专利名称：一种自动化锻造的操作机与压机联动轨迹规划方法
技术领域：
本发明属于锻造技术领域，涉及一种自动化锻造的操作机与压机联动轨迹的规划 方法。
背景技术：
大型锻件是航空、核电、化工、造船，冶金等重大工程和装备的关键零部件，质量要 求高，加工困难。大锻件重量巨大，锻造过程需要操作机辅助操作才能完成。锻造时操作机 与压机的联动轨迹是锻造工艺的具体实现过程，也是决定锻造最后成形成性的关键因素。 设计合理的操作机与压机的联动轨迹，是实现自动化锻造的关键技术。目前，一些先进的锻 造企业已经开始建立自动化的锻造生产线，通过操作机与压机自动联动，将坯料锻造成合 格锻件。自动化锻造能避免人工操作的随意性和不稳定性，提高锻件的质量和生成效率，因 此，自动化锻造是锻造工业的发展方向和趋势。目前国内一些锻造企业拥有不同操作能力的先进锻造操作机，但是大多数都是由 人工操作，个别实现了人工辅助的半自动化锻造。在国外，已有供自动化制造个别锻件的操 作机-压机的联动轨迹。这些联动轨迹由生产实践获得，即先由工人控制锻造设备进行某 个锻件的锻造，并将整个锻造过程记录下来，然后将锻造过程操作机与压机的联动轨迹编 制成程序，为锻造相同锻件时实现自动化锻造。这种基于实验的轨迹规划方法对于较大批 量产品的锻造是适用的。然而，对于单件、小批量大锻件的制造来说，基于实验的联动轨迹 规划方法成本过高，效率低，难以实现。因此，为了实现自动化锻造，迫切需要提出经济、高 效与可靠的规划锻件锻造拔长工艺的操作机与压机联动轨迹的方法。在文章《Determination of experimental axial and sideways metal flow in open die forging》(## Aksakal， F. H. Osman， A. N. Brgimley，2008 (209)《Meterials and Design)))中，作者分析了经验公式法与有限元法预测锻件形变精度的不足，提出了利 用上限法来计算锻件形状与载荷的方法。在文章《Real-Time process characterization of open die forging for adaptive control》(作者T. J. Nye, A. M. Elbadan, G. M. Bone, 2001 (123)《Journal of Engineering Materials andTechnology》)中，作者提出 了通过 实时获取操作机顺应锻件变形的位移的方法来计算锻件变形的宽展系数，并设计了实验系 统。在博士学位论文《大型模块锻造工艺模拟与CAPP专家系统研究》(作者梁晨，燕山大 学博士学位论文，200 中，梁晨以锻件变形区无拉应力为目标，研究了工艺参数对锻件变 形区特殊位置无拉应力或者由拉应力转为压应力的工艺参数，该研究能为锻造工艺的规划 提供了优化的工艺参数。然而，国内外尚未见大型锻件制造过程中操作机与压机联动轨迹 的规划方法的相关报道。锻造的目的是锻件的成形与成性。因此，联动轨迹不仅要满足锻件成形的需要，而 且要满足锻件成性的要求。大锻件一般以大型铸锭为原材料，由于大型铸锭通常存在严重 的偏析、缩孔、夹杂、晶粒粗大等内部缺陷，并且这些缺陷主要集中在铸锭的心部区域。因此 对于大锻件的锻造，主要是要通过使锻件心部在锻造过程中得到充分的变形来消除原材料存在的缺陷。对于联动轨迹的合理性评价，主要是需要判断联动轨迹执行后锻件心部区域 的等效应变是否足够大与均勻。目前，计算锻件多道次锻压后锻件内部的等效应变主要采 用的方法为有限元法。有限元法计算精度较高，但是计算速度较慢，不适合多道次拔长工艺 的优化工作。因此，迫切需要建立计算锻件轴向中心线上等效应变的有效方法，以便快速评 价联动轨迹的合理性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平砧拔长矩形截面锻件的操作机与压机联动轨迹规 划方法，解决目前尚无高效可靠的方法来规划大锻件平砧拔长过程中操作机与压机联动轨 迹的问题，并给出了联动轨迹合理性的评价方法。本发明解决上述问题所采用的技术方案是一种自动化锻造的操作机与压机联动轨迹规划方法，其方法的步骤为步骤1 设计与计算平砧拔长工艺方案的步骤；步骤2 规划执行工艺方案的操作机与压机联动轨迹的步骤；步骤3 评价联动轨迹合理性的步骤。