Статья опубликована в рамках: XXXVI Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 24 ноября 2015 г.)
Наука: Технические науки
Секция: Металлургия
Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции
дипломов
ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕЖИМА ПРОКАТКИ
Зелинов Иван Дмитриевич
E-mail: 60w51a02g50@mail.ru
Новицкий Игорь Олегович
магистранты 1 курса, кафедра технологий обработки материалов
ФГБОУ ВПО МГТУ «им. Г.И. Носова»,
РФ, г. Магнитогорск
E-mail: igor_novitckii@mail.ru
Зелинова Юлия Александровна
магистрант 1 курса, кафедра технологии машиностроения
ФГБОУ ВПО МГТУ «им. Г.И. Носова»,
РФ, г. Магнитогорск
E-mail: juliachekanova@mail.ru
Румянцев Михаил Игоревич
научный руководитель, канд. тех. наук, профессор кафедра технологий обработки материалов ФГБОУ ВПО МГТУ «им. Г.И. Носова»,
РФ, г. Магнитогорск
Современное металлургическое производство функционирует в условиях быстро меняющихся внешних и внутренних условий, что требует оперативного и точного решения задач как по разработке технологий получения новых видов продукции, так и по совершенствованию действующих производственных процессов. Успешное решение указанных задач не может быть достигнуто без использования эффективных информационных технологий. Применительно к разработке технических и технологических решений такой технологией уже давно признано автоматизированное проектирование [7; 4].
Разработку режима прокатки безусловно следует отнести к задачам проектирования технологических режимов, которые сравнительно полно рассмотрены применительно к машиностроению [3; 12 и др.] При этом, в соответствии с государственными стандартами ЕСТПП [2], необходимо различать переход, технологическую операцию и технологический процесс. В исследовании [13] предложены следующие трактовки.
Прокатка как переход – это однократное пластическое деформирование металла вращающимися валками.
Прокатка как технологическая операция включает несколько последовательно выполняемых переходов. Например:
· транспортирование металла к валкам;
· ориентация металла перед проходом (разворот в горизонтальной плоскости, кантовка, смещение вдоль валов для задачи в необходимый калибр);
· пластическое деформирование металла валками (проход).
Прокатка как технологический процесс включает многократное повторение прокатки как технологической операции, а также другие операции, влияющие на качество проката (обрезку концов полосы, ее охлаждение и т. д.).
Для создания практически и научно обоснованного подхода к разработке режима прокатки важное значение имеет формулировка цели прокатки. В работах М.И. Румянцева [9; 11] цель прокатки рассматривается следующим образом: при заданном расходе ресурсов получить прокат заданного качества в заданном количестве. Таким образом, режим прокатки есть совокупность конкретных значений тех параметров системы, ее реализующей, регламентацией которых можно обеспечить достижение цели прокатки. Режим прокатки как процесса должен включать параметры, характеризующие влияние на достижение цели прокатки иных операций, выполняемых на стане (например, натяжение при размотке и смотке полосы на стане холодной прокатки, расход воды на охлаждение перед смоткой в рулон тонкой горячекатаной полосы на ШСГП, продолжительность междеформационной паузы при контролируемой прокатке на толстолистовых станах и т. д.). Режим прокатки не следует сводить к деформационным, скоростным или температурным параметрам. В зависимости от конкретной задачи множество режимных параметров может сужаться или расширяться.
Разработка режима прокатки по сути представляет собой процесс проектирования. В связи с этим необходимо выявить особенности режима прокатки как объекта проектирования. Рассмотрим проход. В этом случае прокатка осуществляется в системе «прокатная клеть-полоса» (рисунок 1). Прокатная клеть включает рабочую клеть (исполнительный орган), двигатель и передаточный механизм (привод). Полоса включает задний конец, очаг деформации и передний конец.
