CC BY
3
Key words: radial shear rolling, magnesium alloys, mathematical modeling, Forge 3D, unevenness of deformation, mechanical properties.
Bajor Teresa, PhD, teresa.bajor@pcz.pl, Poland, Czestochowa, Czestochowa University of Technolo-
Dyja Henryk, doctor of technical sciences, proffessor, Poland, Czestochowa, Czestochowa University of Technology,
Gryc Aneta, PhD, Poland, Czestochowa, Czestochowa University of Technology,
Bakhaev Konstantin Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, bakhaev@stu.lipetsk.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Gorbunov Kirill Sergeevich, postgraduate, beluivolk96@mail.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Mazur Igor Petrovich, doctor of technical sciences, professor, head of depatment, ma-zur@stu.lipetsk.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
УДК 621.9-05
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-380-386
МЕХАТРОННАЯ МОДЕЛЬ ТРЕХКАМЕРНОЙ ПЕЧИ УЧАСТКА ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
А.А. Анцифиров, Т.Ю. Артюховская
В статье рассматривается упрощенная модель трехкамерной печи участка горячей объемной штамповки на базе мехатронного стенда, содержащего три уровня, на каждом из которых располагаются нагреваемые заготовки. На стенде предусмотрено упрощение функционирования работы модели печи отсутствием физического нагрева. Для печи предусмотрен конвейер и трехкоординактный робот-манипулятор, содержащий схват с оптическим датчиком. При помощи датчика возможно автоматизированное обнаружение в печи позиции с расположенной на ней заготовкой с целью последующего переноса на конвейер для дальнейшего перемещения на кривошипный горячештамповочный пресс. Управления средствами автоматизации осуществляется при помощи специальной разработанной программой в среде Codesys 3.5. Стенд предназначен для проведения практических занятий по разработке автоматизированных систем управления технологическими процессами, в том числе, в области обработки металлов давлением.
Ключевые слова: обработка металлов давлением, нагрев, мехатронные системы, автоматизация.
Понимание основ функционирования современного уровня технологических процессов и решений в области машиностроения может быть достигнуто путем имитации работы на стендовом оборудовании. Широкие возможности, наряду с компьютерным моделированием, открывают существующие разработки в области мехатронных систем в виде собираемых стендов требуемой компоновки.
Благодаря широкому набору готовых средств механизации и программно-аппаратных средств автоматизации, из которых могут состоять мехатронные системы, появляется возможность выполнять прототипирование вновь разрабатываемых производств, а также оценивать возможность модернизации существующих производственных процессов. Актуальным представляется тот факт, что благодаря использованию стендового оборудования появляется возможность совершенствовать технические навыки и в сжатые сроки повышать инженерную квалификацию сотрудников профильных предприятий.
В статье рассматривается нагревательное устройство, которое представляет собой трехуровневую печь, предназначенную для нагрева заготовок методом горячей объемной штамповки на кузнечно-прессовом оборудовании (КШО). образцом нагревательного устройства принята печь американского производителя Lindberg/MPH. Автоматизация участка горячей объёмной штамповки обеспечивается не только за счет разработанной производителем системы управления нагревом печи, но с использованием предлагаемой системой управления автоматизированного обнаружения и переноса нагретых заготовок из зоны нагрева на конвейер для их последующего перемещения в зону обработки давлением.
380
Обзор модели трехуровневой печи. Вопросами моделирования работы кузнечно-штамповочного оборудования последние несколько десятилетий на кафедре МТ6 МГТУ им Н. Э. Баумана занимались такие ученные, как Бочаров Ю.А., Гладков Ю.А. [1, 2]. Программному имитационному моделированию и адаптивному управлению кривошипными горячештамповочными прессами посвящена также работа [3]. Наряду с программными моделями, использование стендового оборудования в ряде случаев открывает возможности интерпретировать процессы автоматизации в обработке металлов давлением (ОМД). Моделирование функционирования систем управления в технологических процессах ОМД, в том числе и нагревательными устройствами, при допустимых ограничениях мехатронного оборудования может быть осуществлено как для отечественного оборудования, так и для современных зарубежных решений.
Разработка американской компании Lindberg/MPH, принятая в качестве образца мехатронного стенда трехуровневой печи, представляет собой три независимые камеры, расположенные вертикально друг над другом. Конструкция печи предполагает одновременное размещение и нагрев значительного количества заготовок, при этом для обеспечения процесса горячей объемной штамповки (ГОШ) на прессовом оборудовании время цикла нагрева сокращается, а сама печь в границах участка ГОШ занимает сравнительно ограниченное пространство. Принятый в статье образец трехкамерной печи на участке ГОШ со средствами автоматизации [4], представлен на рис. 1.