其中步骤1包括如下子步骤(1)建立用户输入坯料尺寸，工艺参数，道次数，各道次的拔长方向，道次前的翻转 角度与锻件形状计算公式的交互窗口的步骤；(2)根据用户输入信息，计算拔长过程中各道次变形前、后的锻件尺寸，即长、宽与 高，各道次的压下次数与各次压下的锻件伸长量的步骤；(3)将步骤( 计算的变形工艺信息保存在一个数据文件中的步骤。步骤1中的子步骤(1)的坯料尺寸为坯料的初始长、宽与高度尺寸；工艺参数为 每个道次的第一次压下变形的绝对送进量，中间压下变形的绝对送进量，每个道次的压下 率或压下量，形状计算公式既包括文献发表宽展公式和通过有限元模拟-实验验证的形状 计算公式e_n = (bi-b。)/、式中的em_平均伸长率，Ivb1分别为变形前、后变形区长度， emean的计算公式为emean = (2. 06722-2. 1303Z+0. 55097L+0. 2555ZL) Y2+ (0. 44528+0. 04179Z+0. 12156L -0. 02321ZL)Y式中的Z，L与Y分别为砧宽比，料宽比与压下率。其子步骤( 包括如下步骤a.通过输入窗口，输入坯料尺寸，宽展计算公式的步骤；b.判断是否是拔长第1道次的方案设计，若是第1道次，通过输入窗口，输入第1 道次的第1次压下的绝对送进量，中间压下的绝对送进量，压下率，拔长方向；若非第1道 次，则通过输入窗口，输入该道次前的坯料翻转角度，第1次压下的绝对送进量，中间压下 的绝对送进量，压下率，拔长方向；c.根据输入的信息，计算道次的压下次数，各次压下的锻件伸长量的一半的步骤， 锻件该道次锻压结束后的平均宽度，高度与长度尺寸的步骤；d.判断是否完成方案设计，若完成，则进行下一步，若未完成，则继续返回步骤b 的步骤；e.输出计算结果的步骤。
步骤1中的子步骤O)的步骤c中道次的压下次数m的计算采用如下公式K = (l-bf)/bm+l，m为大于K的最小整数，其中1为每次拔长前坯料的长度，&为第一次变形的 绝对送进量，bm为中间压下的绝对送进量。步骤1中的子步骤C3)保存的变形工艺信息具体为各道次变形前后锻件的长度、 宽度与高度尺寸，各道次的拔长方向，各道次变形前坯料的翻转角度，各道次的压下次数， 每次压下变形的绝对送进量，每次压下变形后锻件伸长量的一半。步骤2包括如下子步骤(1)将步骤1保存的数据文件导入轨迹规划模块的步骤；(2)建立用户输入压机技术参数，操作机技术参数，操作机与压机初始位置的窗口 的步骤；(3)建立用户输入每个道次的操作机与压机运行方式的窗口的步骤；(4)建立用户输入每次压下的操作机与压机技术参数的窗口的步骤；(5)建立用户输入每道次的夹钳平衡位置与上砧联动点与联锁点位置的窗口的步 骤；(6)建立用户输入道次间坯料翻转时操作机夹钳提升高度，上砧提升高度的窗口 的步骤；(7)基于输入用户输入数据计算操作机与压机联动轨迹的步骤；(8)将计算结果输出的步骤。步骤2中的子步骤(2)压机的技术参数包括压机的控制系统，空程下降速度，工作 速度与回程速度；操作机的技术参数包括操作机大车行走的最大速度、加速度与减速度，夹 钳运动的最大速度、加速度与减速度，夹钳旋转的最大速度、加速度与减速度；操作机与压 机上砧的初始位置是操作机与压机联动轨迹的初始位置，它是指由手动操作转为自动操作 时操作机大车水平位置，夹钳中心线或锻件中心线铅直位置相对压机下砧的中点的坐标位 置和夹钳旋转的初始角度相对第一道次变形时夹钳角度位置的角度。步骤2中的子步骤( 所述的操作机与压机运行方式包括单动运行与双动运行。步骤2中的子步骤(4)所述的每次压下操作机与压机技术参数不能超过用户选择 的操作机与压机的技术参数极限值。步骤2中的子步骤( 所述的每道次的夹钳平衡位置要大于锻件最大高度的一 半，上砧联动点与联锁点位置要等于夹钳平衡位置的2倍。步骤2中的子步骤(6)所述的道次间坯料翻转时操作机夹钳提升高度与上砧提升 高度要能保证坯料在翻转过程中不会碰到上、下砧。步骤2中的子步骤(7)根据输入参数计算操作机与压机联动轨迹又包括如下步 骤a.通过输入窗口，输入操作机与压机技术参数，操作机与压机的初始位置的步 骤；b.通过输入窗口，输入计算道次的运行方式，道次选用的操作机与压机的技术参 数的步骤；c.通过输入窗口，输入一次压下的液压机技术参数，计算一次压下的操作机与液 压机联动轨迹的步骤；