Всякий объект проектирования характеризуется внутренними и внешними параметрами, причем среди внешних выделяют входные и выходные параметры [7; 1]. К выходным параметрам режима прокатки как объекта проектирования логично отнести показатели качества и количества обработанной (прокатанной) полосы. Внутренние параметры объекта проектирования характеризуют элементы этого объекта и взаимодействия между ними. С такой точки зрения внутренними параметрами прокатки являются параметры прокатываемой полосы, параметры оборудования и параметры взаимодействия оборудования с полосой.
Классификация параметров заднего конца полосы не очевидна. С одной стороны, они характеризуют прокатываемую полосу и поэтому должны рассматриваться как внутренние параметры. С другой стороны, значения этих параметров формируются во внешней по отношению к системе «прокатная клеть-полоса» среде, а собственно задний конец полосы является как бы каналом передачи воздействий внешней среды на очаг деформации в данном проходе. К внутренним параметрам прохода можно отнести те характеристики заднего конца, которые зависят от его взаимодействия с другими элементами полосы (например – скорость входа полосы в очаг деформации). Те же характеристики, которые передаются задним концом полосы в систему «прокатная клеть-полоса», можно считать для прохода внешними параметрами. Примером такого параметра можно назвать натяжение заднего конца полосы, его толщину, температуру и т. д.
Рисунок 1. Элементы системы «Прокатная клеть – полоса»
Цель проектирования достигается выполнением ряда процедур, из которых основными являются синтез и анализ.
По результатам анализа оценивают степень достижения цели проектирования и, при необходимости, изменяют значения управляемых параметров, стремясь обеспечить соответствие значений выходных параметров значениям этих же параметров, указанным в техническом задании.
Задача проектирования режима прокатки заключается, во-первых, в определении таких значений параметров, при которых цель прокатки будет достигнута наилучшим образом и, во-вторых, в представлении полученных результатов. Задача автоматизированного проектирования, которое должно выполняться с оптимальным распределением функций между человеком и ЭВМ, дополняется, по сравнению с сформулированной выше, необходимостью диалога между ЭВМ и проектировщиком.
Задача проектирования режима решается для конкретного профилеразмера. В качестве цели принимается получение на выходе из стана полосы приемлемого качества (с допустимыми параметрами неплоскостности и разнотолщинности, необходимыми механическими свойствами и заданной микрогеометрией). При вариациях режима проверяются ограничения по усилиям, мощности, скорости прокатки и ограничения, вытекающие из особенностей технологии. Совокупность параметров для настройки стана, выдаваемых в результате решения, включает: толщины полосы на входе в стан и на выходе из клетей, натяжения полосы в межклетевых промежутках и на выходе из стана (последнее по току двигателя моталки), скорость прокатки (линейная скорость валков последней клети), энергосиловые параметры во всех клетях.
Указанные принципы реализованы в виде универсального (обобщенного) алгоритма автоматизированного проектирования режимов прокатки (рис. 2).
Сначала заданием значений параметров, характеризующих стан, группу клетей или отдельную клеть, должно быть выполнено описание состояния обрабатывающей системы (блок 1). При этом параметры целесообразно классифицировать на неизменные и управляемые технологическим персоналом. К первым относятся мощности и скорости вращения двигателей, передаточные отношения главных приводов, максимальные допустимые усилия и моменты прокатки, расстояния между клетями и т. п. Ко вторым – диаметры и станочные профилировки валков (под этим термином можно понимать не только выпуклость или цилиндричность листопрокатных валков, но и параметры, характеризующие как ручьи на сортопрокатных валках, так и их размещение по длине бочки), исходное (до завалки в клеть) состояние поверхности валков, род и свойства технологической смазки и т. д. Значения неизменных параметров и некоторое исходное приближение управляемых целесообразно хранить в виде массива данных, считываемого сразу после запуска программы. Однако, управляемые параметры должны быть доступны для коррекции. Возможно, что некоторые из параметров будут рассчитываться в рамках процедуры описания состояния обрабатывающей системы на основании введенной информации, но очевидно, что множество «Параметры обрабатывающей системы» не должно быть шире, чем это необходимо в рамках конкретной постановки рассматриваемой задачи.