Рис. 1. Трехкамерная печь Lindberg/MPH
Допустимым отличием мехатронного стенда от натурного образца трехуровневой печи является отсутствие заслонок, которые в камерах нагрева обеспечивают сохранение требуемой температуры. Мехатронная модель печи, представленная на рис. 2, со средствами автоматизации на участке горячей объемной штамповки также содержит отличия, заключающиеся в следующем. Нагреваемые заготовки представляют собой металлические цилиндры, располагаемые на трех уровнях нагрева. Робот манипулятор, в отличие от представленного на рис. 1, является трехкоординатным, горизонтальное перемещение робота вдоль уровней нагрева осуществляется по винтовой передаче, вращение которой происходит от двигателя постоянного тока, который в свою очередь управляется от смыкания или размыкания контактов реле. движение рабочих органов по вертикальной координате происходит при помощи бесштокового пневматического цилиндра двухстороннего действия, на подвижной каретке которого размещается пневматический схват с оптическим датчиком для обнаружения позиций с заготовками, предназначенными для нагрева. Управление пневматической системой робота-манипулятора осуществляется от элек-тропневмораспределителей. Концевое позиционирование по горизонтали, вертикали и мониторинг срабатывания схвата робота происходит благодаря использованию бесконтактных датчиков положения. Промежуточное положение робота во время перемещения по винтовой передаче определяется за счет консольно расположенного счетчика импульсов, количество которых изменяется в зависимости от числа совершенных оборотов винта и направления горизонтального перемещения робота. После установки заготовок на ленту и возврата схвата на первый уровень нагрева конвейер начинает автоматическое перемещение извлеченных заготовок в зону штамповки. Сигналы от датчиков и счетчика импульсов по сети RS-485 поступают на модуль дискретного ввода и по специально разработанному алгоритму служат обратной связью для формирования дискретных управляющих сигналов на электропневмараспределите-ли и двигатели.
Аппаратная часть мехатронного стенда базируется на сенсорном программируемом контроллере СПК110 [5]. Протокол связи с модулями ввода/вывода Modbus RTU [6]. Управление стендом осуществляется через человеко-машинный интерфейс (ЧМИ), на котором помимо кнопок управления представлено отображение позиций, на которых могут располагаться нагреваемые заготовки, имитируемые цилиндрами. Алгоритм и реализован на языке программирования ST стандарта МЭК 61131-3 [7] в специальной среде CoDeSyS 3.5 [8, 9], предусматривающую возможность разработки графического интерфейса ЧМИ.
Изображение рассматриваемого в статье стенда [10] представлено на рис. 2.
Рис. 2. Мехатронный стенд трехуровневой печи.: 1 - цилиндрические заготовки на вертикальных уровнях; 2 - винтовая передача со счетчиком импульсов; 3 - двигатель горизонтального перемещения робота-манипулятора; 4 - реле управления двигателем горизонтального перемещения робота-манипулятора; 5 - бесштоковый пневматический цилиндр двухстороннего действия;
6 - схват с оптическим датчиком; 7 - электропневмораспределители пневматической системы робота-манипулятора; 8 - конвейер для переноса заготовок в зону штамповки; 9 - интерфейс
управления стендом трехуровневой печи
Работа с моделью трехуровневой печи начинается с того, что оператор посредством человеко-машинного интерфейса осуществляет управляющее воздействие на задание исходного положения роботу-манипулятору, после чего схват робота располагается слева под нижним уровнем нагрева, над лентой конвейера. После задания положения все позиции, на которых могут располагаться заготовки для нагрева изменяют свой цвет на серый, что служит индикатором того, что позиции под заготовки системой управления стендом трехуровневой печи принимаются пустыми. Для определения позиций, занятых заготовками предусмотрена команда автоматического сканирования уровней при помощи оптического датчика, после выполнения которой схват в левом положении начинает движение на первый уровень нагрева по вертикали, а после начинает перемещаться вдоль уровня, пока не достигнет правого конечного положения. Аналогичным образом, только справа на лево, происходит сканирование второго уровня, сканирование третьего уровня нагрева происходит аналогично первому. Позиции на которых происходит обнаружение заготовок автоматически изменяют свой цвет в зелёный, пустые позиции сохраняют серый цвет. По решению оператора для перемещения на конвейер с целью последующего осуществления операции ГОШ может быть выбрана требуемая заготовка, после чего выбранная позиция до ее извлечения изменяет цвет на желтый, а после извлечения выбранная приобретает цвет, принятый для пустой позиции.