d.判断是否完成一个道次的所有压下次的计算，若未完成，返回c步骤，若完成， 进入下一步的步骤；e.判断是否完成所有道次，若完成，则结束，输入计算结果，若未完成，进入下一步 的步骤。f.判断道次间是否翻转，若需翻转坯料90°，通过输入窗口，输入翻转时上砧回 程高度、夹钳回程高度，计算翻转过程的操作机与压机联动轨迹；若无需翻转坯料，则计算 两个道次间操作机与压机的联动轨迹；返回b步骤继续计算的步骤。步骤2中的子步骤(7)根据输入参数计算操作机与压机联动轨迹时，根据压机与 操作机运行方式与压机的控制系统的不同计算方法的选择不同，有4种不同情况传统阀 控系统与单动运行，传统阀控系统与双动运行，改进型正弦泵控系统与单动运行，改进型正 弦泵控系统与双动运行。步骤2中的子步骤(7)根据输入信息计算操作机与压机联动轨迹时，操作机送进 坯料的大车行走位移与绝对送进量的关系与操作机的送料方向有关，当操作机向前送料 时，操作机行走位移等于绝对送进量，当操作机后退送进坯料时，操作机行走位移等于绝对 送进量与上次压下坯料伸长量的一半相加。步骤3包括如下子步骤(1)将步骤1保存的数据文件导入轨迹规划模块的步骤；(2)建立锻件变形区轴向中心线上特征点的各轴向应变、相对位移与工艺参数映 射关系数据库的步骤；(3)计算锻件各道次变形后轴向中心线上特征点的各轴向应变与等效应变的步 骤；(4)输出计算结果的步骤。步骤3中的子步骤(2)工艺参数为砧宽比、料宽比与压下率与摩擦系数，特征点表 示初始时变形变形区轴向中心线上均布的81个位置点，轴向应变分别为轴向中心上特征 点的压下方向与宽展方向的应变，相对位移表示特征点变形后距变形中点的位移与变形区 初始长度的比值。砧宽比范围为0. 3 1. 0，料宽比范围为0. 5 2. 0，压下率范围为0 30%，摩擦系数的范围为0. 3 0. 7。步骤3中的子步骤(3)包括如下步骤a.判断是否为第1道次的计算，若是第1道次，则根据工艺信息与数据库，插值计 算第1道次各次压下变形区内所有特征点的宽展方向与压下方向的应变、变形后所有特征 点的相对位置，最后通过插值得到锻件变形后轴向中心线上1000个均布位置的等效应变， 宽展方向与压下方向的应变；若非第1道次，则首先判断道次前坯料是否翻转90度，若翻转 90度，宽展方向与压下方向的初始应变调换，若不翻转，则特征点的宽展方向与压下方向的 初始应变不变，然后插值计算锻件变形区轴向中心线上特征点道次前的宽展方向与压下方 向的初始应变，再通过数据库插值计算变形区内特征点变形后的宽展方向与压下方向的应 变增量，应变增量与应变初始值相加得到道次变形后的总应变，继续插值得到特征点变形 后的新位置，最后通过计算锻件道次变形后轴向中心线上1000个均布位置的等效应变，宽 展方向与压下方向的应变的步骤；b.判断是否完成所有道次的计算，若完成，则进行下一步，若未完成，则继续返回步骤a的步骤；c.输出计算结果的步骤。步骤3中的子步骤(3)计算特征点的宽展方向与压下方向的应变时，各轴向应变 在某道次的值等于本道次增加值与初始值之和，伸长方向的应变利用体积应变为零的原理 计算得到，等效应变的计算公式如下
权利要求
1.一种自动化锻造的操作机与压机联动轨迹规划方法，其特征在于该方法的步骤为 步骤1 设计与计算平砧拔长工艺方案的步骤；步骤2 规划执行工艺方案的操作机与压机联动轨迹的步骤； 步骤3 评价联动轨迹合理性的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于其步骤1包括如下子步骤(1)建立用户输入坯料尺寸，工艺参数，道次数，各道次的拔长方向，道次前的翻转角度 与锻件形状计算公式的窗口的步骤；(2)根据用户输入信息，计算拔长过程中各道次变形前、后的锻件尺寸，即长、宽与高， 各道次的压下次数与各次压下的锻件伸长量的步骤；(3)将子步骤( 计算的变形工艺信息保存的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于其子步骤(1)的坯料尺寸为坯料的初始 长、宽与高尺寸；工艺参数为每道次的第一次压下变形的绝对送进量、中间压下的绝对送 进量与每道次的压下率或压下量，形状计算公式包括文献发表的宽展公式和通过有限元模 拟-实验验证的公式e_n = (Vbtl)/V式中的em_平均伸长率，b0, bi分别为变形前、后 变形区长度，efflean的计算公式为emean = (2. 