件实现。4( 2 ) 从金属塑性成形原理、传热学和金属的电热效应出发，对电热镦粗的工艺参数进行推导，建立镦粗过程中的关键参数加热电流的数学模型。( 3 ) 采用b p 神经网络方案对电镦机的加热电流的预报模型进行研究。( 4 ) 采用加法网络、乘法网络以及b p 神经网络与数学模型综合集成的方法对电镦机中的加热电流的预报模型进行研究。1 4 课题的创新之处创新：l 、提出了用人工神经网络进行镦粗工艺参数一加热电流的预报。2 + 、将数学模型与神经网络综合集成用于加热电流的高精度预报。广东i _ j j k 大学工学硕士学位论文第二章电热镦粗的工艺过程及其自动控制系统的硬件实现本章研究的主要内容：电热镦粗的工艺过程和自动控制系统的硬件实现。2 1 电热镦粗的工艺过程”7 1电热镦粗的工作周期分为预备阶段、电镦阶段和结束阶段三个阶段。而电镦阶段又细分成预热阶段和镦粗阶段，图2 一l 显示了这一周期性的过程。电热镦粗周期预备阶段电镦阶段结束阶段预热阶段镦粗阶段jl ijl1r 1 1 r 1 1r开始上料开始预热开始镦粗结束镦粗结束并返回2 1 1 预备阶段图2 1 电热镦粗成形过程周期示意图f i 9 2 - 1t h ec y c l eo fe l e c t r i c a lu p s e t t i n gp r o c e s s预备阶段主要是上料、夹紧，在此阶段导电夹持缸活塞、主夹持缸活塞和辅助夹持缸向前运动，把棒料夹紧，然后镦粗缸活塞向前运动，最终把棒料顶紧。结束时导电持缸、主夹持缸、辅助夹持缸、镦粗缸和砧子缸的油压上升至规定值。第- - 章电热镦粗的工艺过程及其自动控制系统的硬件实现2 1 2 电镦阶段析。图2 2 预备阶段f i 9 2 - 2p r e p a r i n gs t a g e电镦阶段是通电镦粗的过程，为了便于计算，把该阶段分成两个阶段进行分( 1 ) 预热阶段主夹持缸辅助夹持缸图2 - 3 预热阶段f i 9 2 - 3p r e h e a t i n gs t a g e该阶段为第一阶段，加热电路继电器闭合。由次级线圈、砧块电极、毛坯和广东工业大学工学硕士学位论文导电夹持缸构成的次级回路通电，棒料的左端端部在大电流作用下自身电阻发热，直至棒料左端材料加热到变形温度。( 2 ) 镦粗阶段镦粗阶段又分第二和第三阶段。主夹持缸辅助夹持缸图2 - 4 镦粗阶段f i 9 2 - 4u p s e t t i n gs t a g e生夹持缸辅助柬持缸3 8 0 v图2 - 5 结束阶段f i 9 2 - 5f i n i s h i n gs t a g e第二阶段镦粗缸活塞和砧子缸活塞分别以速度v 。和v ：向左运动，其中砧子缸活塞向左运动的主要目的是在通电夹持缸与砧子之间留下足够空间给“蒜头”长大。镦粗缸活塞向左运动的主要目的是把冷料加入成形区间。进入成形区间的冷料在大电流的作用下迅速加热，达到变形温度，在镦粗压力的作用下镦粗，使蒜头长大。第三阶段镦粗缸活塞以速度v 向左运动，砧子缸活塞停止即v ，= 0 ，到达一定尺寸时镦粗缸也停止运动，该阶段结束，加热电路继电器断开，导电夹持缸、主夹持缸、辅助夹持缸和镦粗缸后退松开。2 1 3 结束阶段电镦阶段结束后，各工作缸返回到初始状态。2 2 硬件电路实现2 2 1 电镦机控制系统的硬件结构n 盯该系统由研华5 8 6 工控机和p l c 组成两级系统，整个系统的硬件结构图2 - 6所示。