Рисунок 2. Обобщенный алгоритм автоматизированного проектирования режимов прокати
Описание исходного состояния полосы (блок 2) состоит в определении множества значений, характеризующих металл перед началом его обработки. В этом состоянии, в зависимости от вида прокатанного из нее профиля, полосу называют слитком, блюмом, слябом, заготовкой или подкатом. Однако в любом случае должны быть указаны размеры, температура, характеристики реологических и, при необходимости, иных свойств материала. Часть из этих определяются вводом исходные данных, другие – рассчитываются по определенным соотношениям. Подобно управляемым параметрам обрабатывающей системы, вводимые параметры полосы в исходном состоянии должны быть доступны для коррекции.
Описание цели (блок 3) прокатки представляется нам как выбор целевой функции, задание критерия оптимальности, формирование комплекса ограничений и указаний об их выполнимости. Остановимся подробнее на двух последних действиях. Как показывает известный опыт многочисленных разработок режимов прокатки, комплекс ограничений объективно должен включать общие и специфические условия допустимости значений тех или иных параметров, характеризующих взаимодействие полосы с обрабатывающей системой. Так, например, требование о том, чтобы усилие прокатки не превышало максимального допустимого, существенно как для прокатки сортового профиля, так и для холодной прокатки полосы и поэтому оно является общим. В тоже время, для холодной прокатки полосы не актуальна проблема потери устойчивости в виде самопроизвольной кантовки, но весьма существенна проблема устойчивости плоской формы. Именно ограничения, отображающие ситуации, наблюдаемые лишь при определенных условиях, и являются специфическими. Таким образом, общие ограничения составляют постоянную часть комплекса ограничений и, в зависимости от конкретной задачи, должны быть дополнены некоторыми специфическими условиям. Вместе с тем, нельзя отрицать возможность учета лишь некоторых, наиболее естественных по каким-то соображениям, общих ограничении. Следовательно, в рамках программы автоматизированного проектирования режима, прокатки необходимо предусмотреть возможность коррекции проектировщиком списка элементов комплекса ограничений как в части общих, так и в части специфических условий допустимости решения. Именно эту процедуру мы называем формированием комплекса ограничений. Под указаниями о выполнимости понимается задание экстремальных значений ограничиваемых параметров. Предоставление проектировщику такой возможности позволит ему ужесточением одних и смягчением других условий отобразить собственный опыт оценивания режимов прокатки.
Описание режимов воздействия (блок 4) состоит в задании значений параметров, характеризующих оперативные воздействия на элементы системы, реализующей прокатку, непосредственно во время процесса. К таким параметрам относим обжатия, скорости прокатки, натяжения, расход охлаждающей жидкости, усилия гидроизгиба валков и т. п. Как и на предыдущих этапах, здесь должны быть предусмотрены возможность считывания первого приближения из некоторого массива справочной информации и его коррекция проектировщиком. Причем, контуры коррекции могут быть организованы как для всех проходов по фиксированному параметру, так и для фиксированного прохода по каждому из параметров. В первом случае, за акт коррекции, в каждом из проходов изменяются значении только одного из параметров, например, обжатия. В другом случае, коррекция состоит в изменении значений всех режимных параметров в некотором, предварительно указанном, проходе.
В совокупности, действия, предусмотренные блоками 1–4 представляют собой синтез некоторого приближения режима прокатки, рассматриваемого в наиболее широком, обобщенном ранее, смысле. Последовательность блоков не является произвольной. Они расположены строго в зависимости от того, насколько просто и быстро могут быть изменены те или иные, отнесенные к режиму прокатки параметры, непосредственно на стане. Изменения управляемых параметров стана, например, перевалка рабочих валков, наиболее трудоемкий вариант коррекции, сопряженный, кроме того, с потерями рабочего времени и производительности обрабатывающей системы. Изменение обжатий или скоростей прокатки осуществляются наиболее просто и наиболее часто.
