专利名称：金属板带自动矫直工艺参数的优化方法
技术领域：
本发明属于金属板带矫直的技术领域，具体是一种金属板带自动矫直工艺参数的优化方法。
背景技术：
金属板带矫直目的是获得高平直度的成品。为获得符合质量要求的板形，就要对其工艺参数进行精确设定。但是由于板带矫直过程的复杂性，且易受矫直机设备本身的弹跳、磨损、轴承间隙等因素影响，理论计算工艺设定值与实际操作产生较大偏差，导致产品平直度不能满足要求。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的由于板带矫直过程的复杂性，且易受矫直机设备本身的弹跳、磨损、轴承间隙等因素影响，理论计算工艺设定值与实际操作产生较大偏差，导致产品平直度不能满足要求的问题，提供了一种可以用于矫直机提高产品质量和实现生产自动化的包括先进的矫直理论模型、自学习的变形抗力模型、及在线系统等3个部分的金属板带自动矫直工艺参数的优化方法。矫直机设定工艺参数主要有压下量(入口和出口辊缝)、矫直力、电机负荷等，本方法通过优化变形抗力计算公式的系数，间接的优化矫直机设定工艺参数。由本方法数据库系数计算所得材料变形抗力可能与实际材料变形抗力有差别；但是，使用本方法数据库系数计算得到的变形抗力，及使用这个变形抗力得到压下量(入口和出口辊缝)、矫直力、电机负荷等值，采用这些工艺值设定矫直机可以得到好的矫直质量。
本发明是通过下列方案实现的，金属板带自动矫直工艺参数的优化方法，包含以下方面矫直理论模型，变形抗力模型，采用矫直理论模型、变形抗力模型的在线系统。矫直理论模型采用“包辛格效应”，“中性层偏移”，“辊间张力”技术。
变形抗力计算公式模型采用“自适应”，“模式识别”，“最优化”技术。变形抗力模型以温度、变形速度、变形程度多系数为基础，其表达式为σS＝a0+exp(a1+a2t+a3t2+a4t4+a5t4+a6v+a7n) (1)式中t——矫直温度(℃)；v——矫直速度；n——弯曲道次；a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7为回归系数，取决于钢种。
本发明所述的自适应技术包括工艺数据实测采样，理论矫直力计算，理论矫直力与实测矫直力比较。
模式识别技术包括划定不同的特征模式，合理的对测定及采集数据去噪。
本发明所述的最优化技术为建立优化目标函数表达式，将矫直力的理论计算值和实测值的差值进行最小化优化处理，即通过修正金属变形抗力计算公式中的待定变量回归系数a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，使矫直力的理论计算值与实测值最为接近，其优化目标函数表达式为ΔF(b,h,σS)=Σi=1n[Pi′-Pi(b,h,σS)]2---(2)]]>式中，ΔF(b，h，σS)——实测矫直力与理论计算矫直力之差的平方和；P′i——实测矫直力；pi(b，h，σS)——理论计算矫直力。
本发明包括的矫直理论模型、变形抗力模型、及在线系统部分具体描述如下。
(一)矫直理论模型模型主要过程建立每个弯曲的几何关系、计算单个弯曲的弯矩及力能参数、计算整体的弯矩及力能参数。在这个过程中，本发明采用三项新的技术使矫直力计算更加精确。
(1)第一项技术为加入包辛格效应的变形抗力计算模型，包辛格效应是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。由于矫直过程是一个反复弯曲加载的过程，因此包辛格效应影响较大。模型在实验的基础上建立简化的包辛格效应数学模型更加精确地确定矫直过程的每个弯曲的变形抗力σn。数学模型示意图如图1。
