CN102049426A - 交通运输用工业铝型材调速等温挤压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交通运输用工业铝型材调速等温挤压控制方法，由控制***主机、等温挤压PLC与工业铝型材出口温度测温仪组成。控制***主机中存储铝合金型材等温挤压曲线，以及型材出口温度值控制信息。测温仪连续监测采集挤压型材出口温度，温度数据导入等温挤压PLC中，等温挤压PLC与控制***根据所测温度，做出挤压速度调整指令，经等温挤压控制PLC传达给挤压机PLC，实施对挤压机挤压速度的增量/负量实时调整。同时，挤压机PLC将挤压机实时挤压速度反馈至等温挤压控制PLC，周而复始进行上述过程。本发明显著提高了工业铝型材挤压生产工序的自动化水平和生产制造效率，解决了长期以来依赖人工经验控制而造成的质量波动大、生产效率低下的技术难题。

Description

交通运输用工业铝型材调速等温挤压控制方法

技术领域

本发明涉及一种工业用大型铝合金型材挤压工艺的关键技术，尤指一种交通运输用工业铝型材调速等温挤压控制方法，属于有色金属压力加工技术领域。

背景技术

随着铝挤压技术的进步和国民经济的迅速发展，铝型材在交通运输、航天航空、工业机械、电子设备等领域的应用逐年上升，尤其是我国交通运输业朝轻量化、高速化和环保化的方向发展，地铁、高速列车、轻轨、双层客车等运输工具逐步采用铝型材车体。交通运输用铝型材的长度常达10-30m，对铝型材的形状与尺寸精确性、组织与性能沿断面和长度方向的均匀一致性有很高要求，进行此类型材的挤压生产时，须保持型材出口温度恒定或者基本恒定。

在常规的铝合金热挤压过程中，人们常采用人工控制的恒速挤压工艺，但这种挤压工艺存在较多缺点。由于铝金属在挤压过程中的形变热及摩擦生热，型材出口温度逐渐升高，挤压结束时，出口温度达到最大值，很容易出现超温带来的各种组织及性能缺陷。为防止型材出口温度过高，一般采取比较低的挤压速度，从而限制了挤压生产效率。同时，在恒速挤压条件下，金属的温度和变形极不均匀，容易导致产品发生尺寸、形状、组织和性能等方面的质量缺陷。

等温挤压是减少或消除上述缺陷的有效方法之一，其特点是铝型材在恒定出口温度的情况下对铝棒进行挤压成形，模孔变形区金属的温度始终保持基本恒定(一般为±10℃)，保持金属变形抗力和流动的均匀性。实际生产中，一般采用铸锭梯度加热或冷却法来实现等温挤压，但等温挤压所需铝棒温度梯度难以通过理论分析精确地确定，并且该方法对生产线的自动化程度要求较高，难以达到预期效果；通过对挤压参数的热-力耦合模拟仿真获得等温挤压速度-温度曲线来实现等温挤压，由于挤压加工变形量大，仿真过程网格畸变严重，计算量大，效率低，而且往往由于缺乏工厂大量的数据支持，得到的等温挤压曲线模型缺乏工程背景，限制了其在工程上的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述挤压技术的不足，采用直接测温调速法来实现等温挤压，即通过在线反馈***将测量的型材出口温度反馈至挤压机的PLC控制器，然后根据实测的出口温度调节挤压速度来维持恒定的出口温度，使型材在整个挤压过程中性能趋于一致。

本发明的具体技术方案如下：

一种交通运输用工业铝型材等温挤压控制方法，其特征在于，交通运输用工业铝型材等温挤压控制***由控制***主机、等温挤压PLC与工业铝型材出口温度测温仪组成。控制***主机中存储有通过试验方法得到的铝合金型材等温挤压曲线，以及不同的铝合金牌号、挤压变形比、组织性能等参数决定的型材出口温度值等控制信息。测温仪连续监测采集挤压型材出口温度，出口温度数据传输导入等温挤压PLC中，等温挤压PLC与控制***根据所测温度，按照PID控制算法对速度偏差值进行计算，做出挤压速度调整指令，经等温挤压控制PLC传达给挤压机PLC，实施对挤压机挤压速度的增量/负量实时调整。同时，挤压机PLC将挤压机实时挤压速度反馈至等温挤压控制PLC，形成速度控制闭环，周而复始进行上述过程，实现交通运输用工业铝型材等温挤压的工艺控制。