В соответствии с общей методологией проектирования, некоторое приближение (очередной вариант проектируемого объекта) необходимо подвергнуть анализу для определения его соответствия заданным требованиям. Напомним, что в рамках обобщенной схемы проектирования на некотором иерархическом уровне анализ рассматривается как определение значений тех параметров проектируемой системы, по которым можно судить об упомянутом соответствии. Применительно к режиму прокатки как объекту проектирования, необходимо определять нагрузки на элементы обрабатывающей системы (чтобы проверить выполнение ограничений по ее прочностным, мощностным и другим ресурсам), показатели качества и количества полосы. Однако, прокатка будет невозможной, если будет нарушено хотя бы одно из ограничений, обусловленных возможностями обрабатывающей системы и особенностями ее взаимодействия с обрабатываемой полосой. Поэтому при проектировании режимов прокатки целесообразно процедуру анализа разделить по крайней мере на два самостоятельных этапа. На первом (блок 5) должны быть вычислены те параметры взаимодействия обрабатывающей системы и полосы, значения которых необходимы для проверки ограничений, отображающих особенности этого взаимодействия, и ограничений по возможностям обрабатывающей системы. Анализ показателей качества и количества полосы (блок 6) имеет смысл выполнять только после того, как оценка ограничений в рамках первого этапа – анализа покажет, что параметры взаимодействия и загрузки являются допустимыми.
При положительной оценке результатов анализа управление должно быть передано в подсистему выбора варианта продолжения проектирования (блок 7).
В случае, если оценка результатов анализа покажет, что они не являются допустимыми, в соответствии с методологией проектирования необходимо изменить (скорректировать) проанализированное приближение. Как справедливо отмечают авторы информационной концепции калибровки валков, для такой коррекции в алгоритме и программе должны быть обратные связи. Однако, по нашему мнению, эти обратные связи необходимо организовать через специальную подсистему выбора варианта коррекции (блок 8). Отсюда должен быть обеспечен прямой доступ к каждому из блоков описания режима прокатки и сюда же должен осуществляться возврат после отработки действий, предусмотренных вызванным блоком. Таким образом, в некоторый момент проектирования будет обеспечена возможность коррекции не всего множества параметров, составляющих режим прокатки, а лишь того их подмножества, изменение которого по каким-либо причинам признано в данной ситуации наиболее целесообразным. Преимущество такой избирательной коррекции видим в том, что при этом возрастает число вариантов улучшения режима прокатки, что, по нашему мнению, позволяет более полно реализовать интуитивно-эвристические возможности проектировщика в выборе путей достижения цели прокатки. В программе автоматизированного проектирования необходимо предусмотреть, чтобы управление передавалось в подсистему выбора варианта коррекции как автоматически (если будет обнаружено нарушение ограничений на этапах анализа), так и по решению проектировщика. Выход из подсистемы целесообразно предусмотреть только по решению проектировщика. При этом управление должно быть передано подсистеме выбора варианта продолжения проектирования.
Подсистема выбора вариантов продолжения проектирования (блок 7) фактически предназначена для реализации диспетчерских функций. Именно здесь должны генерироваться команды, отображающие решение о том, выполнено задание на проектирование режима прокатки или нет. В программе автоматизированного проектирования право генерации таких команд целесообразно отдать проектировщику. В соответствии с общей методологией проектирования, очевидными выходами из подсистемы выбора вариантов продолжения должны быть окончание проектирования, коррекция предыдущего приближения и оформление документов с результатами проектирования. В первом случае подразумевается окончание работы с программой. Во втором – передача управления подсистеме выбора вариантов коррекции и выполнение с ее помощью всех необходимых изменений режима прокатки. В третьем – выдача документов как на бумажных, так и на машинных носителях информации. Вместе с тем, измененный режим прокатки должен быть вновь подвергнут анализу. Поэтому из системы выбора вариантов продолжения проектирования должен быть предусмотрен выход в начало той процедуры (на рисунке 2 – в блок 5).