Пример определения позиций с заготовками трехуровневой печи. На уровнях нагрева занятые заготовками или пустые позиции могут быть рассмотрены в качестве битовых переменных, которые могут принимать значения 0 или 1, при этом такие переменные удобно представлять со своим порядковым номером в формате одного слова, содержащего 16 бит. В процессе нахождения заготовок в печи могут возникать нежелательные ситуации перегрева, тогда для соответствующей позиции можно ввести отличительный признак нагрева с выдачей соответствующего сообщения оператору. Перегрев должен фиксироваться использованием подходящего оптического датчика температуры. Таким образом сведения об одной позиции могут быть представлены в формате согласно рис. 3.
Lev i
VertJ VertJ+1 VertJ+2 Рис. 3. Формат представления одной позиции нагрева заготовок.
На рис. 3:
параметр Lev_i обозначает уровни нагрева заготовок, индекс i параметра отчитывается от 0
до 2;
1 2 3
бит значение
нагрев бита 0/1
параметр ^Ъг^ обозначает вертикальное расположение заготовок, индекс ) параметра отчитывается от 0 до 3.
С учетом того, что в статье рассматривается модель печи с тремя уровнями, для каждого из которых предусмотрено четыре позиции расположения заготовок по вертикали, то печь можно рассмотреть, как двухмерный массив ArrOfPos[Lev_i, VertJ•3].
Введем нумерацию позиций через обозначение порядкового номера бит переменной вида Lev_iVert_j, которая соответствуют признаку штатного нагрева Wrd0_Lev_iVert_j согласно табл. 1:
Таблица 1
Нумерация позиций для нагрева заготовок _
Номер позиции (byte) Нагрев (byte) Значение бита позиции
Lev OVert 0 = 0 Wrd0 Lev 0Vert 0 = 0 0/1
Lev 1Vert 0 = 1 Wrd0 Lev 1Vert 0 = 0 0/1
Lev 2Vert 0 = 2 Wrd0 Lev 2Vert 0 = 0 0/1
Lev 0Vert 1 = 3 Wrd0 Lev 0Vert 1 = 0 0/1
Lev 1Vert 1 = 4 Wrd0 Lev 1Vert 1 = 0 0/1
Lev 2Vert 1 = 5 Wrd0 Lev 2Vert 1 = 0 0/1
Lev 0Vert 2 = 6 Wrd0 Lev 0Vert 2 = 0 0/1
Lev 1Vert 2 = 7 Wrd0 Lev 1Vert 2 = 0 0/1
Lev 2Vert 2 = 8 Wrd0 Lev 2Vert 2 = 0 0/1
Lev 0Vert 3 = 9 Wrd0 Lev 0Vert 3 = 0 0/1
Lev 1Vert 3 = 10 Wrd0 Lev 1Vert 3 = 0 0/1
Lev 2Vert 3 = 11 Wrd0 Lev 2Vert 3 = 0 0/1
Таким образом сведения о наличии или отсутствии заготовки на одной позиции для нагрева в модели трехуровневой печи, например, левой нижней, которой соответствует индекс [0, 0] массива ArЮfPos[Lev_i, Vert_j•3] могут быть представлены следующим образом: АгЮ^[Ьеу_0, УеИ_0 • 3] = Lev_0Vert_0 // 0 бит
АгЮ^[Ьеу_0, Vert_0 • 3 +1] = Wrd0_Lev_0Vert_0 // признак 0
Если заготовка есть, ArrOfPos[Lev_0, Vert_0•3 + 2] = 1
Если заготовки нет, ArrOfPos[Lev_0, Vert_0•3 + 2] = 0 Для последней позиции нагрева, которая располагается в верхнем правом углу стенда модели печи, сведения программным образом описываются в виде такого формата: ArrOfPos[Lev_2, Vert_3 • 3] = Lev_2Vert_3 //11 бит
ArrOfPos[Lev_2, Vert_3 • 3 +1] = Wrd0_Lev_2Vert_3 // признак 0
Если заготовка есть, ArrOfPos[Lev_2, Vert_3•3 + 2] = 1
Если заготовки нет, ArrOfPos[Lev_2, Vert_3•3 + 2] = 0 Аналогичным образом в режиме автоматического сканирования уровней печи, рассматривается наличие или отсутствие заготовок для остальных позиций, соответствующих битам от 2 до 10 с соблюдением индексов параметров Lev_i и ^^г^.