本发明所述的铝合金型材等温挤压曲线通过如下试验方法步骤获得，首先确定铝型材挤压出口温度目标值；其次，通过工程试挤法确定“挤压速度V-行程L”之间的初步数量关系，得到“V-L”轮廓线；然后，将行程L等额划分成i个小格得到行程节点，采用“节点速度变量法”，变动行程节点对应的速度V_i，j(i＝1，2，3，...；j＝1，2，3，...)，每个节点上的挤压速度变动j次，研究节点速度变量对铝型材出口温度值的影响规律，应用数值程序方法来确定每节点上的最佳挤压速度V_i(i＝1，2，3，...)，得到“V-L”折线；最后，对“V-L”折线进行曲线拟合，得到顺滑的“挤压速度V-行程L”的等温挤压曲线。将所得的铝型材等温挤压曲线输入等温挤压控制***主机中。工程试挤法是通过铝棒试压，探索在铝棒预热温度一定的前提下，挤压速度对铝型材出口温度的影响。

本发明所述的挤压速度与行程是指挤压机的挤压杆速度与行程，挤压杆速度乘以铝型材挤压变形比，等于铝型材挤压流出速度。其中，铝型材挤压变形比是挤压筒内截面积与铝型材截面积之比值。挤压变形比反映了铝金属的变形程度。

本发明所述的铝型材挤压出口温度目标值主要根据挤压铝合金的牌号特性来设定，再根据挤压变形比、组织性能要求、型位及表面质量情况等参数来进行修正。2xxx系、5xxx系、6xxx系及7xxx系铝合金型材出口温度目标值分别为480～500℃、480～500℃、500～520℃及450～470℃。挤压速度要进行负量修正的因素包括如下任一条件：金属变形抗力大；挤压变形比大；表面质量要求高等。反之，即为挤压速度增量因素。金属变形抗力与挤压变形比越大，金属形变发热量越大，在同等条件下，低速挤压的铝型材型位公差小，表面质量高。

本发明所述的工业铝型材出口温度测温仪，可固定安装在铝型材出口的前上方，采用多波长红外测温仪对铝型材出口温度进行采集测量，测温仪发射率可根据不同合金材质、断面形状、测量环境等信息的进行调节，测量步长为50～200ms，测量温度数据实时传输至等温挤压PLC中，等温挤压PLC启动PID控制算法对速度偏差值进行计算。

本发明所述的PID控制算法的控制表达式为：δ(k+2)＝αe(k+2)-βe(k+1)+λe(k)。其中，δ(k+2)表示PID输出控制增量；k表示测温采集序号，k＝0，1，2，3...；e(k)表示第k次温度采集时获得的出口温度偏差值，e(k+1)、e(k+2)类推；α＝K_P+K_I+K_D，β＝K_P+2K_D，λ＝K_D，其中K_P，K_I，K_D分别表示PID算法中的比例系数，积分系数与微分系数，可通过生产试验及试凑调整得出。

本发明所述的挤压速度的调整指令由等温挤压PLC传达至挤压机PLC，由挤压机PLC实施挤压速度的增量/负量调整。同时，通过挤压机主机***工作界面可以对挤压速度进行微调干预。

本发明所述的挤压机的主机与PLC，与等温挤压控制***保持同步，实现快速反应与控制。

本发明具有以下优点：

1、操作方法简单，有工程背景，易实现工程推广应用；2、型材出口温度测量响应时间短，挤压机PLC与等温挤压PLC控制器同步控制；3、实现了挤压速度-温度的闭环控制，型材的出口温度可控制在±10℃以内；4、型材的微观组织、性能指标均匀一致，大幅降低型材挤压缺陷率；5、与现有人工控制工艺相比，成材率提高10～15％，挤压效率提高15～25％，工人劳动强度明显降低。