σn=(1+nξ)(σs-kσsE)+kx---(3)]]>σn——第n个弯曲的变形抗力；n——弯曲道次；ξ——道次硬化系数；σs——跟材料有关，为未应变的材料屈服强度，即原始变形抗力；k——硬化斜率；E——弹性模量；x——应变，奇数道次为正，偶数道次为负。
如图1所示，材料的变形抗力与原始应变状态εn0有关，方法先计算第n个弯曲原始应变状态εn0(为前一个弯曲的应变残余；可由前一弯曲残余曲率的几何条件求， 第一个弯曲的应变残余为零)；求通过点(εn0，0)斜率为弹性模量E的直线σn＝Ex-Eεn0(4)最后求式(4)与式(3)的交点(εi，σi)，其中σi就是本次弯曲应变的变形抗力值，εi为本次弯曲应变。
(2)第二项技术为中性层偏移，根据理论研究和试验发现在矫直过程板材存在中性层偏移现象，在中厚板的中性层偏移对矫直力计算公式有很大的影响。
模型采用以中性层偏移为基础的矫直力计算公式。板材矫直弯曲板材内部应力分布如图2所示，由于板材上表面为拉应力，下表面为压应力，下表面处于三向压应力状态，板材下部内力大于上部。由于板材内部内力平衡，所以产生中性层偏移。
(内弯矩)M＝M拉+M压(5) (内力)N=∫0h2+eσz+∫-(h2-e)0σz=0---(8)]]>(矫直力)p=4MT---(9)]]>其中σz为分段函数，0～Ztσz=σiZtZ]]>Zt～(h/2+e) σz＝k硬化Z+(σi-k硬化Zt)0～-Ztσz=μσiZtZ]]>-Zt～-(h/2-e) σz＝k硬化Z+(μσi-k硬化Zt) (10)Zt=h21/ρt1ρ+1ρt---(11)]]>ρt板材弹复极限曲率，ρt=2σihE;---(12)]]>ρ为本单元弯曲曲率，ρ=T212s;---(13)]]>μ＝(σj+σi)/σi(14)接触应力σj通过矫直力P采用接触应力—赫兹公式求出；式中
e为中性层偏移量；μ为下表面应力与上表面之比；k硬化为硬化系数；σz为应力；Zt为塑性层高度；s为压下量；T为辊距；B板材的宽度；h为板材的厚度。在知道弯曲几何关系下即知道弹性层厚度Zt(式11)，根据上述式(5)(8)(9)联解，计算出弯矩M，根据M与矫直力P的关系，计算出矫直力P。中性层偏移量e值影响M，M值影响P，P值影响e。由于M和P的计算关系，P与μ、e的计算关系，计算为一个循环迭代过程。计算过程如下，e0＝0，→M0→P0→μ1；μ1→e1→M1→P1→μ2；如此循环，当Pi和Pi-1差小于定值时，计算结束，Pi为所求矫直力。
(3)第三项技术为辊间张力，由于矫直机辊速不同，板材横向板形等原因，在矫直过程中每个弯曲单元之间，板材中存在张力。由于张力的存在，从而内力矩M的值有所变化，导致矫直力P的改变。模型从几何关系出发，计算每个弯曲单元的张力，并把计算结果加入M的计算表达式。张力主要为摩擦力。
f＝f摩擦力(15)f摩擦力＝p×μ(16)σ摩擦力＝f摩擦力/(B·h) (17)式中p为弯曲单元对应的矫直辊的矫直力；μ为摩擦系数；B为板材宽度；h为板材高度；
由于张力的存在，从而内力矩M的值有所变化，导致矫直力P的改变。计算为一个循环迭代过程，从M0(不考虑辊间张力)→P0→f摩擦力0；再由f摩擦力0→M1→P1→f摩擦力1；如此循环，当Pi和Pi-1差小于定值时，计算结束，Pi为所求矫直力。这个过程与中性层偏移循环同时进行，具体过程如下摩擦力产生的应力σ摩擦力在板材截面中为均匀分布，叠加在式(10)中所述的σZ应力分布中，考虑摩擦力影响应力分布σZ_new＝σZ+σ摩擦力(定值) (18)计算时把式(5)(6)(7)(8)中σZ_new取代σZ；一起求出内弯矩。由于中性层偏移和辊间张力的循环计算相互影响，其循环过程可化为一个循环过程，e0＝0，f摩擦力0＝0→M0→P0→μ1，f摩擦力1；e1，f摩擦力1→M1→P1→μ2，f摩擦力2；如此循环，当Pi和Pi-1差小于定值时，计算结束，Pi为所求矫直力.