06722-2. 1303Z+0. 55097L+0. 2555ZL) Y2+(0. 44528+0. 04179Z+0. 12156L-0. 0 2321ZL)Y式中Z，L与Y分别为砧宽比，料宽比与压下率。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于其子步骤(2)包括如下步骤a.通过输入窗口，输入坯料尺寸，宽展计算公式的步骤；b.判断是否是拔长第1道次的方案设计，若是第1道次，通过输入窗口，输入第1道次 的第1次压下的绝对送进量，中间压下的绝对送进量，压下率，拔长方向；若非第1道次，则 通过输入窗口，输入该道次前的坯料翻转角度，第1次压下的绝对送进量，中间压下的绝对 送进量，压下率，拔长方向；c.根据输入的信息，计算道次的压下次数，各次压下的锻件伸长量的一半的步骤，锻件 该道次锻压结束后的平均宽度，高度与长度尺寸的步骤；d.判断是否完成方案设计，若完成，则进行下一步，若未完成，则继续返回步骤b的步骤；e.输出计算结果的步骤。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于其步骤c的各道次的压下次数m的计算采 用如下公式K = (l_bf)/bm+l，m为大于K的最小整数，其中1为每道次拔长前坯料的长度， bf为第一次压下变形的绝对送进量，bm为中间压下的绝对送进量。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于其子步骤(3)保存的变形工艺信息具体为 各道次变形前、后锻件的长度、宽度与高度尺寸，各道次的拔长方向，各道次压下前坯料的 翻转角度，各道次的压下次数，每次压下变形的绝对送进量及变形后锻件伸长量的一半。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2又包括如下子步骤(1)将步骤1保存的数据文件导入的步骤；(2)建立用户输入压机技术参数，操作机技术参数，操作机与压机初始位置的窗口的步骤；(3)建立用户输入每个道次的操作机与压机运行方式的窗口的步骤；(4)建立用户输入每次压下的操作机与压机技术参数的窗口的步骤；(5)建立用户输入每个道次的夹钳平衡位置与上砧联动点与联锁点位置的窗口的步骤；(6)建立用户输入道次间坯料翻转时操作机夹钳提升高度，上砧提升高度的窗口的步骤；(7)基于输入用户输入数据计算操作机与压机联动轨迹的步骤；(8)将计算结果输出的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于其子步骤(2)压机的技术参数包括压机的 控制系统，空程下降速度，工作速度与回程速度；操作机的技术参数包括操作机大车行走的 最大速度、加速度与减速度，夹钳运动的最大速度、加速度与减速度，夹钳旋转的最大速度、 加速度与减速度；操作机与压机上砧的初始位置是操作机与压机联动轨迹的初始位置，它 是指由手动操作转为自动操作时操作机大车水平位置，夹钳中心线或锻件中心线铅直位置 相对压机下砧的中点的坐标位置和夹钳旋转的初始角度相对第一道次变形时夹钳角度位 置的角度。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于其子步骤(3)所述的操作机与压机运行方 式包括单动运行与双动运行。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于其子步骤(4)所述的每次压下操作机与压 机技术参数不能超过用户选择的操作机与压机的技术参数极限值。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于其子步骤( 所述的每道次的夹钳平衡位 置要大于锻件最大高度的一半，上砧联动点与联锁点位置要等于夹钳平衡位置的2倍。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于其子步骤(6)所述的道次间坯料翻转时操 作机夹钳提升高度与上砧提升高度要能保证坯料在翻转过程中不会碰到上、下砧。