附图说明

图1为交通运输用工业铝型材调速等温挤压控制***示意图；

图2为冷藏集装箱用高可焊性6xxx系铝合金型材截面图；

图3为铝合金型材等温挤压曲线变化及试挤迭代计算示意图；

图4为冷藏集装箱用铝型材等温挤压曲线图；

图5为高速船舶用高性能5xxx系铝合金带筋板型材截面图；

图6为高速船舶用铝型材等温挤压曲线图；

图1具体说明如下：挤压杆1，挤压筒2，挤压垫3，铝合金铸棒4；挤压模具5，模垫6，型材7。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

铝型材等温挤压控制***采用工业计算机为主机，灵敏度高的可编程控制器PLC，测温仪采用具有背景补偿的多波段红外测温仪，温度采集步长设定为100ms。交通运输用工业铝型材变速等温挤压试验在3600T卧式铝挤压机上进行，挤压机主机、PLC与等温挤压控制***反应度保持同步。

采用多波长红外测温仪连续测量型材出口温度，不同成分合金或不同断面形状型材的发射率自动调节，每秒对铝型材出口温度测量10次。

实施例1：冷藏集装箱用高焊接性6xxx系铝合金型材等温挤压

铝合金牌号AA6061，模具型号B1136，外形尺寸为340mm(宽度)×65mm(高度)×(2.2～3.2)mm(壁厚)，挤压变形比为32，如图2。

挤压工艺参数为：挤压筒温度设定为420℃，铝棒的加热温度设定为480℃，模具加热温度为460℃，铝型材挤压出口温度目标值为520℃。

AA6061铝合金铸棒长度为1000mm，挤压杆行程900mm，等额划分成600格，相当于600个行程节点，每个行程节点间隔为1.5mm。

冷藏集装箱用AA6061-B1136铝型材初始(最大)挤压速度为10mm/s，来自工程试验数据。采用工程试挤法，以10mm/s的速度开始挤压，通过测温仪定时采集型材出口温度。选择每100mm间隔为考核节点，调整考核节点上的挤压速度，记录铝型材出口温度Tout的波动情况，反复进行N支铝棒的挤压试验，N值越大，数据精度越高。此处选择N＝10支，得到如下函数关系表达式：

第1支，T_out，1＝f(10，V_1，2，V_1，3，...，V_1，9)；

第2支，T_out，2＝f(10，V_2，2，V_2，3，...，V_2，9)；

...

第10支，T_out，10＝f(10，V_10，2，V_10，3，...，V_10，9)。

其中，T_out，10表示第十支铝棒挤压时的铝型材出口温度，是一个变化值，随9个考核节点的挤压速度变化而变化；V_10，1表示第十支铝棒挤压时的第一个考核节点上的挤压速度。其它类推。

将T_out，1～T_out，10与目标温度进行比对，通过数值程序计算，可得到T_out＝f(V₁，V₂，V₃，...，V₉)，以及依据9个考核节点的“挤压速度V-行程L”的轮廓线。

再进一步增加考核节点数量，直至等于行程节点数目(600个)，并且应用“节点速度变量法”，变动行程节点上的挤压速度V_i，j(i＝1，2，3，...，600；j＝1，2，3，...，10)，每个节点上的挤压速度变动10次，通过数值分析得到细致程度很高的“挤压速度V-行程L”折线图，如图3。

在铝型材等温挤压曲线描绘的后阶段，对已获得的V-L折线图进行曲线拟合，得到顺滑的6061铝合金型材等温挤压曲线，如图4。应用6061铝合金型材等温挤压曲线进行挤压控制，当铝型材出口温度发生波动时，说明该行程节点上的挤压速度已经偏离铝型材等温挤压曲线。由挤压机的位移传感器可以获取实际挤压速度V实际，对应等温挤压曲线的挤压速度V曲线，V实际与V曲线之间存在速度差。由于挤压杆一直在前进，产生位移，而且PLC控制需要反映速度，应用PID控制算法时，测温仪第k+2次与第k次采集温度的时间差为200ms，挤压杆在此段时间内的位移小于行程节点间距(1.5mm)，保证了数据采集及调速的精度。