(4)矫直过程的具体计算过程如下I、进行几何分析，确定辊系的压下量在现在流行的矫直机中，由于机型不同，每个矫直辊压下量的确定方法是不同的，大体上有以下两种一是上辊系整体结构，这种矫直机是根据压下螺丝的压下量，确定第二和倒数第二个矫直辊的压下量(一般认为压下螺丝的压下量与第二和倒数第二个矫直辊的压下量大体相等)，再根据整体结构中压下量为线性分布，通过在第二和倒数第二个矫直辊的压下量的中间插值，求出每个矫直辊的压下量。二是上辊系每个矫直辊单独可调，这种矫直机中上辊系的每个矫直辊的压下量都是可测的(现在这种结构矫直机都有在线实时测量设备)，下辊系的压下量可通过相邻的两个上辊系矫直辊的压下量线性插值求出。
一般工艺设置是，所确定的辊系压下量使第一弯曲单元弯曲曲率为(3～5)ρt(板材弹复极限曲率)；倒算第一弯曲单元弯曲曲率为(1～1.5)ρt；根据式(13)求出第二和倒数第二个矫直辊的压下量。然后，根据上述方法确定整个辊系中每个矫直辊的压下量。
II、确定矫直过程每个弯曲单元的弯曲程度根据I中确定的每个弯曲单元的压下量和式(13)，可求出每个弯曲单元的弯曲程度。
III、从自学习变形抗力模型中得到原始变形抗力材料原始变形抗力σs是通过本文中提到的自学习变形抗力模型通过计算得到，计算过程见下文变形抗力模型介绍。
IV、在变形抗力加入包辛格效应由于矫直过程是反复弯曲的过程，材料的包辛格效应影响很大。每个弯曲单元的变形抗力σi可通过III中的原始变形抗力σs和式(3)(4)得到。
V、以弯曲变形抗力σi为基础，在考虑中性层偏移和辊间张力的相互影响下，建立每个弯曲单元的内弯矩及矫直力由ρ弯曲半径根据式(10～14)建立弯曲单元的内弯距(5)(6)(7)(18)。由于中性层偏移和辊间张力的循环计算相互影响，其循环过程可化为一个循环过程，e0，f摩擦力0→M0→P0→μ1，f摩擦力1；e1，f摩擦力1→M1→P1→μ2，f摩擦力2；如此循环，当Pi和Pi-1差小于定值时，计算结束，Pi为所求矫直力。
VI、用内弯矩计算每个弯曲单元的矫直力、矫直负荷、残余曲率根据内弯矩计算每个弯曲单元的矫直力、矫直负荷、残余曲率，很多书籍均有介绍。
VII、根据每个弯曲单元数据计算整体的矫直力、矫直负荷、最终残余曲率整体矫直力、矫直负荷、最终残余曲率等于每个弯曲单元的和。
(二)变形抗力模型模型的主要过程带材矫直过程的参数测定及采集；通过自适应、模式识别、最优化技术来优化板带材变形抗力计算公式模型数据库系数；应用变形抗力计算公式模型所得变形抗力σs，计算各种工艺参数的计算值和设定值。如图3所示。
首先建立材料的变形抗力计算公式数据库，每种材料对应系数a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7值，初始数据人工设置(根据材料实验所得的变形抗力曲线，确定或设置回归系数的定值，从而建立上述的数据库。回归系数的确定即数据库的建立是本领域技术人员公知且容易实现的)，生产过程中由变形抗力模型优化并更新。
第二、建立金属矫直变形抗力计算公式模型，对某一钢种来讲，建立创新以温度、变形速度、变形程度基础的多系数变形抗力计算公式模。
变形抗力计算公式模型表达式σs＝a0+exp(a1+a2t+a3t2+a4t4+a5t4+a6v+a7n) (19)式中t-矫直温度(℃)；v-矫直速度；n-弯曲道次；a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，为回归系数，取决于钢种。
即进一步将理论上的矫直力表示成a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，的函数P＝P(a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7)。
第三对矫直过程进行在线测量(力传感器和位置传感器)，测量数据返回系统。
第四对测量返回的数据进行模式识别，包括设定标准(根据实际情况设定标准，可调)，去除无效坏点，数据分类。这个过程包含两个方面，一是根据矫直后，板形情况分为合格和不合格；二是根据矫直力及矫直负荷与理论计算值偏差，分为偏差小的和偏差大的；其中板形合格和偏差小的数据用于第四步。
第五用矫直力模型计算出相关的矫直力能参数，与现场在线实测处理后数据比较，误差较小，已成功地实现了对矫直力能参数的精确计算。具体方法(1)建立优化目标函数表达式目的是将矫直力的理论计算值与实测值的差值进行最小优化处理，即通过修正矫直力理论计算公式中的待定变量(回归系数a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7)，使矫直力的理论计算值与实测值最为接近。所以优化目标函数表达式为ΔF(B,h,σS)=Σi=1n[Pi′-Pi(B,h,σS)]2---(20)]]>
式中，ΔF(b，h，σs)——实测矫直力与理论计算矫直力之差的平方和；Pi′——实测矫直力；pi(B，h，σs)——理论计算矫直力。
