收稿日期 : 2003 - 02 - 25作者簡介 : 歷長云 (1978 - ) ,女 ,黑龍江虎林人 ,碩士生 .機械工程 文章編號 : 1000 - 1646 (2003) 04 - 0273 - 03薄鋼板矯直專家系統(tǒng)的設計歷長云 , 李英民 , 董麗萍(沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院 , 遼寧 沈陽 110023)摘 要 : 將專家系統(tǒng)的理論應用到薄板矯直研究中 ,給出了鋼板的矯直機理 ,分析了薄板矯直的幾種方案 ,并據(jù)此采用了專家系統(tǒng)的輔助設計 ,給出了建立薄板矯直專家系統(tǒng)的程序框圖 . 同時還給出了數(shù)學模型 ,論述了薄板矯直專家系統(tǒng)設計的功能及意義 .關 鍵 詞 : 薄鋼板 ; 矯直機 ; 矯直方案 ; 專家系統(tǒng)中圖分類號 : TH 1321425 文獻標識碼 : A隨著世界工業(yè)發(fā)展水平的不斷提高 ,汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展 ,人們對板材的需求量急劇上升 ,尤其是薄鋼板 . 據(jù)統(tǒng)計資料顯示 ,20 世紀 90 年代 ,世界人均薄板消費量是 50 kg ,發(fā)達國家人均消費達 200 kg ,以發(fā)達國家消費趨勢來看 ,我國薄鋼板消費量處于急劇上升階段 . 由于薄板加工簡單 ,重量輕 ,可以承受較大的載荷 ,所以在工程上使用頗廣 ,如建筑物的樓板、地基板、鋼的腹板、水工結(jié)構的閘門、飛機機翼、船舶的外殼、集裝箱、容器的底板等 . 由于不同部門對鋼板的需求不同 ,尤其是汽車用薄鋼板要求的品種范圍廣、規(guī)格幅度大、形狀精度高、成形性能好、表面要求嚴 ,導致對鋼板規(guī)格及型號需求的多樣化 . 同時 ,對鋼板的加工質(zhì)量也提出了更高的要求 .鋼板在軋制、冷卻及剪切過程中 ,由于塑性變形不均、加熱和冷卻不均、剪切以及運輸和堆放等原因 ,必然產(chǎn)生不同程度的彎曲、瓢曲、浪形、鐮彎和歪扭的塑性變形 ,或內(nèi)部產(chǎn)生殘余應力 ,這在成為合格的產(chǎn)品之前 ,都必須采用矯直機進行矯直加工 ,矯正軋件形狀和消除殘余應力 . 這是一項繁雜的工作 ,對不同厚薄的鋼板 ,矯直輥要有不同的壓下量 ,不同的矯直力 . 為此 ,本文進行了薄板矯直專家系統(tǒng)的設計 ,該系統(tǒng)的開發(fā)將在很大程度上提高產(chǎn)品質(zhì)量 ,同時還能在一定程度上提高鋼板的生產(chǎn)效率 ,降低成本 ,其應用前景看好 .1 矯直機理軋件的矯直就是使軋件承受某種方式和一定大小的外力作用 ,產(chǎn)生一定的彈塑性變形 ,當上述外力去除后 ,在內(nèi)力作用下又產(chǎn)生彈性恢復變形 ,直到內(nèi)力達到新的平衡 ,得到所要求的形狀 ,矯直過程 ,實質(zhì)就是彈塑性變形過程 ,對于薄鋼板 ,一般常采用多輥矯直機進行矯直 .111 多輥矯直機矯直機理對于理想彈塑性板帶材 ,若經(jīng)過第 i 輥時具有相對原始曲率為 Cr i ,相對反彎曲率為 Cp i ,則可確定其相對彈復曲率Cy i = 115 - 12 C2z i(1)式中 Cy i 為第 i 輥下的相對彈復曲率 ( Cy i =1 y i /1 j ) ; y i 為第輥 i 下的彈復曲率半徑 ; j 為純彈性變形時彈性極限彎曲半徑 ; Cz i 為第 i 輥下的相對總彎曲曲率 , Cz i = Cr i + C i ;板材經(jīng)過該輥后的相對殘余曲率 Cs i 為相對反彎曲率 C i 和相對彈復曲率 Cy i 之差 .軋件矯直的基本原則是 :軋件經(jīng)過反彎、彈復后的相對殘余曲率 Cs i 為零 ,即反彎曲率 Cp i 等于反彎之后的彈復曲率 Cy i . 如果軋件彈復后還未被矯直 ,則此殘余曲率 Cs i 即為下一次再彎曲時的原始曲率 ,即 Cs i = Cr ( i +1) .112 矯直方案的選擇為了使板材矯直質(zhì)量在現(xiàn)有的設備下得到很好的提高 ,對于不同缺陷 ,厚薄的板材 ,采用不同的矯直方案 .1. 2. 1 小變形調(diào)整方案這種調(diào)整方案的基本原則是 ,進入該輥的軋件 ,經(jīng)過反彎及彈復后 ,其最大原始曲率應完全消除 . 為了能消除進入該輥的最大原始曲率 Cr o ,該輥的反彎曲率 C 應等于反彎之后的彈復曲率第 25 卷 第 4 期2 0 0 3 年 8 月沈 陽 工 業(yè) 大 學 學 報Journal of Shenyang University of TechnologyVol125 No14Aug. 2 0 0 3Cy ,即C = Cy = 115 - 12 ( Cr0 + C ) 2(2)11212 最小能量調(diào)整方案這種方案的出發(fā)點是軋件平直部分不產(chǎn)生塑性變形 ,故軋件平直部分內(nèi)部不產(chǎn)生殘余應力 . 采用這種調(diào)整方案時 ,各輥下的反彎曲率都是相等的 ,即等于最大的純彈性彎曲曲率 1j如用反彎曲率 C 表示 ,則 C = 1 ,此時應有Cy = 115 - 12 ( Cr0 + 1) 2(3)11213 大變形調(diào)整方案由于相對總彎曲曲率 Cz 越大 ,因此相對彈復曲率的差值也越大 . 