鋁合金板材熱成形溫控系統設計

李喜東，朱明清

(黑龍江省科學院智能制造研究所，哈爾濱 150090)

由于鋁合金板材的自身材料屬性，其在室溫狀態下成形性不足，常規冷沖壓成形工藝幾乎無法對中高強度鋁合金板材進行成形。鋁合金板材熱成形技術或熱沖壓成形技術采用冷模具，在鋁合金熱處理工藝條件下成形高溫鋁合金板材的成形工藝[1]，要達到此目的，需要針對鋁合金板材快速加熱要求設計加熱裝置。市場上多數控制裝置是由溫度控制二次儀表通過交流接觸器控制電加熱器實現，為達到快速、準確控制溫度的要求，交流接觸器要反復導通和斷開，使電熱器工作，這會產生大量機械噪聲，縮短交流接觸器機械壽命，降低加熱設備穩定性，無法滿足鋁合金板材熱成形技術控制要求。設計了一種通過PLC進行溫度控制的快速加熱裝置，以推動實現鋁合金輕量化鈑金零件的大批量生產。

1 鋁合金熱成形原理

鋁合金板材熱成形或熱沖壓是一種將成形和熱處理相結合的復合成形工藝，針對高強度時效強化鋁合金，在其成形復雜形狀零件過程中可同時實現定形和定性，采用該工藝進行工業生產具有如下技術特點：

高形狀復雜性。熱成形在高溫條件下完成，成形速率較高(250～500 mm/s)，有利于保持板料溫度及高溫下的黏塑性特征(應變速率強化和應變強化)，促進材料均勻化流動，提高板材成形性，并成形出形狀復雜的零件。

高強度。鋁合金熱成形將成形與熱處理兩道工序合二為一，成形后零件強度接近可熱處理鋁合金的完全人工時效(T6)狀態，與傳統高溫成形工藝(溫成形、傳統熱成形和超塑性成形)相比，經人工時效后，該成形技術可以獲得完全人工時效態微觀組織，不破壞材料強度。

高效率。鋁合金熱成形需要采用較高的成形速度，成形過程所需時間較短。由于鋁合金熱成形溫度較低，一般不高于540℃，所需冷模具保壓冷卻時間也較短，整個成形和冷模具保壓時間不高于15 s。

高精度。鋁合金熱成形在高溫下完成，板料內部殘余應力較小，可以實現近零回彈，提高成形零件精度[2]。

鋁合金板材熱成形或熱沖壓成形，其成形原理如圖1所示。采用冷模具在鋁合金熱處理工藝條件下成形高溫鋁合金板材的成形工藝，此工藝通常分為4個階段：

圖1 鋁合金熱沖壓成形工藝流程Fig.1 Technological process of hot forming of aluminium alloy

固溶熱處理。將高強度鋁合金坯料加熱至固溶熱處理溫度，并在該溫度下保溫一段時間，直到所有組分都被固溶為單一相。固溶熱處理能完全溶解舊工藝中存在的析出強化相，并通過擴散方式將合金元素均勻地分布在鋁基體中。

板料轉移。固溶處理之后，熱板料立即通過送料臂轉移至安裝在壓機中的冷模具中。坯料轉移通常在短時間內完成，供料器可提供適當熱保護，使坯料熱損失最小化。

成形與快速淬火。將坯料沖壓成模具形狀，并將成形部件在一定壓力下于冷模中保壓一段時間，將其淬火至足夠低的溫度。淬火速率必須足夠高，防止二次相顆粒從基體中析出，并獲得過飽和固溶體顯微組織，這是保證人工時效后零件強度所必需的。

成形件熱處理。熱沖壓淬火成形工藝的一個重要階段是對可熱處理的鋁合金部件的成形后熱處理，包括將成形部件加熱到人工時效溫度，并將其保持在該溫度以允許析出強化相的產生。

2 系統軟件設計

2.1 主程序設計

主程序用來組織整個控制程序，按程序調用其他子程序，同時負責與觸摸屏之間的通信功能，實現系統輸入、輸出數據讀取，中間變量存取等組織功能，啟動與停止手動控制和系統運行指示。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖Fig.2 Flow chart of main program