(2)根据建立的矫直力学模型与变形抗力模型，我们可以将上式表示成如下形式ΔF(b,h,σs)=ΔF(a0a1,a2,a3,a4,a5,a6a7,B,h)=Σi=1n[Pi′-Pi(t,a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,B,h)]2---(21)]]>式中i为同规格的金属板的块数。
ΔF(b，h，σs)-实测矫直力与理论计算矫直力之差的平方和；Pi′——实测矫直力；pi(b，h，σs)——理论计算矫直力；B——钢板宽度；h——钢板厚度；t——钢板温度；a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7——变形抗力计算公式模型中的变量系数。
(3)优化处理，确定变形抗力计算公式模型取到选取的优化方法-单纯形替换法，优化处理目标函数ΔF(a0a1,a2,a3,a4,a5,a6a7,B,h)=Σi=1n[Pi′-Pi(t,a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,B,h)]2---(22)]]>计算确定了a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7的值，更新数据库中该种材料对应的a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7的值。
(三)在线系统在线系统是采用(一)(二)的理论模型的自动化矫直系统，在线系统中，(一)矫直理论模型中的材料原始变形抗力σs为(二)变形抗力模型计算的结果(由式19及数据库中a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7的值计算得到)；(二)变形抗力模型中用到的理论矫直力p(B，h，σs)为采用(一)矫直理论模型计算所得。在线系统可设置完全适应本台矫直机特有的矫直工艺参数，其设定的工艺参数能保证高矫直的矫直质量。
本发明与现有技术相比具有以下优点及效果本发明所述的方法可以自动设置工艺参数，提高矫直质量，提高矫直效率，以本发明为基础的在线系统已经在3500mm中厚板矫直机上得到成功应用，测量矫直力平均值与计算值相差小于±5％，产品平直度(残余曲率)小于1.5mm/m。
图1包辛格数学模型示意图；图2板材矫直弯曲内部应力分布示意图；图3变形抗力模型主要过程示意图具体实施方式
本实施例是用来说明本发明的，而不是对本发明做任何限制。
本发明所述的方法已经成功应用于首钢中板厂的3500mm中板矫直机。测量矫直力平均值与计算值相差小于±5％，产品残余曲率小于规定要求。
选用钢种345D为例，厚度60mm，宽度2350mm，加工温度681℃。矫直机理论设定值入口辊缝59.01mm(板材厚度减去第二矫直辊的压下量)，出口辊缝59.21mm(板材厚度减去倒数第二矫直辊)，理论矫直力计算P＝7336KN，通过力传感器测出的矫直力P测＝7638kN，实测的矫直后平直度小于1.5mm/m，电机负荷235KW。测量矫直力平均值与计算值相差为4％，小于±5％。
过程如下一)根据材料种类，建立变形抗力计算公式模型的数据库，每种材料对应a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7不同的值。
二)对于每块矫直板材1)根据产品的规格参数，通过(一)矫直理论模型计算各种工艺参数，其中材料的原始变形抗力σs是(二)变形抗力模型计算而得。
2)计算工艺参数控制矫直机完成矫直过程，并对矫直过程进行实测。
3)采用实测数据通过变形抗力模型优化这种材料的a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7的值。
4)对这个数据进行判断，去除坏点，并进行分类，主要依据为矫直板形质量；实测值与理论值的差值；板形差，差值大的去除。
三)更新变形抗力模型数据库中该种材料对应的a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7的值，用于下一块板材矫直。
权利要求