Подобный подход позволяет масштабировать процесс автоматизации не только для случаев нагрева, когда позиций для заготовок может быть больше, чем рассматривается в данной статье, но и когда требуется автоматизировать более чем один участок горячей объемной штамповки, если печей может быть несколько.
Программным образом используя масштабирование можно формировать сигналы приоритетного уровня, поступающие от датчика температуры, которым могут соответствовать случаи перегрева. Сведения о таких позициях могут быть представлены согласно рис. 4.
1 2 3
О lit Lev i
бит значение
1 перегр. бита 0/1
Рис. 4. Формат представления одной позиции перегрева заготовок.
от 0 до 2;
На рис. 4:
параметр Oht_Lev_i обозначает уровни перегрева заготовок, индекс i параметра отчитывается
параметр 0Ы:^е11_ обозначает вертикальное расположение перегретых заготовок, индекс ] параметра отчитывается от 0 до 3.
Для формирования сигналов от датчика температуры для рассматриваемого случая табл. 1 преобразуется к виду табл. 2, в которой номера бит позиций будут обозначаться через переменные вида Ht_Lev_iVert_j, а признак перегрева - Wrd1_Lev_iVert_j:
Таблица 2
Нумерация позиций перегретых заготовок_
Номер позиции (byte) Нагрев (byte) Значение бита позиции
Ht Lev 0Vert 0 = 0 Wrd1 Lev 0Vert 0 = 1 0/1
Ht Lev 1Vert 0 = 1 Wrd1 Lev 1Vert 0 = 1 0/1
Ht Lev 2Vert 0 = 2 Wrd1 Lev 2Vert 0 = 1 0/1
Ht Lev 0Vert 3 = 9 Wrd0 Lev 0Vert 3 = 1 0/1
Ht Lev 1Vert 3 = 10 Wrd0 Lev 1Vert 3 = 1 0/1
Ht Lev 2Vert 3 = 11 Wrd0 Lev 2Vert 3 = 1 0/1
Сведения о позиции, на которой обнаружена перегретая заготовка, например, последняя справа на среднем уровне, будут представляться в следующем виде:
ArrOfPos[Oht_Lev_1, Oht_Vert_3 • 3] = Ht_Lev_1Vert_3 //10 бит ArrOfPos[Oht_Lev_1, Oht_Vert_3 • 3 +1] = Wrd1_Lev_1Vert_3 // признак 1 Если заготовка есть и перегрета, ArrOfPos[Oht_Lev_1, Oht_Vert_3 3 + 2] = 1
Если заготовки есть и не перегрета, ArrOfPos[Oht_Lev_1, Oht_Vert_3-3 + 2] = 0 Обработку вышеизложенного определения позиции с заготовкой и степенью ее нагрева удобно осуществить в виде программного кода на языке ST. Результаты обработки массива ArrOfPos[Lev_i, Vert_j-3] для случая допустимого нагрева можно присвоить переменной ItemOnOff типа WORD, а случае перегрева - ItemOverHeart.
В виде программного кода на языке ST обработка массива ArrOfPos[Lev_i, VertJ-3] выглядит нижеследующим образом:
j := 0; // Второй индекс массива ArrOfPos[] ItemOnOff := 0; WHILE (j <= 9) DO
i := 0; // Первый индекс массива ArrOfPos[] WHILE (i <= 2) DO SetBit := 1; //
IF(ArrOfPos [i, j+2] = 1)THEN CASE ArrOfPos [i, j+1] OF
0: ItemOnOff := ItemOnOff OR SHL(SetBit, ArrOfPos [i, j]);
1: ItemOverHeart := ItemOverHeart OR SHL(SetBit, ArrOfPos [i, j]);
END_CASE
i := 2; // Индекс со значением последнего уровня END_IF i := i + 1; END_WHILE j := j + 3; END_WHILE
Результатом выполнения программного кода для случая штатного нагрева заготовок будет изменяемое состояние каждого бита переменной ItemOnOff, которое можно представить в виде табл. 3:
Таблица3
Нумерация^ бит позиций нагреваемых заготовок _
Уровни Вертикальное расположение 1 Вертикальное расположение 2 Вертикальное расположение 3 Вертикальное расположение 4
Уровень нагрева 3 ItemOnOff.2 ItemOnOff. 5 ItemOnOff.8 ItemOnOff.11
Уровень нагрева 2 ItemOnOff. 1 ItemOnOff.4 ItemOnOff.7 ItemOnOff.10
Уровень нагрева 1 ItemOnOff.0 ItemOnOff.3 ItemOnOff.6 ItemOnOff.9
Для случая перегрева заготовки оператором выбора CASE станет переменная ItemOverHeart в которой соответствующий бит изменить свое состояние.