大變形調(diào)整方案就是根據(jù)這一特點來進行調(diào)整的 ,它在第二、三輥上采用很大的相對反彎曲率 ,使軋件各部分的相對彎曲曲率 Cz 均達到很大的值 ,則可使用相對彈復曲率Cy 接近于同方向的某一數(shù)值 ,這就可較迅速地將相對殘余曲率減小 ,使整個軋件長度上幾乎成為單值曲率 . 在第四輥或第五輥以后 ,軋件的相對反彎曲率逐漸減小 ,逐漸趨于平直 . 這種調(diào)整方案可消除一定的橫向瓢曲 .11214 整體傾斜調(diào)整方案這種調(diào)整方案 ,主要是調(diào)整首、尾部壓下量 ,其首部壓下量使其相對反彎曲率 C = 3 5 ,尾部壓下量的相對反彎曲率 C ( n - 1) = 1. 當確定第二輥及倒數(shù)第二輥 ( n - 1 輥 )上的反彎曲率后 ,就可按線形規(guī)律來確定其他輥子的反彎曲率 .2 薄鋼板矯直專家系統(tǒng)的設計專家系統(tǒng)是一種典型的知識處理系統(tǒng) ,它是把某個領域內(nèi)專家的知識和經(jīng)驗加以總結(jié)、整理之后 ,編寫成計算機職能程序系統(tǒng) ,通過計算機進行知識信息的處理 ,來解決某些專業(yè)范圍內(nèi)的重要問題 ,從而起到人類專家的作用 .211 模型的建立由于板材矯直方案的不同 ,因此數(shù)學模型也不相同 . 根據(jù)不同方案中所求出的反彎曲率 ,可以求出矯直輥的壓下量和矯直力 .21111 撓度的計算 i = F l3t6 EI + Ct 43 l3t - 3 lt + l3 lt 3 - 2 l/ lt - C0 l22 (4)式中 l 為輥距 ; lt = 2 s3 - 1 C2(彈性彎曲區(qū)長度 ,s = l/ 4) ; E 為被矯板材的彈性模量 ; I 為被矯板材的橫截面慣性矩 ; F為壓下力 ; Ct = M t/ EI (彈性極限曲率 ) ; C 為總的相對曲率 ; C0 為板材的原始曲率 ; M t 為板材純彈性彎曲時的彈性極限彎曲力矩 . 知道了兩上輥的壓彎撓度 ,就可以求出它們中間下輥的壓彎撓度 ,即 i - 1 = 12 ( i + i - 2) (5)21112 壓下量的計算 i = 2 i , i - 1 = 2 i - 1i i - 2 = 2 i - 2 則 i - 1 = 12 ( i + i - 2) (6)式 (6)表明 ,相鄰兩個上輥壓下量設定之后 ,它們共同下輥的壓下量就可以求出 .21113 矯直力的計算每個輥子的矯直力為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 為彈性斷面模數(shù) , B 為板寬 , H 為厚度 ) , M為塑彎比 ; t 為板材的屈服強度 ; M i 為在第輥 i處材料所受到的彎矩 .212 程序設計框架該薄板矯直專家系統(tǒng)的設計原則是 :用戶根據(jù)已知條件輸入特定參數(shù)值 ,通過推理機 ,首先查找數(shù)據(jù)庫 ,是否有完全匹配值 ,如果找到就直接調(diào)用現(xiàn)有值 ,如果有部分匹配值 ,則進行線性擬合或使用插值方法進行計算 ,如果沒有匹配值 ,則進行方案選擇 ,在最佳方案中求出壓下量及矯直力 ,如果該求出量滿足生產(chǎn)需要 ,則把以上參數(shù)值存儲到數(shù)據(jù)庫中 ,使機器具有自學習能力 ,框圖如圖 1 所示 .圖 1 薄板矯直專家系統(tǒng)的程序框圖Fig. 1 Block diagram of Expert System in level2ling thin plates472 沈 陽 工 業(yè) 大 學 學 報 第 25 卷3 結(jié)束語薄板矯直專家系統(tǒng)應用了人工智能 (AI) 技術 ,借助計算機仿學熟練技工的經(jīng)驗和知識 ,運用概率統(tǒng)計理論建立知識庫 ,知識庫內(nèi)容不會因時間長短而丟失 . 凡是用到薄板矯直的地方都可無限制地、自動地增強知識庫 ,可連續(xù)和重復利用數(shù)據(jù)庫 ,可達到提高加工質(zhì)量、效率、降低生產(chǎn)成本的目的 .參考文獻 :1 崔甫 . 矯直理論與參數(shù)計算 M .北京 :機械工業(yè)出版社 ,1987.(Cui P. Levelling theory and parameter calculation M .Beijing :China Machine Press ,1987. )2 鄒家祥 . 冶金機械的力學行為 M .北京 :科學出版社 ,1999.(Zou J X. Mechanical behavior of metallurgy Mechanics M . Beij ng :Science Press ,1999. )3 施鵬飛 ,姚遠 . 人工智能教程 M .上海 :上海交通大學出版社 ,1993.(Shi P F , Yao Y. Artificial intelligence tutorial M .Shanghai : Press of Shanghai University of Communica2tion ,1993. )4 鄭紹春 ,王呈方 ,胡勇 . 肋骨冷彎成形加工專家系統(tǒng)的研究 J .造船技術 ,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