1.一种金属板带自动矫直工艺参数的优化方法，其特征为包括如下步骤一)根据材料种类，建立变形抗力计算公式模型的数据库，每种材料对应a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7不同的值；二)对于每块矫直板材1)根据产品的规格参数，通过矫直理论模型计算各种工艺参数，矫直理论模型采用“包辛格效应”，“中性层偏移”，“辊间张力”技术；具体计算过程如下I、进行几何分析，确定辊系的压下量sII、根据压下量确定矫直过程每个弯曲单元的弯曲程度——弯曲曲率ρIII、从下列变形抗力模型中得到原始变形抗力σs＝a0+exp(a1+a2t+a3t2+a4t4+a5t4+a6v+a7n)式中t-矫直温度℃；v-矫直速度；n-弯曲道次；a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，为回归系数，取决于钢种，其初始数据人工设置；IV、在变形抗力加入包辛格效应建立简化的包辛格效应数学模型更加精确地确定矫直过程的每个弯曲的变形抗力σnσn=(1+nξ)(σs-kσsE)+kx---(3)]]>σn——第n个弯曲的变形抗力；n——弯曲道次；ξ——道次硬化系数；σs——跟材料有关，为未应变的材料屈服强度，即原始变形抗力；k——硬化斜率；E——弹性模量；x——应变，奇数道次为正，偶数道次为负。材料的变形抗力与原始应变状态εn0有关，第n个弯曲原始应变状态εn0为前一个弯曲的应变残余；第一个弯曲的应变残余为零；求通过点(εn0，0)斜率为弹性模量E的直线σn＝Ex-Eεn0(4)最后求式(4)与式(3)的交点(εi，σi)，其中σi就是本次弯曲应变的变形抗力值，εi为本次弯曲应变；V、以弯曲变形抗力σi为基础，在考虑中性层偏移和辊间张力的相互影响下，建立每个弯曲单元的内弯矩和矫直力在中性层偏移中，计算出弯矩M，根据M与矫直力P的关系，计算出矫直力P；中性层偏移量e值影响M，M值影响P，P值影响e；由于M和P的计算关系，P与μ、e的计算关系，计算为一个循环迭代过程；计算过程如下，e0＝0，→M0→P0→μ1；μ1→e1→M1→P1→μ2；如此循环，当Pi和Pi-1差小于定值时，计算结束，Pi为所求矫直力；辊间张力与中性层偏移循环同时进行，具体过程如下摩擦力产生的应力σ摩擦力在板材截面中为均匀分布，叠加在σZ应力分布中，考虑摩擦力影响应力分布σZ_new＝σZ+σ摩擦力根据应力分布σZ_new一起求出内弯矩，由于中性层偏移和辊间张力的循环计算相互影响，其循环过程可化为一个循环过程，e0＝0，f摩擦力0＝0→M0→P0→μ1，f摩擦力1；e1，f摩擦力1→M1→P1→μ2，f摩擦力2；如此循环，当Pi和Pi-1差小于定值时，计算结束，Pi为所求矫直力VI、用内弯矩计算每个弯曲单元的矫直力、矫直负荷、残余曲率VII、根据每个弯曲单元数据计算整体的矫直力、矫直负荷、最终残余曲率2)计算工艺参数控制矫直机完成矫直过程，并对矫直过程进行实测；3)采用实测数据通过变形抗力模型优化这种材料的a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7的值；①建立优化目标函数表达式ΔF(B,h,σs)=Σi=1n[Pi′-Pi(B,h,σs)]2---(20)]]>式中，ΔF(b，h，σs)——实测矫直力与理论计算矫直力之差的平方和；Pi′——实测矫直力；pi(B，h，σs)——理论计算矫直力。②根据建立的矫直力学模型与变形抗力模型，将上式(20)表示成如下形式ΔF(b,h,σs)=ΔF(a0a1,a2,a3,a4,a5,a6a7,B,h)=Σi=1n[Pi′-Pi(t,a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,B,h)]2]]>式中i为同规格的金属板的块数。B——钢板宽度；h——钢板厚度；t——钢板温度；a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7——变形抗力计算公式模型中的变量系数；③优化处理，确定变形抗力计算公式模型取到选取的优化方法-单纯形替换法，优化处理目标函数ΔF(a0a1,a2,a3,a4,a5,a6a7,B,h)=Σi=1n[Pi′-Pi(t,a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,B,h)]2]]>计算确定ao，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7的值；4)对这个数据进行判断，去除坏点，并进行分类，主要依据为矫直板形质量；实测值与理论值的差值；板形差，差值大的去除。三)更新变形抗力模型数据库中该种材料对应的a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7的值，用于下一块板材矫直。
全文摘要
本发明属于金属板带矫直的技术领域，具体是一种金属板带自动矫直工艺参数的优化方法。本发明针对现有技术中存在的由于板带矫直过程的复杂性，且易受矫直机设备本身的弹跳、磨损、轴承间隙等因素影响，理论计算工艺设定值与实际操作产生较大偏差，导致产品平直度不能满足要求的问题。本发明将矫直力的理论计算值与实测值的差值进行最小优化处理，即通过修正矫直力理论计算公式中的待定变量——回归系数a
文档编号G06F17/50GK1818913SQ20061001246
公开日2006年8月16日 申请日期2006年3月4日 优先权日2006年3月4日
发明者黄庆学, 王效岗, 李玉贵, 孙斌煜 申请人:太原科技大学