工叫：l- l = ：= r _ 电一电流，压力，速度一控i _ 一a d | i 传感变避f 镀一机机图2 - 6 电镦机控制系统的硬件原理图f i 9 2 - 6s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h ee l e c t r i c a lu p s e t t i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m工控机为测量控制的核心来控制整个系统的测控工作，它作为上位机，存储系统的最优参数、控制规则等，在镦粗时运用最优参数对系统监测与控制。f x 。一8 0 m r 型p l c 作为下位机，实现顺序逻辑控制。主要用于控制镦粗缸、砧：奎三些查兰三兰耋圭兰竺鎏銮c o m 6l h lp l c 媾行2 h l 油泵卸荷3 h l 加 自4 h l 爿黧静l 控ak k i _ _ - - 一x 1y 3 i 091 粪；薹6 h l 两 子预热| 动?褂嘎：i _篓y31x3灯墼乌? = - 鬻j 铀y 3 2运行一1 垂鲁- jy 3 4譬鳟鳕嚣乍一! 墅警= 嚣i ：j。y 塑3 5 i8 h l 砧譬_ 盼挂缸前进璺黯，。辽鬟嚣董。爹，y 。3 6 。漂誉7 h l 予后退j8 h l t 9 h b ，翻龃甸濂i) h l 誊饕艚t 拄t 4i h l 上辅央持缸：l 下辅夹持缸：缸盲盼挂囊“鐾分盲i 鬻x i i i ： ；誊i ? 攀iwx 蔓1 3 h l 故障缸后退! 蛩4 _ 羔i 寺自r i l 孽进 q 孕_ _ _ _ - i 二立持缸詹退i 錾卜- 言j x l 4葫；夹持缸前进1 ；朝- =篡y 4 4兜持缸后退l 朝- - 苫夹持缸前进竖譬 _j x 1 7 c o m 3i _ i _ _ _ _ i t鹘j 亭缸前进央持缸詹退l 墨霹_ _ _ _ - 嚣o x 2 0l 缸n 位。x j 2 置y o：缸移动到粒，“一x 2 2：j ；| ；| ；l ；l _i砧乎缸席退夹持缸m 逝一o ；x 2 2 y 1夹持缸像x 2 4r oi - _ _ _ - d _ 莹t，到开始加电_ _ _ 茹o x 2 5y 2_ l _ _ _ _ v l 。笺缴粮1 8 f 蕾后堪 ； ；电故障互磊露x 。2 6? ： ：。二；：；i _ 0l 鹾肾锻曛醢箭进：x i 2 7y ：3 ；蜊串缸到位- 叠。；0x 3 0r 摹_ 1 r馓粗缸虹件u 位基缸原位o 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镦粗杆碰到上辅助夹持缸接触开关，上辅助夹持缸放松，镦粗杆继续前进，镦粗杆碰到下辅助夹持缸接触开关，下辅助夹持缸放松，镦粗杆继续前进，镦粗杆碰到主夹持缸接触开关，主夹持缸放松，镦粗杆继续前进，导电夹持缸继续夹紧) ，当镦粗杆达到设定位置时，变压器断电，加热停止，所有夹持缸放松，镦粗杆快速后退到设定位置，一个工作循环结束。半自动：机器只进行一个工作循环，工作步骤与手动一样，只是由计算机自动执行动作( 下辅助夹持缸及上辅助夹持缸是否工作须根据工件长度设定) 。若要继续工作须按工作按钮，每按一次工作按钮，机器进行一个工作循环。全自动：只要按工作按钮后机器连续不断的工作。工作步骤与手动一样，只是由计算机自动完成( 下辅助夹持缸与上辅助夹持缸是否工作须根据工件长度而定) 。只有按工作停止按钮或切断总电源时才停止。根据整个电镦生产工艺控制过程进行i o 分配，其i o 分配图如2 7 所示。另外，还有传感器与变送器、d a 、a d 、数字i o 卡和执行机构等。a d 模块采用研祥p c l 一8 1 3 ，它是1 2 位3 2 通道逐次逼近a d 转换器，具有可编程增益控制，提供d c d c 集成转换器、带光电隔离的采集卡；d a 模块采用两块p c l 7 2 8 ，它是1 2 位2 路光电隔离的模拟量输出模块；i 0 模块采用p c l 一7 3 0 ，它是一个带光隔的1 6 个数字i o 卡，提供光电隔离的数字输入和输出通道以适应工业环境的要求。