Для выдачи документов по результатам проектирования в программе необходимо предусмотреть специальною подсистему выбора вариантов вывода (блок 9). Здесь проектировщику должна быть предоставлена возможность выбора по крайней мере двух направлений вывода – на бумагу (принтером, графопостроителем) или в файл на магнитном диске. Выводимая информация может быть классифицирована на некоторые сообщения, отражающие в той или иной степени как проектируемый объект, так и степень достижения цели его функционирования. Если исходить из предлагаемых нами представлений о режиме и пели прокатки, то среди сообщений можно выделить следующие:
· о состоянии обрабатывающей системы;
· об исходном состоянии полосы;
· о режимах воздействия;
· о параметрах взаимодействия и загрузках;
· о качестве полосы;
· о количестве полосы;
· о затратах.
Каждое из этих сообщений содержит специфическую, но одинаково полезную для оценивания и реализации режима прокатки информацию. Поэтому в подсистеме выбора. варианта вывода целесообразно предусмотреть вывод не только каждого из них по отдельности, но и некоторого комплексного сообщения, формируемого программой автоматически.
В заключение отметим, что разработанные алгоритм автоматизированного проектирования режима прокатки и структура программы, отображают одну и ту же информационную систему. В отличие от информационной системы калибровки валков, которая достаточно подробно рассматривалась выше, в этой системе имеется ряд существенных положительных отличий. Во-первых, ее структура полностью соответствует общей схеме процесса проектирования. Во-вторых, здесь четко реализован принцип оптимального распределения функций между человеком и ЭВМ при проектировании. В-третьих, она является универсальной, так при конкретном наполнении блоков может быть применена для проектирования режимов прокатки профилей любого вида.
Список литературы:
- Дитрих Я. Проектирование и конструирование. Системный подход. М.: Мир, 1981. – 456 с.
- Единая система технологической подготовки производства: Сборник государственных стандартов. – М.: Издательство стандартов, 1984. – 360 с.
- Кондаков А.И. САПР технологических процессов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / А.И. Кондаков. – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 272 с.
- Кудрявцев Е.М. Основы автоматизированного проектирования: учебник для студ. высш. учеб. заведений / Е.М. Кудрявцев. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2013. – 304 с.
- Кузнецов Л.А. Введение в САПР производства проката. – М.: Металлургия, 1991. – 112 с.
- Кузнецов Л.А. Применение УВМ для оптимизации тонколистовой прокатки. – М.: Металлургия, 1988. – 304 с.
- Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. М.: Высшая школа. 1980. – 264 с.
- Румянцев М.И. Методика разработки режимов листовой прокатки и ее применение // Вестник МГТУ. – 2003. – № 3. – С. 35–39.
- Румянцев М.И. Некоторые подходы методики совершенствования технологических систем листопрокатного производства и результаты ее применения // Моделирование и развитие процессов ОМД. – 2012. – № 18. – С. 17–25.
- Румянцев М.И., Омельченко Б.Я. Обобщенный алгоритм автоматизированного проектирования режимов прокатки / Теория и технология процессов пластической деформации. Тр. всеросс. науч.-тех. конф. 8–10 октября 1996 г. – М.: МИСиС, 1997.
- Румянцев М.И. Опыт развития и применения автоматизированного проектирования режимов горячей и холодной прокатки листовой стали разнообразного назначения на станах различных типов // Труды IX конгресса прокатчиков. Том II. 2013. – С. 43–54.
- Ступаченко А.А. САПР технологических операций. Л.: Машиностроение. 1988. – 234 с.
- Теоретические и технологические проблемы автоматизированного проектирования режимов прокатки: Отчет по госбюджетной научно-исследовательской работе ТО-1-91-94. № гос. регистрации 01.9.40.004627. / Научн. руководитель М.Г. Поляков. Отв. исп. М.И. Румянцев. Магнитогорская государственная горно-металлургическая академия им. Г.И. Носова. Магнитогорск. 1994. – 69 с.
- Шилов В.А., Смирнов В.К., Инатович Ю.В. САПР «Сортовая прокатка» и опыт ее исподьзования // Обзорная инф. ин-та Черметинформация: Серия «Прокатное производство». Вып. 4. – М.: Черметинформация, 1988. – 21 с.
дипломов
Оставить комментарий