2.2 模擬量輸入量程轉換功能

輸入變量量程轉換功能，此功能是將現場實時采集的模擬量信號轉換成儀表量程范圍內的實際數值，方便用戶讀取，同時給出超量程報警狀態信息，梯形框圖如圖 3所示。

圖3 模擬量輸入量程轉換功能圖Fig.3 Analog input range conversion function diagram

輸入端介紹：

“EN”使能控制端，此端置“1”次FC5功能才會執行；

“Command”，輸入信號控制端；

“CONSTANT”，常數量輸入端；

“DATA_Int”，信號輸入端；

“Decimal-H”，工程量最大值上限參數設置端；

“Decimal-L”，工程量最小值下限參數設置端；

“Measure-H”，模擬量輸入量程上限參數設置端；

“Measure-L”，模擬量輸入量程下限參數設置端。

輸出端介紹：

“ENO”功能塊執行輸出端，只有此功能塊被正確執行，輸出“1”；

“DATA-OUT”，模擬量輸出；

“Measure-H-Alarm”，模擬量輸入超上限報警輸出，此位輸出“0”報警；

“Measure-L-Alarm”，模擬量輸入超下限報警輸出，此位輸出“0”報警。

2.3 PID控制功能的實現

這部分程序設計是整個溫度控制系統的核心，通過實時自動控制實現加熱爐溫度快速調節的目的。為得到連續控制輸出，必須在可編程序控制的中斷組織程序中周期性調用PID控制器SFB41功能塊，該功能塊可提供連續PID控制輸出功能，也提供人為干預手動輸出功能。這個功能中有PID控制算法，控制算法中的比例控制、積分控制、微分控制可同時并聯運行輸出，也可單獨激活或關閉，用來自由組合成PI控制、PD控制和PID等控制，提高了軟件應用靈活性和通用性。

圖4是SFB41功能塊的部分框圖，部分輸入參數：“COM_RST”控制，初始化時置位運行；“MAN_ON”手動輸出控制，置位時PID控制將終止運行，PID輸出值將由手動設置；“PVPER_ON”外部變量控制，置位時過程控制變量從外部硬件端口直接獲得；“P_SEL”比例控制器選擇，置位時比例控制被激活；“I_SEL”積分控制器選擇，置位時積分控制被激活；“D_SEL”微分控制器選擇，置位時微分控制被激活；“SP_INT”PID控制器給定值；可由觸摸屏人工手動給定；“PV_IN”被控對象反饋值，是由外部輸入的一個過程值；“GAIN”比例控制器的比例系數也稱放大倍數、增益系數，增加比例系數會使系統快速反應，減小偏差量，但過大會波動，無法達到穩定狀態；“TI”積分控制器的積分時間，增加積分時間會使加強積分作用，快速消除偏差量，但穩定性變差；“TD”微分控制器的微分時間，增加微分時間會使系統跟隨波動快速性加強，但系統整體抗干擾能力變弱，無法正常運行。部分輸出參數：“LMN”PID控制器運算后的輸出值，0～100浮點格式輸出；“LMN_PER”PID控制器運算后的輸出值，十六進制字輸出，可直接作用到輸出通道上；“QLMN_HLM”位狀態，輸出值超上限報警輸出；“QLMN_LLM”位狀態，輸出值超下限報警輸出；“ER”偏差量，給定值與反饋值之間的差值，浮點格式輸出[3-4]。

圖4 SFB41功能塊部分框圖Fig.4 Block diagram of SFB41 functional block

3 參數監控和設定

通過觸摸屏畫面可以查看當前實時控制情況，包括各種控制和運行參數，同時還記錄了系統自動運行時長。如圖5 PID調節控制窗口畫面，畫面左側是運行參數，包括設定值、反饋值、自動控制輸出值、手動輸出給定值，分別通過棒狀圖和數值展示出來；下部可點擊“手動”、“自動”按扭，進行手自動切換，按扭上方狀態是用來顯示控制系統正處于哪一種模式下運行；畫面右側是PID調節的實時曲線，通過點擊實時曲線窗口可快速切換到此控制的歷史記錄曲線窗口畫面，通過畫面上的按鈕可調出最近一天、任意時段趨勢畫面和任意時刻對應歷史數據；窗口右下部是PID參數調整欄，通過點擊對應的PID參數數據位置，可快速輸入新的PID參數值，方便調試過程使用，調整后PID參數會傳送給PLC控制器，并在下一控制周期中按照新調整參數執行。

圖5 PID調節控制窗口畫面Fig.5 Picture of PID adjustment control window

此外，系統還提供報警信息記錄與查詢，通過選擇觸摸屏系統監控畫面菜單上的“CurrentAlarm”，可直接進入報警與事件顯示界面。畫面中可顯示當前存在的報警、報警時間、報警狀態、名稱、類型、報警值、報警界線、操作員及優先級。

4 結語

設計一套用于鋁合金板沖壓成形前具有快速加熱功能的加熱系統，通過反復實驗優化PID等控制參數，最終使溫控系統性能穩定，控制速度快，滿足各項控制指標要求。