另外，还有不带隔离的1 6 个数字输入和输出通道。为了提高抗干扰能力，在硬件电路中每一个数字采集通道都加入一个如图2 8 所示的r c 滤波器，在软件中设计了数字滤波器。兰三些奎兰三兰至圭兰堡鎏兰图2 8r c 滤波器f i 9 2 8r cf i l t e r2 2 2 速度、压力和加热电流的控制方法”刀2 2 2 1 加热电流加热电流是影响电镦毛坯质量的关键参数之一，我们采用了变周期过零触发电路，通过改变定周期内晶闸管导通的周波数，实现交流调压。由于电镦机由加热变压器提供加热电流f ，这样，可采用调节加热变压器初级电压的方法来调节加热电流。该电路由同步变压器、变周期过零触发电路、双向晶闸管、保护电路和智能控制电路等组成。通过调节变压器的初级电压、电流的大小来间接调节加热电流。并用霍尔电流传感器作为检测器件，实现电流和温度的计算机智能控制系统。2 2 2 2 压力压力也是影响电镦毛坯质量的重要参数之一，电热镦粗必须把压力控制在一定的范围内，系统压力的控制元件为比例压力阀。压力控制回路采用溢流阀、压力传感器与变送器、a d 和d a 转换器、电磁比例调压阀、智能控制器组成。微机根据传感器获得的实际压力值和自学习控制算法，实现对电镦过程中的系统压力的自动跟踪控制。压力控制系统原理如图2 - 9 所示。塑三兰皇垫墼堡竺三堇苎堡垒苎窒垫丝型垂竺墼堡丝窒塑图2 - 9 压力控制系统原理f i 9 2 - 9s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fs y s t e mp r e s s u r ec o n t r o2 22 3 速度控制速度控制包括镦粗缸活塞运动速度控制和砧子缸活塞运动速度控制等。这两项是影响镦粗质量的关键因素。设计不同的镦租缸活塞运动速度与砧子缸活塞运动速度组合可获得不同的镦粗形状。速度控制回路采用电磁比例流量阀、位移传感器与变送器、智能控制器等组成。其中，电磁比例流量阀是速度控制的执行单元；智能控制器包括c p u 、a d 和d a 等模块；为保证速度控制精度，采用位移传感器作为位移、速度检测器件，构成闭环控制系统。总之，工控机根据霍尔电流传感器、压力传感器、位移传感器获得的实际电流、压力、位移和速度值，与给定运行值进行比较，运行内部的自学习控制算法，实现对电镦过程中工艺参数的自动跟踪控制“。广东工业太学工学硕士学位论文第三章预报理论本章首先根据电热镦粗的塑性成形原理、传热学和金属的电热效应，确定电热镦粗工艺参数的计算方法，建立加热电流的数学模型。然后阐述神经网络的基本知识，介绍b p 网络及其学习算法，b p 网络的设计等：最后介绍神经网络与数学模型相结合的算法。3 1 加热电流的数学模型的建立n 3 1 1 预热长度口、镦粗缸运动速度v 。和砧子速度v 2预热长度口影响镦粗质量和镦粗部位的形状，根据金属塑性成形原理，当锻件的长径比大于3 时，成形后工件将成哑铃形甚至镦弯。当预热长度过短时可能造成端部烧损。预热长度的经验取值为0 7 5 d a 2 d 时，口段加热镦粗后，新的部份金属滑动过来但来不及加热至塑性变形温度，需要再过一段时间后才能镦粗，这时形成两段镦粗区，而且在第一个加热段与砧座相接触的工件端部由于温度较低形成冷夹层，使锻件晶粒不均匀，有时形成黑心，也易引起弯曲和偏歪。v = v l 一为电镦速度，它影响生产率、成形的温度和质量。v ，的大小必须与电镦机的功率、加热电流和棒料直径相匹配。v ，和v ，的大小还会影响到镦粗部位的形状。镦粗部位的可能形状有3 种类型，即球台形、长球台形及扁球台形。