以e(k+2)、e(k+1)与e(k)分别表示通过红外测温仪进行第k+2次、第k+1系与第k次温度采集时获得的铝型材出口温度偏差值，通过PID控制算法，δ(k+2)＝αe(k+2)-βe(k+1)+λe(k)，计算挤压速度的输出控制变量。根据工程试挤法和反复试凑，比例系数KP＝10～30，积分系数KI＝10～30，微分系数KD＝10～20时，铝型材出口温度维持在520±6℃，取得良好的等温挤压控制效果，冷藏集装箱用高可焊性铝型材批量高速挤压，获取显著的产业效益。

实施例2：高速船舶用高性能5xxx系铝合金带筋板型材等温挤压

铝合金牌号5A30，模具型号B2819，外形尺寸为280mm(宽度)×55mm(高度)×4.5mm(壁厚)，挤压变形比为36(图5)。

挤压工艺参数为：挤压筒温度设定为420℃，铝棒的加热温度设定为450℃，模具加热温度为440℃，铝型材挤压出口温度目标值为500℃。

5A30铝合金铸棒长度为800mm，挤压杆行程700mm，等额划分成350格，350个行程节点，每个行程节点间隔为2mm。

高速船舶用5A30-B2819铝型材初始(最大)挤压速度为2.05mm/s，来自工程试验数据。采用工程试挤法，以2.05mm/s的速度开始挤压，通过测温仪定时采集型材出口温度。选择每100mm间隔为考核节点，调整考核节点上的挤压速度，记录铝型材出口温度Tout的波动情况，反复进行N支铝棒的挤压试验，N值越大，数据精度越高。此处选择N＝8支，得到如下函数关系表达式：

第1支，T_out，1＝f(2.05，V_1，2，V_1，3，...，V_1，7)；

第2支，T_out，2＝f(2.05，V_2，2，V_2，3，...，V_2，7)；

...

第8支，T_out，8＝f(2.05，V_8，2，V_8，3，...，V_8，7)。

其中，T_out，8表示第八支铝棒挤压时的铝型材出口温度，V_8，1表示第八支铝棒挤压时的第一个考核节点上的挤压速度。其它类推。

将T_out，1～T_out，8与目标温度进行比对，通过数值程序计算，可得到T_out＝f(V₁，V₂，V₃，...，V₇)，以及依据7个考核节点的“挤压速度V-行程L”的轮廓线。

应用“节点速度变量法”，变动行程节点上的挤压速度V_i，j(i＝1，2，3，...，350；j＝1，2，3，...，8)，每个节点上的挤压速度变动8次，通过数值分析计算得到细致程度很高的“挤压速度V-行程L”折线图(图3)。

在铝型材等温挤压曲线描绘的后阶段，对已获得的V-L折线图进行曲线拟合，得到顺滑的5A30铝合金型材等温挤压曲线(图6)。

船舶用高镁含量铝合金变形抗力大，粘性大，挤压加工难度高。根据工程试挤法和反复试凑，PID控制算法比例系数KP＝15～22，积分系数KI＝10～18，微分系数KD＝8～12时，铝型材出口温度维持在500±8℃，取得良好的等温挤压控制效果，突破了5xxx系铝合金难以挤压成形的技术瓶颈。

Claims (8)

1.一种交通运输用工业铝型材调速等温挤压控制方法，其特征在于，交通运输用工业铝型材等温挤压控制***由控制***主机、等温挤压PLC与工业铝型材出口温度测温仪组成，控制***主机中存储有通过试验方法得到的铝合金型材等温挤压曲线，以及不同的铝合金牌号、挤压变形比、组织性能参数决定的型材出口温度值控制信息；测温仪连续监测采集挤压型材出口温度，出口温度数据传输导入等温挤压PLC中，等温挤压PLC与控制***根据所测温度，按照PID控制算法对速度偏差值进行计算，做出挤压速度调整指令，经等温挤压控制PLC传达给挤压机PLC，实施对挤压机挤压速度的增量/负量实时调整；同时，挤压机PLC将挤压机实时挤压速度反馈至等温挤压控制PLC，形成速度控制闭环，周而复始进行上述过程，实现交通运输用工业铝型材等温挤压的工艺控制。