Заключение. Требования, предъявляемые современному уровню подготовки инженеров в области машиностроительных технологий России, в частности специалистам по обработке металлов давле-
нием, могут включать в себя не только знания и компетенции по конструированию, технологическим процессам, машинам и оборудованию, но и базовые представления в области управления процессами и машинами с использованием программно-аппаратных средств верхнего и нижнего уровня. На базе рассмотренного в данной работе мехатронного стенда представляется возможность демонстрировать современный подход к разработке систем управления подготовительным этапом перед операцией горячего объемного деформирования, однако процессы управления в ОМД включают в себя и дальнейшие стадии технологических операций, к которым применим подход стендового моделирования.
Список литературы
1. Бочаров Ю.А., Гладков Ю.А. Инновационная разработка программы имитационного моделирования для системы управления горячештамповочным комплексом // Образование, наука, технологическое развитие России-история и перспективы: Тез. докл. межд. конф. М., 2001. С. 115.
2. Computer Simulation of Closed Gap Numerical Control and Adjustment for Hot-Die Forging Mechanical Press / Yu.A. Bocharov [et all.] // Proceedings 8th ICTP. Verona (Italy), 2005. P. 243-246.
3. Анцифиров А.А. Разработка методики проектирования механизма оперативной регулировки закрытой высоты КГШП по параметрам штамповки с целью повышения точности высотного размера поковок: дисс. ... канд. техн. наук. М., 2010. 144 с.
4. Lindberg/MPH Hot Stamp Furnace Customer Showcase [видеоролик] // YouTube. 08.08.2019. Просмотрено 30.03.2023.
5. Официальный сайт компании ОВЕН. [Электронный ресурс] URL: https://owen.ru (дата обращения: 30.03.2023).
6. Modbus Organization Replaces Master-Slave with Client-Server. [Электронный ресурс] URL: https://modbus.org (дата обращения: 30.03.2023).
7. Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов: сайт. [Электронный ресурс] URL: https://docs.cntd.ru/document/1200135008 (дата обращения: 30.03.2023).
8. Информационный ресурс. CODESYS. [Электронный ресурс] URL: https://www.codesys.com (дата обращения: 30.03.2023).
9. Каталог продукции компании ОВЕН. [Электронный ресурс] URL: https://owen.ru/product/codesys v3 (дата обращения: 30.03.2023).
10. Информационный ресурс Camozzi. [Электронный ресурс] URL: https://www.camozzi.ru (дата обращения 30.03.2023).
Анцифиров Алексей Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, преподаватель, aantsif@bmstu. ru, Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана (НИУ),
Артюховская Татьяна Юрьевна, канд. техн. наук, доцент, исполняющий обязанности заведующего кафедрой, tart@bmstu.ru, Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана (НИУ)
MECHATRONIC MODEL OF THREE ZONE FURNACE FOR HOT FORGING AREA A.A. Antsifirov, T.U. Artyuhovskaya
In article considering simplified model three zone furnace for hot forging area on base of mechatronic stand, which include three level with heated blank on each. Stand provide simplified of work furnace model by absence of physical blank heating. For a furnace considering transporter and tree axis robot manipulator including arm with optical sensor. With sensor help it is possible in automatic mode detect position with blank in furnace with purpose subsequentit carry on transporter and further transfer to the crank hot forging press. Control means of automatisation implemented with help special developed program in Codesys 3.5 environment. Stand created for practical task spend on the development of automated control systems by technological process, including metal forming field.
Key words: metal formig, heating, mechatronic systems, automatisation.
Antsifirov Alexey Anatolevich, candidate of technical sciences, docent, lecturer, aantsif@bmstu.ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University (NRU),
Artyukhovskaya Tatiana Yuryevna, candidate of technical sciences, docent, acting head of the department, tart@bmstu.ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University (NRU)