3 1 2 镦粗温度丁和镦粗压力p一般来说，镦粗温度过低时材料的塑性差，易产生碎晶，甚至镦裂。但过高的变形温度则将导致晶粒粗大，产生过热，甚至过烧。因此镦粗温度是决定镦粗质量的关键工艺参数之一。它的控制精度要求也很高，据r n tetepnh 等人研究，某些钛合金的最佳镦粗温度范围只有1 0 0 c 。影响t 的因素包括加热电流和镦粗速度等，实际生产中通过对变形速度和加热电流等工艺参数的协调控制来实现变形温度的控制。目前，国产电镦机工作压力的设定比较粗糙，仅考虑满足工作中最大工作负荷，即确定液压系统最大工作压力。电镦机液压系统的实际工作压力取决于工件的变形抗力，而变形抗力又由材料种类、坯料直径、变形速度和变形温度决定。正确地控制镦粗压力可确保工件在锻造温度范围内成形，从而获得满意的产品质量，据r h terephh 等人研究为了获得合适的钛合金组织，变形力的波动值须控制在2 以内。采用滑移线法可求得变形应力为：q = 2 k ( 1 + z 、其中：争五 o( 3 1 )因此镦粗压力为：p 。= z r 2 q = 2 z 譬七( 1 + a )( 3 2 )式中：材料的特征值为k 2 ，当，2 = k 2 时为塑性状态。根据实际观察“蒜头”颈部区域温度往往最高，应该进行控制，其原因在于该区域变形最大，机械能转化为热能主要在该区域进行，同时与蒜头部分相比，电阻较大，电阻发热也较大。因此，取p 。作为求解镦粗压力的公式。在镦粗时材料只受压应力的作用，根据m i s e s 准则：在单向应力状态时j 2 = = 1 仃。2( 3 3 )因此：。万1 以( 3 - 4 )广东工业大学工学硕士学位论文金属材料的变形抗力等于盯，它取决于变形温度和应变速率，根据金属压力加工原理，随着变形温度升高，塑性抗力减小，变形抗力随温度升高按指数曲线减小可以表示为：听= 0 7 - o e 4 7 “7 ( 3 5 )式中1 3 一一温度系数。另一方面，高于再结晶温度时，变形抗力主要受应变速率的影响，可表示为下式：盯r o = c ( s ) ”( 3 6 )式中c ，m 一一经验常数。联立( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 得p ，= m - z q = 2 n i ( 1 + 五)砌譬c 删去c 南叫儡( 3 7 )应变速率为：；：堕”璺( 3 8 )rd t式中：r ，为镦粗过程中蒜头的半径，r 为棒料的初始半径。d r f出_ lv a 2箨d 2 + - 8 辟，若能检测或求解应变速率和镦粗压力，可求出材料的实时变形温度。检测系统实时检测镦粗压力、镦粗缸速度和砧子缸速度，计算出颈部应变速率；，由此间接推算出工件的最高温度t 。再调节镦粗缸速度、砧予缸速度或加热电流，即可实现对变形温度的控制。1 6第三章预测理论3 1 3 加热电流i电镦过程要把冷料加热到镦粗温度，在镦粗阶段电能和机械能都转化成热能，在加热过程中伴随着散热。根据传热学原理建立数学模型进行分析后发现传热损失很小，可忽略不计，因此只需考虑电热能和机械能的作用。( 1 ) 材料升温所需热功率。把材料加热到变形温度丁所需的功率为：, 4 2i = 厅- 二_ p 。c p - ( v l v 2 ) - ( t r o )( 3 1 0 )其中：c 。为材料比热，p 。为材料密度。( 2 ) 机械能转化的热功率，机械能转化为热能的功率等于镦粗压力与镦粗速度的乘积n 2 = p l v = p l - ( v l v 2 )( 3 1 1 )( 3 ) 电能转化为热功率，棒料本身有一定电阻，在通电时产生的热功率为：n 3 = i , 2 r ，式中：r ，为工件加工过程中的电阻( 3 1 2 )( r f = r i + r 2 ) ，r l 一棒料电阻( 欧姆) ，r ，一工件与砧块及工件与夹持电极之间的接触电阻( 欧姆) ，当温度大于6 0 0o c ，接触电阻等于零，因此，镦粗阶段近似等于零。