2.根据权利要求1所述的一种交通运输用工业铝型材调速等温挤压控制方法，其特征在于，所述的铝合金型材等温挤压曲线通过如下试验方法步骤获得，首先确定铝型材挤压出口温度目标值；其次，通过工程试挤法确定“挤压速度V-行程L”之间的初步数量关系，得到“V-L”轮廓线；然后，将行程L等额划分成i个小格得到行程节点，采用“节点速度变量法”，变动行程节点对应的速度V_i，j(i＝1，2，3，...；j＝1，2，3，...)，每个节点上的挤压速度变动j次，研究节点速度变量对铝型材出口温度值的影响规律，应用数值程序方法来确定每节点上的最佳挤压速度V_i(i＝1，2，3，...)，得到“V-L”折线；最后，对“V-L”折线进行曲线拟合，得到顺滑的“挤压速度V-行程L”的等温挤压曲线，将所得的铝型材等温挤压曲线输入等温挤压控制***主机中。

3.根据权利要求2所述的一种交通运输用工业铝型材调速等温挤压控制方法，其特征在于，所述的挤压速度与行程是指挤压机的挤压杆速度与行程，挤压杆速度乘以铝型材挤压变形比，等于铝型材挤压流出速度；其中，铝型材挤压变形比是挤压筒内截面积与铝型材截面积之比值。

4.根据权利要求2所述的一种交通运输用工业铝型材调速等温挤压控制方法，其特征在于，所述的铝型材挤压出口温度目标值主要根据挤压铝合金的牌号特性来设定，再根据挤压变形比、组织性能要求、型位及表面质量情况等参数来进行修正；2xxx系、5xxx系、6xxx系及7xxx系铝合金型材出口温度目标值分别为480～500℃、480～500℃、500～520℃及450～470℃；挤压速度要进行负量修正的因素包括如下任一条件：金属变形抗力大；挤压变形比大；表面质量要求高；反之，即为挤压速度增量因素。

5.根据权利要求1所述的一种交通运输用工业铝型材调速等温挤压控制方法，其特征在于，所述的工业铝型材出口温度测温仪，可固定安装在铝型材出口的前上方，采用多波段红外测温仪对铝型材出口温度进行采集测量，测温仪发射率可根据不同合金材质、断面形状、测量环境等信息的进行调节，测量步长为50～200ms，测量温度数据实时传输至等温挤压PLC中，等温挤压PLC启动PID控制算法对速度偏差值进行计算。

6.根据权利要求5所述的一种交通运输用工业铝型材调速等温挤压控制方法，其特征在于，PID控制算法的控制表达式为：

δ(k+2)＝αe(k+2)-βe(k+1)+λe(k)

其中，δ(k+2)表示PID输出控制增量；k表示测温采集序号，k＝0，1，2，3...；e(k)表示第k次温度采集时获得的出口温度偏差值，e(k+1)、e(k+2)类推；α＝K_P+K_I+K_D，β＝K_P+2K_D，λ＝K_D，其中K_P，K_I，K_D分别表示PID算法中的比例系数，积分系数与微分系数，通过生产试验及试凑调整得出。

7.根据权利要求1所述的一种交通运输用工业铝型材调速等温挤压控制方法，其特征在于，挤压速度的调整指令由等温挤压PLC传达至挤压机PLC，由挤压机PLC实施挤压速度的增量/负量调整。同时，通过挤压机主机***工作界面对挤压速度进行微调干预。

8.根据权利要求1所述的一种交通运输用工业铝型材调速等温挤压控制方法，其特征在于，挤压机的主机与PLC，与等温挤压控制***保持同步，实现快速反应与控制。

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