13.如权利要求7所述的方法，其特征在于其子步骤(7)包括如下步骤a.通过输入窗口，输入操作机与压机技术参数，操作机与压机的初始位置的步骤；b.通过输入窗口，输入道次的运行方式，道次选用的操作机与压机的技术参数的步骤；c.通过输入窗口，输入一次压下的液压机技术参数，计算一次压下的操作机与液压机 联动轨迹的步骤；d.判断是否完成一个道次的所有压下次的计算，若未完成，返回C步骤，若完成，进入 下一步的步骤；e.判断是否完成所有道次，若已经完成，则结束，输入计算结果，若未完成，进入下一步 的步骤；f.判断道次间是否翻转，若需翻转坯料90°，通过输入窗口，输入翻转时上砧回程高 度，夹钳回程高度，计算翻转过程的操作机与压机联动轨迹；若不翻转坯料，则计算两个道 次间操作机与压机的联动轨迹；返回b步骤继续计算的步骤。
14.如权利要求7所述的方法，其特征在于其子步骤(7)根据输入参数计算操作机与 压机联动轨迹时，根据压机与操作机运行方式与压机的控制系统的不同计算方法的选择不 同，有4种不同情况传统阀控系统与单动运行，传统阀控系统与双动运行，改进型正弦泵 控系统与单动运行，改进型正弦泵控系统与双动运行。操作机送进坯料的大车行走位移与绝对送进量的关系与操作机的送料方向有关，当操作机向前送料时，操作机行走位移等于 绝对送进量，当操作机后退送进坯料时，操作机行走位移等于绝对送进量与上次压下坯料 伸长量的一半相加。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3又包括如下子步骤(1)将步骤1保存的数据文件导入轨迹规划模块的步骤；(2)建立锻件变形区轴向中心线上特征点的各轴向应变、相对位移与工艺参数映射关 系数据库的步骤；(3)计算锻件各道次变形后轴向中心线上特征点的各轴向应变与等效应变的步骤；(4)输出计算结果的步骤。
16.如权利要求16所述的方法，其特征在于其子步骤(2)工艺参数为砧宽比、料宽比 与压下率与摩擦系数，特征点表示初始时变形区轴向中心线上均布的81个位置点，轴向应 变分别为轴向中心上特征点的压下方向与宽展方向的应变，相对位移表示特征点变形后距 变形区中点的位移与变形区初始长度的比值，砧宽比的范围为0. 3 1. 0，料宽比的范围为 0. 5 2. 0，压下率的范围为0 30%，摩擦系数的范围为0. 3 0. 7。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于其子步骤(3)包括如下步骤a.判断是否为第1道次的计算，若是第1道次，则根据工艺信息与数据库，插值计算第 1道次各次压下变形区内所有特征点的宽展方向与压下方向的应变、变形后所有特征点的 相对位置，最后通过插值得到锻件变形后轴向中心线上1000个均布位置的等效应变，宽展 方向与压下方向的应变；若非第1道次，则首先判断道次前坯料是否翻转90度，若翻转90 度，宽展方向与压下方向的初始应变调换，若不翻转，则特征点的宽展方向与压下方向的初 始应变不变，然后插值计算锻件变形区轴向中心线上特征点道次前的宽展方向与压下方向 的初始应变，再通过数据库插值计算变形区内特征点变形后的宽展方向与压下方向的应变 增量，应变增量与应变初始值相加得到道次变形后的总应变，继续插值得到特征点变形后 的新位置，最后通过计算锻件道次变形后轴向中心线上1000个均布位置的等效应变，宽展 方向与压下方向的应变的步骤；b.判断是否完成所有道次的计算，若完成，则进行下一步，若未完成，则继续返回步骤 a的步骤；c.输出计算结果的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种自动化锻造的操作机与压机联动轨迹规划方法，其方法的步骤包括步骤1设计与计算平砧拔长工艺方案的步骤；步骤2规划执行工艺方案的操作机与压机联动轨迹的步骤；步骤3评价联动轨迹的合理性的步骤。本发明为自动化锻造的操作机与压机的联动轨迹的规划提供了方法，并且给出了联动轨迹合理性的评价方法。
文档编号B21J9/00GK102091752SQ20101055898
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者蔺永诚, 陈明松 申请人:中南大学