r ，= b 孚( 3 1 3 )a ，式中：，一电极间棒料长度，彳，一导体截面积在2 0 0 c 一1 0 0 0 0 c 钢材的电阻率满足p r = p 2 0 1 + 口( r 一2 0 ) ( 3 1 4 )其中：p 2 0 为2 0 。c 时材料的电阻率，口为温度系数( 合金钢口= 0 0 0 1 0 0 0 2 ) 。在镦粗阶段蒜头大部分区域都处于始镦温度和终镦温度之间，但“蒜头”与夹紧电极之间的区域则存在较大温度梯度。为便于分析，把“蒜头”与夹紧电极之间的区域看成温度呈线性分布，“蒜头”的体积近似等于球台体积，从而可计算出“蒜头”的r ，1 7广东工业太学工学硕士学位论文耻肚署= 者4 a 一。哥p 。( 3 1 5 )其中：口为镦粗棒料的预热长度，d 为镦粗的棒料的直径，r 为球台的半径，, o r 为温度t 时的电阻率。根据能量守恒定律n 。= 2 + 3由式( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 5 ) 可求得：t = 辱而慨3 1 4 预热电流及预热时间在刚开始加热阶段接触电阻较大，随着加热的进行，触点很快被压塌，表膜被破坏，接触面积迅速增大，接触电阻迅速减小，此时主要在工件与砧座和夹头之间的接触部位产生热量，该区域散热容易。随着加热的进行，材料温度上升，电阻率增大，因而电流减小，终了时最先加热区域材料达到塑性变形温度。在变形初期棒料的电阻为= 寿p ( 3 - 1 7 )因此预热阶段的预瓤电流可参考变形初期的加瓤百流迸行设定。厂r 一k 1 毒n 1 - n 2 ) 1 8 在预热期间要把镦粗前两电极通电长度为口的材料加热到变形温度，通电时间应满足：石譬饥州丁一t o ) c ，石r 尸m + 口【l p( 3 1 9 )3 1 5 结论( 1 )电镦工艺的基本参数有：镦粗压力、镦粗缸速度、砧子缸速度、加热电流和预热时间等。( 2 )由镦粗温度与变形抗力、应变速率之间的关系，通过检测实时镦粗压力和镦粗速度可间接求出材料的实时变形温度。然后通过调节加热电流或镦粗速度，实现变形温度控制。( 3 )电热镦粗次级电流的选择主要依据材料升温所需热功率、机械能转化的热功率和加热部分材料的电阻等。3 2 人工神经网络理论人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是智能科学中的前沿热点，由大量的简单处理单元( 神经元) 互相连接而形成的复杂网络系统，是对大脑神经网络系统的简化、抽象和模拟。它用非线性处理单元来模拟生物神经元，用多层、多个处理单元的网络构成一个大规模并行的非线性系统，适合于表达多影响因子的非线性复杂因果规律。神经网络可以在不建立数学模型的条件下，通过训练学习建立输入集与输出集之间的映射关系。特别适合于处理需要同时考虑许多因素和条件的不确定以及模糊的信息问题。近年来，对神经网络方面的研究受到愈来愈密切的关注，已用于模式识别( 目标检测与识别、指纹识别) 、图像处理、控制和优化、地震风险预报、军事、药学、金融、石油工程、材料工程等诸多领域，并在其应用中获得了引人注目的成果。3 2 1 人工神经网络简介及特点3 2 1 1 人工神经网络简介神经网络理论的探索性研究开始于2 0 世纪4 0 年代，1 9 4 3 年美国心理学家m c c u l l o c h 和数学家p i t t s 首次提出形式神经元的数学描述与结构方法，即m - p广东工业大学工学硕士学位论文模型，1 9 4 9 年心理学家h e b b 根